На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

По телефону он мне сообщил, что все началось с парадокса, непосредственно связанного с монументальным открытием Хокинга. Когда черные дыры излучают, они испаряются, их радиус уменьшается, и в конечном счете они должны будут исчезнуть из Вселенной, забрав с собой все, что в них упало. Хокинг считал, что если слон падает в черную дыру, а потом черная дыра испаряется, то она забирает слона вместе с собой, не оставляя никаких следов, ни одного бита информации о его странном исчезновении.

Для Сасскинда такой сценарий был не что иное, как кризис.

– В физике мы исходим из того, что информация никогда не теряется, – сказал он мне. – В квантовой механике это означает, что начальное состояние может быть восстановлено по конечному состоянию. Это очень, очень принципиальное положение. Квантовые состояния должны что-то значить. В физике, как мы знаем, все основывается на том, что информация сохраняется, даже если она сильно перемешивается.

Если какой-то физический закон, вроде закона сохранения информации, может нарушаться на границе черной дыры, он может нарушиться и в любом другом месте. Либо мир описывается квантовой механикой, либо нет – достаточно построить один сценарий, в котором она не работает, и вся она становится совершенно бесполезной. По словам Сасскинда, если в черных дырах может теряться информация, все здание квантовой механики рушится. Уравнение Шрёдингера, которое описывает эволюцию квантовой системы во времени, потеряло бы смысл. Волновые функции сдулись бы и опали. Распался бы любой намек на связь будущего с прошлым. Предсказания, сделанные на основе квантовой механики, выглядели бы абсурдно, так как сумма вероятностей оказалась бы когда-то меньше, а когда-то и больше единицы.

С другой стороны, если черные дыры не теряют информацию, то с общей теорией относительности надо попрощаться. Потому что существует только одна реальная возможность сохранения информации от испарения в небытие. Она не может выбраться из внутренностей черной дыры, потому что пересечение горизонта в обратном направлении потребует сверхсветовой скорости. Единственная надежда была на то, что информация никогда не падает в черную дыру, и, в первую очередь, на то, что горизонт как-то препятствует ее прохождению в царство теней.

Этот сценарий, однако, нарушает принцип эквивалентности, краеугольный камень общей теории относительности. Самой счастливой находкой Эйнштейна была мысль о том, что свободно падающий наблюдатель всегда ощущает себя находящимся в инерциальной системе отсчета, свободной от сил тяготения, что неизбежно подтвердит любой физический эксперимент. Как человек, падающий с крыши, так и слон, падающий в черную дыру, не чувствуют сил тяготения. Любой физический эксперимент убедит слона, что он находится в состоянии покоя. «Гравитация» – это фиктивная сила, которую мы вводим, когда, наблюдая за слоном из какой-то другой системы отсчета, обнаруживаем у него необъяснимое ускорение. Это способ обеспечить переход из одной системы отсчета в другую с сохранением хотя бы подобия единства реальности.

Если слон покоится в своей собственной системе отсчета, то никакая непроницаемая стена не материализуется внезапно перед ним. Стенки, блокирующие поток информации, не появляются из ниоткуда – по крайней мере так, чтобы при этом не нарушались законы физики.

– Из принципа эквивалентности следует, что если вы находитесь в окрестности, где кривизна пространства-времени невелика, то с вами не должно происходить ничего странного или неожиданного, – объяснил Сасскинд. – Кривизна вблизи горизонта небольшая, поэтому, проваливаясь сквозь горизонт, никто не должен испытывать ничего странного. Информация, чтобы не быть потерянной, никогда не должна пересекать горизонт. С другой стороны, принцип эквивалентности говорит, что горизонт – это не какое-то особое место, поэтому информации ничто не мешает пройти прямо через него.

На первый взгляд, в этих рассуждениях была какая-то ошибка: почему это кривизна вблизи горизонта черной дыры должна быть маленькой? Логично предположить, что она там весьма велика, учитывая, что черная дыра все притягивает к себе сильнее любого другого объекта во Вселенной. Но если размер черной дыры достаточно велик, пояснил Сасскинд, то гравитационные приливные силы на горизонте будут ничтожно малы. А при произвольном размере черной дыры у вас всегда есть возможность выбрать настолько малый участок поверхности горизонта, что пространство вблизи него окажется в достаточной мере плоским, чтобы не мешать потоку информации и не изменять предписаниям Эйнштейна.

Это был идеальный парадокс: информация не могла быть потеряна, не нарушая квантовой механики, и она не могла сохраниться, не нарушая общей теории относительности. Хокинг принял сторону Эйнштейна и предпочел спасти теорию относительности, жертвуя слоном и квантовой механикой. Но Сасскинд был убежден, что нельзя отказаться от квантовой механики, не отказавшись при этом и от всего окружающего нас мира. Интуиция говорила ему, что информация никогда не пересекает горизонт, но он должен был найти способ сохранить при этом принцип эквивалентности.

На самом деле, несложно показать, что информация никогда не пересекает горизонт с точки зрения ускоренного наблюдателя, находящегося вне черной дыры. Читая об излучении Хокинга, я уже убедилась, что Сэйф, то есть тот наблюдатель, который движется с ускорением, увидит световые волны до крайности растягивающимися, а время замедляющимся вплоть до полной остановки при достижении горизонта. Сэйф не видит ничего, что падает за горизонт, поскольку для него ничего по ту сторону не существует. Для него горизонт означает границу реальности, конец света. Сэйф не может потерять никакой информации, поскольку ей некуда деться.

Все становится иначе, когда речь заходит о другом наблюдателе, которого мы назвали Скрудом. Он устремляется прямо сквозь горизонт, потому что из-за принципа эквивалентности горизонта для него не должно существовать. С его точки зрения, огромный массив информации, содержащейся в его собственном теле, может легко перейти в черную дыру, даже если и не сможет выбраться оттуда обратно. Сэйф говорит, что информация остается за пределами горизонта; Скруд говорит, что она внутри черной дыры. Сасскинд был убежден в том, что если бы каким-то образом обе этих версии были истинны, то ни квантовая механика, ни общая теория относительности не были бы нарушены, и порядок в мироздании был бы сохранен.

Для того чтобы обе версии происходящего были истинны, информация, казалось бы, должна была существовать в двух местах одновременно, – так, словно каждый ее бит склонирован в две идентичные версии. К сожалению, такой сценарий исключался теоремой Журека о запрете клонирования, откуда и возникала проблема. В самом деле, если бы квантовую частицу можно было клонировать, то можно было бы перехитрить принцип неопределенности. Вы бы могли измерить положение в пространстве одного клона и импульс другого, и тогда вы бы точно знали значения сопряженной пары, – и принцип неопределенности оказался бы нарушен. Но принцип неопределенности нельзя перехитрить. Информация не может быть клонирована. Снова Сасскинд остался один на один с парадоксом: обе версии происходящего должны быть истинны, и одновременно одна из них должна быть ложной.