Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики - Леонард Сасскинд

Мир воспринимает тщедушного Стивена как могучего героя, человека необычайной смелости и силы духа. Те же, кто его знает, видят другие стороны: Стивена Играющего и Стивена Самоуверенного. Однажды вечером, во время ЭСТ-конференции, несколько участников отправились прогуляться по знаменитым сжигающим тормоза холмам Сан-Франциско. Стивен был с нами на своем моторизованном кресле. Когда мы добрались до самого крутого участка, он включил свою дьявольскую улыбку. Ни секунды не колеблясь, он рванулся вниз на предельной скорости, перепугав всех остальных. Мы бросились за ним, опасаясь самого худшего. В самом низу мы обнаружили его сидящим и улыбающимся. Он поинтересовался, нет ли здесь холма покруче. Стивен Хокинг: Ивел Книвел[14] от физики.

Хокинг и в самом деле настоящий физик-трюкач. Но, пожалуй, самым смелым его ходом была бомба, которую он бросил в мансарде Вернера.

Я не припомню, как была организована его лекция на ЭСТ. Сегодня на своих физических семинарах Стивен молча сидит в кресле, пока бестелесный компьютерный голос воспроизводит заранее сделанную запись. Этот компьютерный голос стал фирменным знаком Стивена; при всей своей монотонности он индивидуален и полон юмора. Но тогда, он, возможно, говорил сам, а Мартин переводил. Как бы то ни было, бомба всей своей мощью обрушилась на нас с Герардом.

Стивен заявил, что «информация теряется при испарении черной дыры», и, хуже того, он, похоже, это доказал. Если это правда, поняли мы с Герардом, то разрушены самые основания нашей научной области. Как восприняли эту новость остальные в вернеровской мансарде? Как Койот из мультфильма про Дорожного Бегуна[15], проскочивший с разбегу край утеса: земля под ногами уже исчезла, но они этого еще не поняли.

О космологах поговаривают, что они часто ошибаются, но никогда не сомневаются. Если так, то Стивен лишь наполовину космолог: он никогда не сомневается, однако практически никогда не ошибается. И все же в данном случае он ошибся. Но его «ошибка» оказалась одной из самых продуктивных в истории физики и могла бы привести к коренной смене парадигмы в представлениях о природе пространства, времени и материи.

Лекция Стивена была в тот день последней. Еще около часа после нее Герард стоял, озабоченно разглядывая диаграмму на вернеровской доске. Все остальные разошлись. Я продолжал наблюдать за мрачным выражением на лице Герарда и довольной улыбкой Стивена. Почти ничего не было сказано. Это был момент высочайшего напряжения.

На доске была диаграмма Пенроуза, представляющая черную дыру. Горизонт — граница черной дыры — был изображен пунктирной линией, а сингулярность в ее центре — грозной зазубренной. Линии, ведущие внутрь сквозь горизонт, представляли биты информации, падающие под горизонт в сингулярность. Линий, ведущих назад, не было. Согласно Стивену, эти биты были необратимо потеряны. И что еще хуже, Стивен доказал, что черные дыры в конце концов испаряются и исчезают, не оставляя никаких следов того, что в них упало.

Теория Стивена шла еще дальше. Он утверждал, что вакуум — пустое пространство — заполняют бесчисленные «виртуальные» черные дыры, которые возникают и прекращают существование столь быстро, что мы этого не замечаем. Под влиянием этих виртуальных черных дыр, утверждал он, информация стирается, даже если в окрестностях нет ни одной «реальной» черной дыры.

В главе 7 вы узнаете, что в точности означает понятие «информация» и что означает ее потерять. А пока просто поверьте мне: это была полная катастрофа. Мы с 'т Хоофтом это знали, но все остальные, кто услышал об этом в тот день, реагировали вяло: «Ну да, в черных дырах пропадает информация». Сам Стивен был воодушевлен. Для меня самым трудным при работе со Стивеном было постоянное раздражение, которое я чувствовал из-за его самодовольства. Потеря информации — это нечто такое, что просто не могло быть правдой, но Стивен отказывался это видеть.

Конференция завершилась, и мы отправились по домам. Стивену и Герарду предстояла дорога в Кембриджский и Утрихтский университеты соответственно; а мне — лишь 40-минутная поездка на юг по 101-му шоссе до Пало-Альто и Стэнфордского университета. Мне было трудно сконцентрироваться на дороге. В этот холодный январский день каждый раз, останавливаясь или тормозя, я начинал рисовать диаграмму с вернеровской доски на заиндевевшем лобовом стекле.

Вернувшись в Стэнфорд, я рассказал об утверждении Стивена своему другу Тому Бэнксу. И мы с ним тщательно все обдумали. Чтобы получше во всем разобраться, я даже пригласил одного бывшего ученика Стивена приехать в Южную Калифорнию. Мы с большим недоверием относились к утверждению Стивена, но какое-то время сами не могли понять почему. Что такого плохого в потере какого-то количества информации внутри черной дыры? Потом до нас дошло. Потеря информации — это то же самое, что порождение энтропии. А порождение энтропии означает генерацию тепла. Виртуальные черные дыры, существование которых столь вольно допустил Стивен, вели бы к выработке тепла в пустом пространстве. Совместно с еще одним коллегой, Майклом Пескином, мы сделали оценку, основанную на теории Стивена. Оказалось, что если он прав, то пустое пространство за малую долю секунды должно разогреться до тысячи миллиардов миллиардов миллиардов градусов. Хотя я знал, что Стивен ошибается, я не мог обнаружить брешь в его рассуждениях. Возможно, именно это и раздражало меня больше всего.

Последовавшая затем Битва при черной дыре являла собой нечто большее, нежели полемика между физиками. Это была также битва идей или, возможно, битва между фундаментальными принципами. Принципы квантовой механики и общей теории относительности всегда были на ножах друг с другом, и никто не знал, способны ли они сосуществовать. Хокинг — релятивист, верящий прежде всего в эйнштейновский принцип эквивалентности. Мы с ’т Хоофтом — квантовые физики, уверенные, что законы квантовой механики не могут нарушаться без подрыва самих основ физики. В следующих трех главах я опишу диспозицию сторон перед Битвой при черной дыре, изложив основы физики черных дыр, общей теории относительности и квантовой механики.

2

Темная звезда

Горацио, — на небе и земле

Есть многое, что и не снилось даже Науке.

Первый намек на что-то подобное черной дыре появился в конце XVIII века, когда великий французский физик Пьер-Симон де Лаплас и английский клирик Джон Митчел высказали одну и ту же замечательную мысль. Все физики тех дней серьезно интересовались астрономией. Все, что было известно о небесных телах, выяснялось благодаря свету, который они испускали или, как в случае с Луной и планетами, отражали. Хотя ко времени Митчела и Лапласа со смерти Исаака Ньютона прошло уже полвека, он все равно оставался самой влиятельной фигурой в физике. Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц — корпускул, как он их называл, — а раз так, то почему бы свету не испытывать действие гравитации? Лаплас и Митчел задумались, может ли существовать звезда, столь массивная и плотная, что свет не сможет преодолеть ее гравитационное притяжение. Должны ли такие звезды, если они существуют, быть абсолютно темными и потому невидимыми?

Может ли снаряд[17] — камень, пуля или хотя бы элементарная частица — вырваться из гравитационного притяжения Земли? С одной стороны — да, с другой — нет. Гравитационное поле массы нигде не заканчивается; оно тянется бесконечно, становясь все слабее и слабее по мере увеличения расстояния. Так что брошенный вверх снаряд никогда полностью не избавится от земного притяжения. Но если снаряд брошен вверх с достаточно большой скоростью, он будет удаляться вечно, поскольку убывающая гравитация слишком слаба, чтобы развернуть его и притянуть назад к поверхности. В этом смысле снаряд может вырваться из земного тяготения.

Даже самый сильный человек не имеет шансов выбросить камень в открытый космос. Высота броска профессионального бейсбольного питчера может достигать 70 метров, это около четверти высоты Эмпайр-стейт-билдинг. Вели пренебречь сопротивлением воздуха, пуля, выпущенная из пистолета, могла бы достичь высоты 5 километров. Но существует особая скорость — называемая скоростью убегания[18], — которой едва хватает, чтобы вывести объект на вечно удаляющуюся траекторию. Начав движение с любой меньшей скоростью, снаряд упадет обратно на Землю. Стартовав с большей скоростью, он уйдет на бесконечность. Скорость убегания для поверхности Земли составляет 40 000 км/ч (11,2 км/с)[19].

Давайте временно станем называть звездой любое массивное небесное тело, будь то планета, астероид или настоящая звезда. Земля — это просто маленькая звезда, Луна — еще меньшая звезда и т. д.