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

Сегодня я уже не так люблю Аспен. Ковбоев сменила элитная публика, и, на мой взгляд, лучше от этого не стала За прошедшие годы я несколько раз возвращался сюда ради физики, а не рыбалки. Однажды, около 1990 года, проезжая через город по пути в Боулдер, я остановился, чтобы прочитать лекцию.

К тому времени чёрные дыры и загадка о пропавшей информации вновь стали появляться на экранах радаров. Общее мнение склонялось в пользу того, что прав Хокинг, но некоторые (помимо меня и 'т Хоофта) ставили это под вопрос Среди них был неподражаемый Сидни Коулмен.

Сидни был колоритным персонажем и героем целого поколения физиков. С усами, впалыми глазами и длинными нечёсаными волосами, он всегда напоминал мне Эйнштейна. У него был невероятно быстрый ум, а способность сразу ухватывать суть дела, особенно при обсуждении сложных и тонких вопросов, стала легендой. Сидни был добрым человеком, но он терпеть не мог дураков. Не один известный докладчик в Гарварде (где Сидни был заслуженным профессором) уходил, поджав хвост, после безжалостного допроса, устроенного Коулменом. В тот день в Аспене его присутствие означало, что докладчик должен держаться высочайших стандартов.

По чистой случайности в аудитории было ещё одно знакомое лицо. Как только я вышел на семинарскую площадку во дворе и направился к доске, передо мной выкатилось знакомое высокотехнологичное кресло на колёсах, и Стивен Хокинг занял место в первом ряду. Как все знали, моей целью было подорвать аргументы Стивена относительно утраты информации. Моя стратегия состояла в том, чтобы сначала обозначить природу проблемы, повторив умозаключения Стивена. На это планировалось потратить около половины выделенного мне часа. Затем я собирался объяснить, почему эти рассуждения не могут быть правильными. Но я также хотел кое-что добавить к рассуждениям Стивена, чтобы сделать его аргументы ещё более убедительными. Ведь чем сильнее его позиция, тем вероятнее, что понадобится смена парадигмы, если в итоге доказать, что он ошибается.

В рассуждениях Стивена я хотел заполнить важный пробел, о котором, по-видимому, никто не задумывался. Вот в чём была идея. Представьте, что область над самым горизонтом заполнена множеством крошечных невидимых ксерокопировальных машин. Когда любая информация, письменный документ например, падает к горизонту, эти машины дублируют её, порождая две совершенно идентичные копии. Одна из них продолжает без помех двигаться сквозь горизонт во внутренние области чёрной дыры и, в конце концов, уничтожается в сингулярности. Но судьба второй копии значительно сложнее. Для начала она тщательно перемешивается и перетасовывается вплоть до полной нераспознаваемости (без знания схемы перемешивания). А затем она испускается вовне в виде Кокинговского излучения.

Фотокопирование информации перед самым пересечением горизонта, казалось бы, решает проблему. Рассмотрим сначала наблюдателей, парящих в стороне от чёрной дыры. Они увидят, как хокинговское излучение возвращает каждый бит информации. И они придут к выводу, что нет надобности менять правила квантовой механики. Грубо говоря, они посчитают, что хокинговские идеи относительно разрушения информации ошибочны.

А что можно сказать о свободно падающем наблюдателе? Сразу после пересечения горизонта он оглянется по сторонам и увидит, что ничего не случилось. Все его биты при нём, составляют ту же личность и продолжают падать в окружении тех же предметов, что и раньше. Горизонт, с этой точки зрения, — это не более чем безобидная точка невозврата, так что эйнштейновский принцип эквивалентности полностью соблюдается.

Может ли быть так, что горизонт чёрной дыры покрыт идеально надёжными миниатюрными (возможно, планковских размеров) копировальными устройствами? Это кажется соблазнительной идеей. Если она верна, то может легко и логично объяснить парадокс Стивена: никакая информация в чёрной дыре не теряется, и будущие физики могут продолжать использовать принципы квантовой механики. Квантовые ксероксы на горизонте каждой чёрной дыры могли бы неожиданно положить конец Битве при чёрной дыре.

Сидни был впечатлён. Он повернулся на своём стуле лицом к аудитории и, в своей характерной манере, объяснил сказанное гораздо более ясно, чем излагал я сам. Стивен, однако, ничего не сказал. Скрючившись, он сидел на своём кресле с широкой улыбкой на лице. Было очевидно, что я знаю нечто, неизвестное Сидни. На самом деле и я и Стивен понимали, что моё объяснение было соломенным чучелом, которое создавалось лишь для того, чтобы его сжечь.

Мы со Стивеном знали, что идеальные устройства копирования квантовой информации противоречат принципам квантовой механики. В мире, управляемом математическими правилами, сформулированными Гейзенбергом и Дираком, идеальная копировальная машина невозможна. Я назвал это утверждение принципом квантовой нексерокопируемости. В новой области физики, называемой квантовой теорией информации, эта же идея называется принципом неклонируемости.

Я торжествующе посмотрел на Коулмена и сказал: «Сидни, квантовый ксерокс невозможен», ожидая, что он немедленно меня поймёт. Но в этот раз его огненно-быстрый мозг протормозил, и мне пришлось подробно всё растолковывать. Объяснение, которое я дал Сидни и другим участникам семинара, заставило заполнить формулами всю доску и отняло почти всё оставшееся время семинара. Вот его упрощённая версия.

Представьте себе машину с одним входом и двумя выходами. Во входной порт можно поместить любую систему в любом квантовом состоянии. Например, в копир можно загрузить электрон. Машина выполняет ввод и выдаёт два идентичных электрона. Причём объекты на выходах идентичны не только между собой, но и с тем, что первоначально был на входе.

На входе один электрон с определённой волновой функцией. На выходе два идентичных электрона

Квантовый ксерокс

Если бы такую машину можно было построить, она позволила бы обойти нерушимый принцип неопределённости Гейзенберга. Допустим, мы хотим узнать одновременно положение и скорость электрона. Всё, что нам понадобится, — это скопировать его, а затем измерить положение одного клона и скорость другого. Но, конечно, такое невозможно в силу принципов квантовой механики.

К концу часа я успешно защитил парадокс Стивена и объяснил принцип нексерокопируемости, но у меня не осталось времени, чтобы изложить собственную точку зрения. И перед самым завершением семинара бестелесный механический голос Стивена провозгласил: «Так что теперь вы со мной согласны!» Его глаза озорно блестели.

Было очевидно, что я потерпел поражение. Я был повержен моим собственным дружественным огнём, недостатком времени и особенно быстрым остроумием Стивена. Покидая тем вечером Аспен, я задержался на Диффикалт-Крик и достал было свою нахлыстовую удочку. Однако моя любимая заводь оказалась полна шумных детей, плавающих на резиновой камере.

Часть III

Контратака

15

Сражение в Санта-Барбаре

К концу одного из пятничных рабочих дней в 1993 году все остальные сотрудники уже разошлись по домам. Только мы с Джоном и Ларусом ещё сидели в моём стэндфордском офисе, трепались и пили сваренный Ларусом кофе. Исландцы варят самый крепкий кофе в мире. По словам Ларуса, это как-то связано с их традицией засиживаться за выпивкой до глубокой ночи.

Ларус Торласиус, высокий исландский викинг (он говорит, что происходит не от норвежских воинов, а от ирландских рабов), был стэнфордским постдоком, только что защитившим диссертацию в Принстоне. Джон Углум, техасец и республиканец (но не религиозного толка, а либертарианец в духе Айн Рэнд[94]) был моим аспирантом. Несмотря на политические и культурные различия — сам я либеральный еврей из Южного Бронкса, — мы были приятелями с множеством чисто мужских развлечений: пить кофе (а иногда и что покрепче), спорить о политике, разговаривать о чёрных дырах. (Немного позже Аманда Пит, студентка из Новой Зеландии, расширит наше маленькое братство до трёх братьев и сестры.)