Маркус дю Сотой - О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний

В вакууме происходят квантовые флуктуации, в которых, например, может возникнуть пара, состоящая из частицы и античастицы: одна из них имеет положительную энергию, а другая – отрицательную. Возможно, именно этот механизм возникновения чего-то из ничего и запустил развитие Вселенной. Обычно частица и античастица, возникшие в космическом вакууме, быстро аннигилируют. Но если такая пара возникнет так, что частица с положительной энергией будет находиться вне горизонта событий черной дыры, а частица с отрицательной энергией будет заперта внутри его, то может произойти нечто интересное.

Мы получаем довольно странный эффект: внутренняя частица затягивается в черную дыру и, поскольку ее энергия отрицательна, уменьшает массу такой черной дыры, а частица с положительной энергией выглядит так, будто она была испущена из черной дыры. Черная дыра действительно светится – у нее есть температура, как и следовало ожидать в предположении, что черная дыра имеет положительную энтропию.

Минуточку. Но ведь в половине случаев частица с положительной энергией будет оказываться внутри черной дыры, а не вне ее. Разве это не приведет к увеличению массы черной дыры? Чтобы разрешить это противоречие, нужно учесть, что частица с отрицательной энергией, образовавшаяся за пределами горизонта событий, не имеет энергии, необходимой ей, чтобы улететь прочь, поэтому суммарный эффект таких случайных флуктуаций состоит в уменьшении общей массы черной дыры с течением времени.

Испускание так называемого излучения Хокинга пока не было обнаружено ни в одной из черных дыр, которые нам до сих пор удалось распознать. Проблема состоит в том, что, согласно математическим выкладкам, его интенсивность тем меньше, чем больше масса черной дыры. Поэтому черная дыра, масса которой равна нескольким солнечным, должна испускать его с такой низкой интенсивностью, что это излучение будет иметь меньшую температуру, чем реликтовое излучение. Это означает, что мы не можем выделить его из фоновых шумов, оставшихся от Большого взрыва.

Поразительное следствие гипотезы Хокинга состоит в том, что она предлагает возможный механизм исчезновения черных дыр, масса которых уменьшается с течением времени. По мере уменьшения массы интенсивность излучения возрастает, и в конце концов, как полагают, черная дыра может исчезнуть с резким хлопком. По мнению Хокинга, такой хлопок может быть довольно сильным – сравнимым со взрывом миллионов водородных бомб. Однако другие исследователи считают, что он скорее должен быть сравним по силе со взрывом артиллерийского снаряда.

Тем не менее при этом мы получаем новую загадку. Куда девается информация, попавшая в черную дыру? Я могу согласиться, что информация может быть заперта внутри черной дыры – по крайней мере, она все еще существует. Но, если черная дыра в конце концов исчезает, исчезает ли информация вместе с ней? Или же она каким-то образом оказывается закодирована в излучении, выходящем из этой сингулярности? Можно ли, бросив игральную кость в черную дыру, каким-то образом узнать, какой стороной она упала, по частицам, испускаемым с края горизонта событий? Возможно, как и в случае с сожженными журналами, существует некий теоретический способ проанализировать такое излучение и извлечь из него информацию обо всем, что исчезло за горизонтом событий? Загадку о том, что происходит с такой информацией, называют информационным парадоксом черных дыр.

В 1997 г. Хокинг заключил еще одно пари, и на этот раз Кип Торн был на его стороне. Они поспорили с физиком из Калтеха Джоном Прескиллом. Они считали, что такая потеря информации неизбежна. Но, поскольку она противоречит квантовой теории, Прескилл не был готов примириться с возможностью утраты информации. На этот раз ставкой была не подписка на журналы, а энциклопедия по выбору победителя. Энциклопедия должна была символизировать вопрос о том, что произойдет с информацией, содержащейся в энциклопедии, которую бросили в черную дыру: может ли она быть как-то закодирована во вновь возникающих частицах, излучаемых в соответствии с принципом неопределенности?

В 2004 г. Хокинг торжественно признал свое поражение. Прескилл получил книгу «Все о бейсболе» [98]. Хокинг впоследствии шутил: «Я отдал Джону бейсбольную энциклопедию, но, может быть, надо было просто отдать ему пепел» [99].

Теперь Хокинг полагает, что попадающая в черную дыру информация кодируется на поверхности горизонта событий, заключающего в себе такую черную дыру, и передается испускаемым с нее частицам. Как ни странно, эта двумерная поверхность, по-видимому, кодирует информацию о находящемся внутри ее трехмерном пространстве. Отсюда возникла идея голографической Вселенной: вся наша трехмерная Вселенная – всего лишь проекция информации, содержащейся на двумерной поверхности. Хотя Хокинг и признал свое поражение в споре, Торн по-прежнему отстаивает свою позицию. Он все еще считает, что информация утрачивается.

Роджер Пенроуз, как и Торн, полагает, что Хокинг сдался раньше времени. Пенроуз полагает, что при исчезновении черной дыры в результате излучения информация и энтропия утрачиваются. По мнению Пенроуза, это имеет отношение к вопросу о причинах столь низкой энтропии Вселенной в начале ее развития. Существовал ли изначальный порядок, благодаря которому вообще возникло второе начало термодинамики? Откуда взялся этот порядок? Если черные дыры действительно уничтожают энтропию, они могут содержать механизм, позволяющий вернуть Вселенную в низкоэнтропийное состояние.

Пенроуз также считал, что Большой взрыв является границей, за которой физика невозможна. По мере приближения к сингулярности Большого взрыва законы физики перестают работать. Если мы согласимся с определением Большого взрыва как точки бесконечной плотности, то вопрос о том, что было до Большого взрыва, во многих отношениях не будет иметь смысла: по ту сторону такой сингулярности физические законы могут быть какими угодно. Измерение чего бы то ни было, находящегося за этой сингулярностью, также невозможно, так что мы с тем же успехом можем считать, что за ней ничего нет. Или не можем? Пенроуз, например, передумал.

Существуют разные истории о том, что могло происходить до Большого взрыва, и одну из самых удивительных таких историй рассказывает Пенроуз. Он предполагает, что наш Большой взрыв был всего лишь одним в бесконечном цикле больших взрывов. Такая идея высказывалась и раньше: когда предполагали, что Вселенная окончится «Большим сжатием», казалось логичным считать, что такое сжатие станет «Большим взрывом новой эры».

Но, как мы выяснили на четвертом «рубеже», Вселенная не сжимается, а расширяется со все увеличивающейся скоростью, стремясь к холодному состоянию, в котором не будет ни жизни, ни галактик, ни даже вещества – только световые фотоны. Пенроуз называет это состояние «очень скучной эрой». Поскольку считается, что даже черные дыры, которые поглотят большинство видимых сейчас галактик, испускают излучение, то и они тоже закончатся, исчезнут с прощальным хлопком и оставят после себя Вселенную, полную фотонов и гравитонов, гипотетических безмассовых частиц, которые считают переносчиками гравитационного взаимодействия.