Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Физика занимается предсказанием будущего. Не того будущего, которое связано с развитием человеческого общества или падением и ростом акций на бирже, – эти вещи практически непредсказуемы и пусть ими занимаются другие дисциплины. Мы, физики, работаем с материей и энергией в их простейших формах. Частицы. Свет. Разные вещества. Жидкости. Мы создаем теории этих объектов и выводим законы, которым они следуют. Это делается для того, чтобы понять, как различные системы, состоящие из материи и энергии, взаимодействуют друг с другом и развиваются с течением времени.

Итак, если главная задача физики – предсказание, неудивительно, что основное требование, предъявляемое к физическим теориям, – способность рассчитать последующее состояние системы, если известно ее текущее состояние. Здесь и вступает в игру информация – под «состоянием» системы физики понимают совокупность данных об объекте, а данные и есть информация.

Мы видели, что в квантовой теории основная информация о системе закодирована в ее волновой функции. Эта волновая функция изменяется с течением времени, отражая эволюцию состояния системы, и, если мы знаем волновую функцию в некоторый момент времени, по правилам теории можно рассчитать, какой будет волновая функция в любой другой момент времени. Таким образом, если мы знаем волновую функцию атома в настоящий момент времени и хотим узнать вероятность того, что через минуту он будет обладать теми или иными свойствами, мы можем воспользоваться волновой функцией.

Не менее важно то, что мы можем проделать вычисления «наоборот» – с помощью волновой функции, известной в некоторый момент времени, восстановить, какой она была в более раннее время. И о прошлом, и о будущем можно извлечь информацию из волновой функции. Физики называют эту особенность унитарной эволюцией или просто унитарностью. Свойство унитарности – один из наиболее фундаментальных принципов математики и физики квантовой теории.

Речной песок, перемешанный с водой, не делает воду соленой. В отличие от песка, морская соль, смытая океанской волной во время прибоя, растворится в воде. Различные вещества в природе могут претерпевать разные преобразования, но каждое вещество, каждая молекула, частица и каждый атом имеют свои особенности и характеристики, по-разному реагируя, когда их погружают в воду, пытаются сжечь или подвергают удару. В принципе, даже от двух горящих книг дым будет отличаться, отражая особенности печатной продукции. Это следствие унитарности, которое означает, что, анализируя результат процесса, мы можем (в принципе) узнать начальное состояние системы: если вода в стакане соленая, мы понимаем, что не песок, а соль подмешана в воду.

Именно эта особенность отличает черные дыры от любого другого объекта во Вселенной. Если подбросить в черную дыру крупинки соли и песка, они немного увеличат ее массу, но этим дело и ограничится: никакого другого изменения с черной дырой не произойдет. Таким образом, характеристики, которые отличали одно вещество от другого, более не существуют. И, поскольку эффект от «вброса» в черную дыру этих двух веществ будет одинаков, снаружи нельзя будет в дальнейшем определить, что же именно упало в черную дыру. Начинаются проблемы с унитарностью: получается, что, если черная дыра поглотила материю, мы не можем больше использовать информацию о текущем состоянии системы, чтобы восстановить ее прошлое. Прошлое скрыто от нас. Оно просто стерто.

Но поглощает ли на самом деле черная дыра материю? Рассмотрим мысленный эксперимент. Допустим, Кип и Стивен находятся в космических кораблях, каждый в своем. Они исследуют пространство, находясь на некотором удалении от черной дыры. Кип решает посмотреть, на что похожа черная дыра изнутри, и «ныряет» на своем корабле под горизонт событий, попутно отмечая все, чему он при этом становится свидетелем. С грустью приходится констатировать, что он, оказавшись под горизонтом событий черной дыры, ни с кем не сможет поделиться своими открытиями, потому что и он сам, и его послания навсегда останутся под этим горизонтом. Именно такой сценарий часто описывают в научно-популярной литературе, когда рассказывают о физике черных дыр. Но рассматривать события с точки зрения Кипа здесь не совсем уместно. Чтобы понять суть проблемы потери информации, следует рассматривать события с точки зрения Стивена, который остался снаружи и наблюдает за Кипом.

С точки зрения Стивена, Кип никогда не упадет в черную дыру. Действительно, наблюдатель, который сохраняет определенную дистанцию на подлете к черной дыре, никогда не увидит окончательное падение в нее никакого объекта. Это происходит потому, что в восприятии этого наблюдателя само время поблизости от черной дыры начинает замедляться. Если бы удаленный наблюдатель мог услышать тиканье часов на космическом корабле, приближающемся к черной дыре, он убедился бы, что часы эти тикают все реже и реже. И точно так же объекты, приближающиеся к черной дыре, будут двигаться все медленнее и, наконец, замедлятся настолько, что наблюдателям со стороны будет казаться, что они вообще остановились [19] Общая теория относительности гласит, что колебания световых волн, испускаемых объектами, находящимися рядом с черной дырой, из-за замедления времени будут все более медленными. Частота колебаний, в конце концов, уменьшится настолько, что объекты, испускающие этот свет, нельзя будет обнаружить с помощью современных технологий. Поэтому вопрос о том, упали эти объекты в черную дыру или все еще висят над горизонтом событий, становится практически неразрешимым и даже бессмысленным. . Итак, хотя отважный наблюдатель – в нашем случае это Кип Торн, падающий в черную дыру, – и фиксирует происходящие внутри события со своей точки зрения, сторонний наблюдатель – Стивен – увидит, что все объекты, включая Кипа, замедляются и затем останавливаются на границе с черной дырой. Стивену будет казаться, что Кип застрял на ее поверхности.

Два наблюдателя и две версии событий, противоречащих друг другу. Это странно. Но с точки зрения физики здесь нет никакой проблемы, потому что наблюдатель, падающий внутрь, и наблюдатель, остающийся снаружи, не контактируют друг с другом. С таким же успехом они могли бы существовать в двух различных, параллельных вселенных.

Что касается принципа унитарности, здесь важно то, что для нас, удаленных наблюдателей, объекты никогда не завершат свой процесс падения в черную дыру. Они никогда не будут «проглочены», и поэтому информация, которую они несут, не теряется. Принципу унитарности ничто не угрожает.

И вот здесь появляется излучение Хокинга. Согласно расчетам Стивена, черная дыра будет излучать энергию. Излучение, характерное для любого нагретого тела, но оно не будет содержать никакой информации. Более того, Стивен предсказал, что по мере сжатия черной дыры процесс этот будет ускоряться и, в конце концов, произойдет мощный взрыв, в котором черная дыра исчезнет, не оставив следа. В этот момент теряется вся информация, и принцип унитарности нарушается. Математические уравнения квантовой теории говорят, что этого не может произойти, а теория Стивена им противоречит. Это и есть информационный парадокс черной дыры. По теории черных дыр, предложенной Стивеном, должен наступить такой момент, когда нарушается квантовомеханический принцип, позволяющий проследить за эволюцией системы.