Знание-сила, 1999 № 07-08

Оказывается, в квантовой теории черные дыры излучают и теряют массу. Вполне возможно, что они в конце концов исчезнут и возьмут с собой всю информацию. У меня есть некоторые соображения, что эта информация действительно безвозвратно теряется и вернуть ее невозможно. Эта потеря информации вносит новый уровень неопределенности, кроме традиционных неопределенностей квантовой физики. К сожалению, эту неопределенность невероятно трудно будет доказать экспериментально, в отличие от принципа неопределенности Гейзенберга.

Величайшие теории двадцатого века – квантовая теория, специальная теория относительности, общая теория относительности и квантовая теория поля. Они взаимозависимы: общая теория относительности базируется на специальной теории относительности.

Справедливость квантовой теории поля проверена с точностью до одного на десять в одиннадцатой степени. Общая теория относительности проверена с точностью еше в тысячу раз большей и ограничивает ее сегодня лишь точность земных часов. Это делается с помощью бинарных пульсаров – пары нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга. Общая теория относительности предсказывает, что период их обращения должен уменьшаться из-за потери энергии через излучение гравитационных волн. Именно это и наблюдается в полном согласии с предсказаниями теории, и блестящая экспериментальная работа справедливо увенчана Нобелевской премией.

Несмотря на торжество всех четырех теорий, у них есть свои проблемы. Обшая теория относительности предсказывает существование сингулярностей в пространстве-времени. В квантовой теории есть проблема измерения – мы поговорим о ней позднее. Может быть, корень этих проблем кроется в незавершенности теорий? К примеру, ожидается, что квантовая теория поля может «сгладить» сингулярности общей теории относительности…

Теперь поговорим об информации, теряемой в черных дырах. Я согласен почти со всем, что сказал Стивен. Лишь в одном мы расходимся: он считает, что информация эта безвозвратно утрачивается и это есть новая неопределенность в квантовой теории, а я считаю эту неопределенность дополнительной. И проблема не только в этой неопределенности.

Если мы поместим нашу черную дыру в пустой ящик, совершая тем самым мысленный эксперимент, мы можем рассматривать пространственно- временную эволюцию материи в ящике. Траектории всех части и в фазовом пространстве будут сходиться, и фазовый объем, занятый этими траекториями, будет сжиматься. Это вызвано потерей информации в сингулярности черной дыры. Подобное сжатие находится в прямом противоречии с теоремой Лиувилля из классической механики, которая гласит, что объем фазового пространства не меняется. Таким образом, черные дыры нарушают эту теорему. Однако в моей картине эта потеря фазового пространства компенсируется «случайностью» квантового измерения, в котором информация приобретается и объем фазового пространства увеличивается. Вот почему я называю неопределенность из-за потери информации дополнительной к неопределенности квантовой теории: одна является оборотной стороной монеты для другой…

Давайте припомним мысленный эксперимент квантовой теории с котом Шредингера. Он описывает кота в коробке, где излучается один-единственный фотон. Этот фотон летит и попадает на полупрозрачное зеркало, которое может либо пропустить его, либо отразить. За зеркалом стоит детектор фотонов, который немедленно включает ружье и стреляет в кота, как только в него попадает фотон. Если же зеркало отражает фотон, то кот остается жить (я извиняюсь перед Стивеном, поскольку знаю, что он не приемлет жестокого обращения с животными даже в мысленных экспериментах). Волновая функция системы – суперпозиция двух возможностей, но для кота-то есть одна-единственная возможность – либо он жив, либо мертв. Именно это противоречие между волновой функцией – суперпозицией двух вероятностей – и одним реальным состоянием и называл Шредингер парадоксом кота.

Я считаю, что и в случае черных дыр есть нечто непонятное в суперпозиции различных геометрий пространства-времени, которые порождает общая теория относительности. Может, просто их сосуществование невозможно и обязателен выбор одной возможности – либо мертвый, либо живой кот? Я называю этот переход в одну из двух возможностей объективной редакцией.

Я хочу закончить эту лекцию разговором на тему, по которой мы с Роджером сильно расходимся, о стреле времени. Есть совершенно явное различие между прошлым и будущим. Чтобы убедиться в этом, надо посмотреть кинофильм, пушенный задом наперед: разбитая чашка собирается из осколков и запрыгивает на стол. Если бы реальная жизнь была столь увлекательна…

Все физические законы симметричны относительно смены знака времени, или, говоря более точно, они СРТ-симметричны (charge-parity- time – это симметрия относительно смены знаков заряда-координат-времени). И пресловутая асимметрия относительно стрелы времени может возникать из-за граничных условий нашей Вселенной, проще говоря, ее рождения и гибели. Давайте предположим, что Вселенная рождается, расширяется до максимального размера, а потом опять сжимается в точку. Роджер полагает, что начало и конец существенно отличаются друг от друга. То, что мы считаем началом, выглядит по нашим теориям очень однородным и изотропным. А когда космос коллапсирует, он будет неоднородным и нерегулярным. Поскольку есть масса различных хаотических состояний и лишь одно упорядоченное, это значит, что начальные условия были выбраны с потрясающей точностью.

Таким образом, достаточно естественным выглядит предположение, что граничные условия в начале и конце Вселенной различны. Роджер полагает, что кривизна Вейля – та часть кривизны пространства-времени, которая не определяется присутствием материи, пренебрежимо мала вначале и отлична от нуля в конце.

Первое, что мне не нравится в этом предположении, несимметричность относительно СРТ. На мой взгляд, надо любой ценой стремиться сохранить этот краеугольный камень современной теоретической физики, самую главную симметрию. Кроме того, если кривизна Вейля в первые моменты строго равна нулю, то мир абсолютно однороден и изотропен и останется таковым на века. Непонятно, откуда тогда возьмутся звезды, галактики и флуктуации реликтового микроволнового излучения. Однако мне хочется подчеркнуть, что Роджер поднял невероятно важный вопрос – о неодинаковости двух концов времени. Я лишь считаю, что различие кривизны Вейля в начале и конце не должно накладываться нами как некое произвольное граничное условие, а обязано выводиться из некоего более фундаментального принципа.