Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Описание системы, в конечном счете, есть не что иное как способ суммировать все ее прошлые взаимодействия и на их основе предсказывать результаты будущих взаимодействий. Вся формальная структура квантовой механики может быть в основном выражена двумя простыми постулатами [123].

1. Релевантная информация в любой физической системе конечна.

2. Вы всегда можете получить новую информацию о физической системе.

Здесь под релевантной информацией понимается информация, которую мы получили о данной системе в ходе наших прошлых взаимодействий с ней; это информация, позволяющая нам предсказывать, что мы получим в результате будущих взаимодействий с этой системой. Первый постулат описывает зернистость квантовой механики, то есть тот факт, что существует лишь конечное число возможностей. Второй описывает неопределенность – то, что всегда существует некоторая непредсказуемость, позволяющая нам получать новую информацию. С приобретением новой информации о системе полная релевантная информация не может расти бесконечно (в силу первого постулата), и часть прежней информации становится нерелевантной , то есть она больше не влияет на предсказания будущего. В квантовой механике при взаимодействии с системой мы не только что-то узнаем, но также «аннулируем» часть релевантной информации о системе [124].

В целом формальная структура квантовой механики по большей части следует этим двум простым постулатам. Тем самым теория неожиданным образом сама создает благоприятную почву для ее интерпретации в терминах информации.

Фундаментальное значение понятия информации для объяснения квантовой реальности первым осознал Джон Уилер, отец квантовой гравитации. Уилер использовал для выражения этой идеи фразу «всё из бита», означающую, что всё сущее есть информация.

Информация вновь появляется в контексте квантовой гравитации. Вспомните, площадь любой поверхности определяется спиновыми петлями, которые ее пересекают. Эти спины являются дискретными величинами, и каждый из них вносит свой вклад в площадь.

Поверхность фиксированной площади может быть образована из этих элементарных квантов площади множеством различных способов, скажем, N способами. Если вы знаете площадь поверхности, но не знаете, как в точности распределены составляющие ее кванты площади, то имеет место нехватка информации о поверхности. Это один из способов вычисления теплоты черной дыры. Для квантов площади черной дыры, заключенных в поверхности определенной площади, есть N различных способов, которыми они могут быть скомбинированы. Это аналогично тому, как у молекул в чашке чая есть N различных способов движения. Таким образом, мы можем связать с черной дырой определенное количество недостающей информации, то есть энтропию.

Количество информации, связанной таким образом с черной дырой, напрямую зависит от площади A : чем больше дыра, тем больше количество недостающей информации.

Информация, попадающая в черную дыру, больше не возвращается вовне. Но, входя в черную дыру, информация несет с собой энергию, за счет которой черная дыра становится больше и увеличивает свою площадь. При взгляде со стороны информация, теряющаяся в черной дыре, проявляется как энтропия, связанная с площадью дыры. Первым, кто заподозрил нечто подобное, был израильский физик Яаков Бекенштейн.

Однако ситуация еще очень далека от ясности, поскольку, как мы видели в предыдущей главе, черные дыры испускают тепловое излучение и очень медленно испаряются, становясь все меньше и меньше, пока, по всей вероятности, не исчезают, растворяясь в океане микроскопических черных дыр, составляющих пространство в планковском масштабе. Что происходит с информацией, упавшей в черную дыру, когда дыра сжимается и исчезает? Физики-теоретики спорят по этому вопросу, и ни у кого нет пока окончательного ясного ответа.

Всё это, как я думаю, указывает на то, что для понимания фундаментальной грамматики мира необходимо объединить три базовых ингредиента, а не два: не только общую теорию относительности и квантовую механику, но и теорию теплоты, то есть статистическую механику и термодинамику, которые можно также охарактеризовать как теорию информации. Однако термодинамика в общей теории относительности, то есть статистическая механика квантов пространства, находится пока в зачаточном состоянии. Всё запутано, и очень многое еще только предстоит понять.

Всё сказанное подводит нас к последней идее, о которой я расскажу в этой книге, – тепловому времени.

Проблема, из которой проистекает идея теплового времени, проста. В главе 7 я показал, что для описания физики нет необходимости использовать понятие времени. Лучше вообще забыть о нем. На фундаментальном физическом уровне время не играет никакой роли. Как только мы понимаем это, уравнения квантовой гравитации упрощаются.

Есть множество повседневных понятий, которые не играют никакой роли в фундаментальных уравнениях Вселенной – например, понятия «верх» и «низ», «горячее» и «холодное» – поэтому не так уж странно, что широко употребляемые понятия исчезают в фундаментальной физике. Однако стоит только принять эту идею, как сразу возникает новая проблема. Как восстановить понятия нашего повседневного опыта? Как они возникают в нашем конкретном контексте?

Например, понятия «верх» и «низ» не входят в ньютоновские уравнения, но мы знаем, что они означают в схеме без абсолютного верха и низа. «Верх» и «низ» имеют смысл вблизи большой массы, такой как планета. «Низ» – это направление, в котором действует гравитационное притяжение близко расположенной большой массы; «верх» соответствует противоположному направлению. То же самое с «горячим» и «холодным»: на микроскопическом уровне не существует горячего или холодного, но когда мы объединяем большое число микроскопических составляющих и описываем их в терминах средних величин, появляется понятие тепла – горячим является тело с повышенной средней скоростью движения отдельных составляющих. Мы способны придать смысл понятиям «верх» и «горячее» в некоторых ситуациях – в присутствии по соседству большой массы, при работе со средними величинами для большого числа молекул и т. п.

Нечто подобное должно быть применимо и ко «времени». Если понятие времени не играет никакой роли на элементарном уровне, оно, конечно же, имеет большое значение в нашей жизни, так же как «вверх» и «горячее». Но что означает «течение времени», если время не участвует в фундаментальном описании мира?

Ответ прост. Происхождение времени может быть похоже на происхождение тепла: оно возникает при усреднении большого числа микроскопических переменных. Остановимся на этом подробнее.