Текст книги "Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 24 (всего у книги 38 страниц)

Второй закон и чёрные дыры

Вернёмся теперь к взглядам Уилера на чёрные дыры. В начале 1970-х годов Уилер заметил, что когда чёрные дыры выплывают на сцену, Второй закон начинает сдавать свои позиции. По-видимому, наличие близлежащей чёрной дыры даёт готовый и надёжный способ уменьшить общую энтропию. Поместите в чёрную дыру любую изучаемую вами систему – битое стекло, потухшую свечку, расплывшиеся чернила. Так как ничего не может покинуть её пределы, беспорядок в системе окажется, по-видимому, навсегда исчезнувшим. Возможно, что такой подход несовершенен, но кажется, он легко понизит энтропию, окажись у вас под рукой чёрная дыра. Многие посчитали, что Второй закон столкнулся с достойным соперником.

Но студента Бекенштейна это не убедило. Возможно, предложил Бекенштейн, энтропия не пропадает в чёрной дыре, а просто каким-то образом в неё трансформируется. Кроме того, никто не утверждал, что поглощая пыль и звёзды, чёрные дыры приводят к нарушению Первого закона термодинамики, сохранению энергии. Наоборот, уравнения Эйнштейна показывают, что при поглощении вещества чёрная дыра становится больше и тяжелее. Энергия может перераспределиться, часть из неё упадёт в чёрную дыру, а часть останется снаружи, но общее количество сохранится. Может быть, предложил Бекенштейн, эта же идея применима и к энтропии. Часть энтропии остаётся снаружи чёрной дыры, а другая часть падает внутрь, но ничего не исчезает бесследно.

Это звучит разумно, но эксперты идею не одобрили. Найденное Шварцшильдом решение и последующие разработки говорят, по всей видимости, о том, что чёрные дыры – это последнее слово в стане порядка. Каким бы перемешанным и неупорядоченным не было падающее внутрь вещество и излучение, оно сжимается в бесконечно малый объём в центре чёрной дыры: чёрная дыра – это окончательный этап в упорядоченном сжатии мусора. По правде говоря, никто не знает, что происходит во время такого мощного сжатия, потому что экстремальная кривизна и плотность делают уравнения Эйнштейна непригодными; однако совсем не кажется, что в центре чёрной дыры может быть какой-то беспорядок. А за пределами своего центра чёрная дыра – просто пустая область пространства-времени, простирающаяся до границы невозврата – горизонта событий (рис. 9.1): Нет никаких снующих туда-сюда молекул и атомов, поэтому перегруппировываться нечему; кажется, что чёрная дыра вообще лишена энтропии.

Рис. 9.1. Чёрная дыра вмещает область пространства-времени, окружённую поверхностью невозврата – горизонтом событий

В 1970-х годах такая точка зрения была подкреплена так называемыми теоремами об отсутствии волос, которые на математическом языке утверждают, что чёрным дырам (подобно лысым фантомасам) недостаёт отличительных характеристик. Согласно этим теоремам любые две чёрные дыры, обладающие одинаковыми массами, зарядами и угловыми моментами (скоростью вращения), неразличимы. В отсутствие характерных отличительных черт – у фантомасов также нет чёлок, усов или дрэдов – чёрные дыры не имеют различий, в которых могла быть запасена энтропия.

Это был вполне убедительный аргумент сам по себе, но затем появилось ещё более убийственное рассуждение, которое, как казалось, полностью сводило на нет идею Бекенштейна. Согласно основным положениям термодинамики между температурой и энтропией есть тесная связь. Температура – это мера усреднённого движения составных частей данного объекта: компоненты разогретых объектов движутся быстро, компоненты холодных объектов движутся медленно. Энтропия является мерой возможных перегруппировок этих компонентов, которые с макроскопической точки зрения останутся незамеченными. Таким образом, как энтропия, так и температура зависят от совокупных свойств рассматриваемого объекта; они идут рука об руку. Если рассмотреть вопрос математически, то станет ясно, что если Бекенштейн прав и чёрные дыры обладают энтропией, то у них должна быть температура.^{81} Именно это и вызвало тревогу. Любой объект с ненулевой температурой должен излучать. Горячий уголь излучает видимый свет; люди, как правило, излучают в инфракрасном диапазоне. Если чёрная дыра обладает ненулевой температурой, то сами законы термодинамики, которые Бекенштейн хотел сохранить, говорят, что она тоже должна излучать. Но это вопиющим образом противоречит принятому пониманию, что ничего не может вырваться из гравитационной хватки чёрной дыры. Почти все решили, что Бекенштейн ошибается. У чёрных дыр нет температуры. У них нет энтропии. Чёрные дыры – это сточная воронка для энтропии. В присутствии чёрных дыр нарушается Второй закон термодинамики.

Несмотря на многочисленные аргументы против, в пользу Бекенштейна говорил один замечательный результат. В 1971 году Стивен Хокинг осознал, что чёрные дыры подчиняются занятному правилу. Если имеется набор чёрных дыр разных размеров и масс, и при этом некоторые размеренно вальсируют по орбитам, другие подкрепляются веществом и излучением, а остальные сталкиваются друг с другом, то полная площадь поверхности всех чёрных дыр со временем возрастает. Под «площадью поверхности» Хокинг подразумевал площадь горизонта событий каждой чёрной дыры. В физике есть много результатов насчёт того, что какие-то величины не изменяются во времени (закон сохранения энергии и импульса, сохранение заряда и так далее), но также имеется небольшое число соотношений, которые диктуют рост величин. Поэтому естественно рассмотреть возможную связь между результатом Хокинга и Вторым законом. Если считать, что каким-то образом площадь поверхности чёрной дыры является мерой её энтропии, то возрастание площади полной поверхности может рассматриваться как рост полной энтропии.

Это была очень привлекательная аналогия, но никто не счёл её убедительной. Почти все считали, что сходство теоремы Хокинга о площади со Вторым законом не более чем случайность. Это положение сохранялось до того момента, пока несколько лет спустя Хокинг не сделал одно из самых важных вычислений в современной теоретической физике.

Излучение Хокинга

Поскольку квантовая механика не играет никакой роли в общей теории относительности Эйнштейна, решение Шварцшильда для чёрных дыр основывается исключительно на классической физике. Однако надлежащее рассмотрение вещества и излучения – таких частиц, как фотоны, нейтрино и электроны, которые могут переносить массу, энергию и энтропию из одного места в другое – требует привлечения квантовой механики. Чтобы в полной мере оценить природу чёрных дыр и разобраться, как они взаимодействуют с веществом и излучением, необходимо продлить решение Шварцшильда в квантовую область. Это нелегко. Несмотря на достижения теории струн (а также других подходов, которых мы не коснулись, таких как петлевая квантовая гравитация, твисторы, теория топосов), мы по-прежнему находимся на начальном уровне в наших попытках совместить квантовую физику и теорию гравитации. А в далёких 1970-х было ещё меньше теоретических оснований для понимания того, как квантовая механика может влиять на гравитацию.

Однако были физики, которые работали в этом направлении и которым удалось добиться частичного объединения квантовой механики и общей теории относительности, рассмотрев распространение квантовых полей (квантовая часть) в фиксированной, но искривлённой пространственно-временной среде (гравитационная часть). Как было указано в главе 4, полное объединение должно, как минимум, содержать рассмотрение не только квантовых флуктуаций полей на пространстве-времени, но также квантовых флуктуаций самого пространства-времени. Простоты ради это усложнение не учитывалось в первых работах. Хокинг воспользовался частичным объединением и рассмотрел, как квантовые поля будут вести себя в очень особой области пространства-времени – в окрестности чёрной дыры. То, что он обнаружил, поразило физиков до глубины души.

Хорошо известное свойство квантовых полей в обычном, пустом, неискривлённом пространстве-времени состоит в том, что из-за квантовых флуктуаций парам частиц, например электрону и его античастице, позитрону, позволяется мгновенно возникнуть из ничего, немножко пожить, после чего столкнуться друг с другом, и в результате взаимно аннигилировать. Этот процесс, квантовое рождение пары, интенсивно изучался как теоретически, так и экспериментально, и был разобран со всех сторон.

Новой характеристикой квантового рождения пары является то, что если один партнёр имеет положительную энергию, то из закона сохранения энергии следует, что другой партнёр должен обладать тем же количеством отрицательной энергии – понятие, которое не имеет смысла в классической вселенной.[52]52
  В главе 3 мы обсуждали, что энергия гравитационного поля может быть отрицательной; однако, эта энергия является потенциальной. Энергия, которую мы обсуждаем сейчас, является кинетической, она обусловлена массой электрона и его движением. В классической физике она должна быть положительной.


[Закрыть] Однако, благодаря принципу неопределённости имеется своеобразная лазейка, позволяющая частицам иметь отрицательную энергию, при условии, что возникнув, они не сильно долго будут злоупотреблять гостеприимством. Если частица существует лишь мимолётно, то квантовая неопределённость говорит, что никакому эксперименту не хватит времени, даже в принципе, определить знак её энергии. Именно такова основная причина, почему пара частиц обречена квантовыми законами на быструю аннигиляцию. Поэтому при квантовых флуктуациях пары частиц беспрестанно рождаются и аннигилируют, рождаются и аннигилируют, на фоне неизбежной непрекращающейся игры квантовой неопределённости в пространстве, которое иначе оставалось бы пустым.

Хокинг заново рассмотрел вездесущие квантовые флуктуации, но не в пустом пространстве, а вблизи горизонта событий чёрной дыры. Он обнаружил, что часто всё выглядит как обычно. Пары частиц образуются случайным образом; быстро находят друг друга; после чего аннигилируют. Но время от времени происходит нечто новое. Если частицы образуются достаточно близко к краю чёрной дыры, то одну из них может затянуть внутрь, а другая улетит в пространство. В отсутствии чёрной дыры такого никогда не происходит, потому что, если частицы не аннигилируют друг с другом, то частица с отрицательной энергией сможет пробиться сквозь защитную рябь квантовой неопределённости. Хокинг осознал, что столь радикальное закручивание пространства и времени чёрной дырой может привести к тому, что частицы, обладающие отрицательной энергией с точки зрения наблюдателя снаружи чёрной дыры, окажутся частицами с положительной энергией для несчастного наблюдателя внутри неё. Таким образом, чёрная дыра предоставляет частицам с отрицательной энергией надёжное убежище, поэтому нужда в квантовой маскировке отпадает. Возникшие частицы могут избежать взаимной аннигиляции и заявить о своей независимой жизни.^{82}

Частицы с положительной энергией летят наружу от горизонта событий, поэтому издалека они выглядят как некое излучение, получившее название излучение Хокинга. Частицы с отрицательной энергией поглощаются чёрной дырой, поэтому их нельзя непосредственно наблюдать, однако их можно обнаружить косвенным способом. Подобно тому как масса чёрной дыры растёт при поглощении всего, что обладает положительной энергией, она также уменьшается при поглощении всего, что имеет отрицательную энергию. Эти два процесса в совокупности делают чёрную дыру похожей на кусок горящего угля: чёрная дыра беспрестанно излучает направленный наружу поток излучения по мере того как её масса уменьшается.[53]53
  Когда чёрная дыра сжимается, поверхность её горизонта событий тоже сжимается, что противоречит утверждению Хокинга об увеличении площади полной поверхности. Напомним, однако, что теорема Хокинга о площади основана на классической общей теории относительности. Здесь мы учитываем квантовые процессы и приходим к более точному заключению.


[Закрыть] То есть, если добавить квантовую механику, то чёрные дыры перестают быть абсолютно чёрными. Открытие Хокинга было как гром среди ясного неба.

Однако это вовсе не означает, что типичная чёрная дыра нагрета до красного свечения. По мере того как поток частицы летит от чёрной дыры, он должен преодолевать невероятное сопротивление со стороны её гравитационного притяжения. На это частицы тратят свою энергию и поэтому значительно остывают. Хокинг вычислил, что наблюдатель, находящийся достаточно далеко от чёрной дыры, обнаружит, что температура остаточного «утомлённого» излучения обратно пропорциональна массе чёрной дыры. Огромная чёрная дыра, подобная находящейся в центре нашей Галактики, имеет температуру менее триллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Чёрная дыра с массой Солнца будет иметь температуру меньше чем миллионная доля градуса, даже меньше, чем температура в 2,7 градуса реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Чтобы температура чёрной дыры была достаточно высока, чтобы приготовить барбекю для всей семьи, её масса должна быть примерно в десять тысяч раз больше массы Земли, а это экстраординарно малая величина в космических масштабах.

Однако само значение температуры чёрной дыры не столь важно. Хотя излучение, идущее от удалённых астрофизических чёрных дыр, не сможет осветить ночное небо, тот факт, что они действительно имеют температуру, что они действительно излучают, означает, что эксперты поспешили отбросить гипотезу Бекенштейна о том, что чёрные дыры действительно обладают энтропией. Хокинг великолепно справился с этой задачей. Его теоретические вычисления, определяющие температуру данной чёрной дыры и испускаемого ею излучения, дали все необходимые данные для определения количества энтропии, которую, согласно стандартным законам термодинамики, должна иметь чёрная дыра. Полученный ответ оказался пропорционален площади поверхности чёрной дыры, как и предполагал Бекенштейн.

Итак, к концу 1974 года Второй закон вновь стал законом. Открытия Бекенштейна и Хокинга выявили, что в любой ситуации полная энтропия возрастает, если при этом учитывать не только энтропию обычного вещества и излучения, но также и находящуюся внутри чёрных дыр и определяемую площадью их полной поверхности. Вместо того чтобы быть стоком для энтропии и приводить к нарушению Второго закона, чёрные дыры играют активную роль в исполнении этого закона во вселенной с постоянно увеличивающимся беспорядком.

Это заключение вызвало долгожданное облегчение. Для многих физиков Второй закон, основанный на казалось бы неоспоримых статистических рассуждениях, стал священным как практически никакой другой в науке. Его воскрешение означало, что с этим миром опять всё в порядке. Но со временем появилась небольшая, но первостепенно важная запись в бухгалтерской книге энтропии, которая показала, что вопрос о справедливости Второго закона не является самым приоритетным. Эта честь досталась задаче о месте хранения энтропии, задаче, важность которой станет очевидной, когда мы выявим глубокую связь между энтропией и центральной темой этой главы – информацией.

Энтропия и скрытая информация

До настоящего момента энтропия образно описывалась как мера беспорядка, и более количественно, как число перегруппировок компонент системы, не меняющих её совокупных макроскопических свойств. Выше это прозвучало неявно, но теперь можно сказать определённо, что энтропию можно осмыслить как измерение информационного разрыва между теми данными, которые у нас есть (общими макроскопическими свойствами), и теми данными, которых нет (конкретным устройством системы на микроскопическом уровне). Энтропия является мерой дополнительной информации, скрытой в деталях микроскопического устройства системы, которые, будь к ним доступ, позволили бы выделить эту микроуровневую конфигурацию системы на фоне всех макропроявлений.

В качестве иллюстрации представим, что Оскар навёл порядок в своей комнате, но не хватило времени убрать серебряные доллары, выигранные им в покер на прошлой неделе – тысяча монет так и осталась лежать разбросанной по полу. Даже если Оскар соберёт их потом в кучку, его взгляду предстанет хаотичный набор монет, часть из которых лежит вверх решкой, а часть вверх орлом. Если случайным образом поменять орлы на решки, а решки на орлы, то Оскар ничего не заметит – это свидетельствует о том, что тысяча собранных в кучку серебряных долларов обладает высокой энтропией. Этот пример настолько простой, что энтропию можно явно подсчитать. Для двух монет имеются четыре возможные конфигурации: (орёл, орёл), (орёл, решка), (решка, орёл), и (решка, решка) – две возможности для первого доллара умножаются на две для второго. Для трёх монет есть восемь возможных конфигураций – (орёл, орёл, орёл), (орёл, орёл, решка), (орёл, решка, орёл), (решка, орёл, орёл), (орёл, решка, решка), (решка, орёл, решка), (решка, решка, орёл), (решка, решка, решка) – возникающих из двух возможностей для первой монеты, помноженных на две для второй и помноженных на две для третьей. Для тысячи монет число возможностей вычисляется аналогично: множитель 2 для каждой монеты, и получаем число 2¹⁰⁰⁰, равное 10715086071862673209484250490600018105614048117055336074437503883703510511249361224931983788156958581275946729175531468251871452856923140435984577574698574803934567774824230985421074605062371141877954182153046474983581941267398767559165543946077062914571196477686542167660429831652624386837205668069376. Подавляющее большинство конфигураций орёл-решка не будут обладать особыми свойствами, поэтому они никак не будут выделены среди прочих. Однако некоторые будут выделены, если, скажем, все 1000 монет будут лежать кверху орлом или решкой, или если 999 монет будут лежать кверху орлом, или 999 кверху решкой. Но число таких необычных конфигураций настолько мало по сравнению с гигантским числом всех возможностей, что исключив их из подсчёта, вы вряд ли обнаружите какую-то разницу.[54]54
  Помимо переворачивания монет можно также менять их расположение, но для демонстрации основных идей этим усложнением можно пренебречь.


[Закрыть]

Из нашей предыдущих обсуждений следует, что число 2¹⁰⁰⁰ задаёт энтропию монет. Для определённых целей этот вывод вполне достаточен. Однако для установления более глубокой связи между энтропией и информацией необходимо уточнить картину, описанную выше. Энтропия системы связана с числом неразличимых перегруппировок её компонентов, но, строго говоря, не равна ему. Эта взаимосвязь выражается с помощью математической операции, называемой логарифмом; не пугайтесь, если логарифм навевает дурные воспоминания о школьных уроках математики. В нашем примере с монетами это просто означает, что в качестве энтропии надо взять показатель полученного нами числа конфигураций, то есть энтропия определяется как 1000, а не 2¹⁰⁰⁰.

Преимущество использования логарифма в том, что он позволяет работать с более обозримыми числами, но есть и более важная причина. Представьте, что я спрашиваю вас, сколько информации вам понадобится для описания одной частной конфигурации орёл-решка в наборе из 1000 монет. Простейший ответ состоит в составлении списка – орёл, орёл, решка, орёл, решка, решка…, который описывает расположение каждой из 1000 монет. Конечно же, отвечу я, это даст мне полную информацию об этой конфигурации, но вопрос состоял не в этом. Я спрашивал, сколько информации содержится в этом списке.

Тут вы начнёте раздумывать. Чем на самом деле является информация и для чего она нужна? Вы даёте прямой и простой ответ. Информация отвечает на вопросы. Годы исследований по физике, математике и компьютерным технологиям сделали этот ответ точным. Эти исследования установили, что наиболее полезная мера содержания информации – это число различных «да или нет» вопросов, на которые у этой информации есть ответ. В примере с монетами есть 1000 таких вопросов: орёл у первого доллара? Да. Орёл для второго доллара? Да. Орёл для третьего доллара? Нет. Орёл для четвёртого доллара? Нет. И так далее. Элемент данных, который может содержать ответ на «да или нет» вопрос, называется битом – привычный для компьютерного века термин, являющийся сокращением от английского выражения binary digit, двоичный символ, означающий 0 или 1, о котором можно думать как о численном представлении ответов да или нет. Таким образом, конфигурации орёл-решка из 1000 монет содержат 1000 бит информации. Эквивалентным образом, если вы встанете на макроскопическую точку зрения Оскара и сосредоточитесь только на случайном расположении всех монет в целом, не обращая внимания на «микроскопические» детали орёл или решка, то информация, «скрытая» в этих монетах, составляет 1000 бит.

Отметим, что значение энтропии и количество скрытой информации равны. И это не случайно. Число возможных выпадений орёл-решка равно числу возможных ответов на 1000 вопросов – (да, да, нет, нет, да…) или (да, нет, да, да, нет…) или (нет, да, нет, нет, нет…) и так далее, а именно 2¹⁰⁰⁰. При определении энтропии как логарифма числа таких конфигураций – 1000 в нашем случае – энтропия равна числу «да или нет» вопросов для любой из таких последовательностей ответов.

Мы рассмотрели частный пример с 1000 монетами, но установленная связь между энтропией и информацией имеет совершенно общий характер. Микроскопические детали любой системы содержат информацию, которая скрыта только при рассмотрении макроскопических, совокупных свойств. Например, вы знаете температуру, давление и объём контейнера с паром, но известно ли вам, ударялась ли молекула H₂O о верхний правый угол этого контейнера? А может быть другая молекула только что ударилась о нижний левый край? Так же как с разбросанными монетами, энтропия системы равна числу «да или нет» вопросов, ответы на которые содержатся в её микроскопическом состоянии, и поэтому энтропия является мерой, скрытой в системе информации.[55]55
  Если более точно, то это минимальное число «да или нет» вопросов, ответы на которые однозначно определяют устройство системы на микроскопическом уровне.


[Закрыть]