Текст книги "Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики"
Автор книги: Леонард Сасскинд
сообщить о нарушении
Текущая страница: 19 (всего у книги 28 страниц)
Было уже около 10 утра, когда я покинул капеллу Королевского колледжа и вышел на улицу, залитую июньским солнцем. Дарвиновская загадка иррациональной веры проникла в моё сознание, но в данный момент более насущная техническая проблема требовала немедленного решения: мне предстояло найти Ньютоновский институт.
Моя неплохо зарекомендовавшая себя карта указывала место вне центра старого Кембриджа в жилом районе современного вида. Это шло вразрез с моей романтической сентиментальностью, и я надеялся, что тут какая-то ошибка. Увидев знак «Уилберфорс-роуд», я подумал: не тот ли это Уилберфорс, которого прозвали Мыльным Сэмом и который интересовался у Гекели, кто из его бабушек и дедушек был обезьяной? Возможно, романтика истории ещё не полностью утрачена.
Правда, однако, оказалась ещё лучше. Уилберфорс-роуд названа в честь родного отца Сэмюэля, преподобного Уильяма Уилберфорса. Уильям сыграл удивительную роль в британской истории, будучи одним из лидеров аболиционистского движения за искоренение рабства в Британской империи.
Наконец, я свернул с Уилберфорс-роуд на Кларскон-роуд. Первое впечатление от увиденного Ньютоновского института вновь было разочаровывающим. Это современное строение – не уродливое, но построенное на нынешний манер из стекла, кирпича и стали.
Растерянность, однако, сменилась изумлением, как только я вошёл в здание. Архитектура оказалась идеальной для его назначения: обмена идеями – старыми, новыми и непроверенными – и их активного обсуждения, зарубания ошибочных теорий и, как я надеялся, встреч с идейными противниками и нанесения им поражений. Здесь было большое, очень хорошо освещённое пространство с множеством комфортных кресел и письменных столов и с досками на большинстве стен. Несколько групп расположилось вокруг кофейных столиков, заваленных листками, на которых физики вечно что-то прикидывают.
Я собирался присоединиться к Гэри Хоровицу, Джеффу Харвею и ещё паре друзей за столиком, но прежде, чем я успел это сделать, кое-что иное привлекло моё внимание. Я услышал разговор другого рода и не смог устоять перед искушением подслушать его. В углу зала король собрал поклонников: Стивен сидел в центре, слегка приподнятый на своём механическом троне, и услаждал британских журналистов. Интервью, очевидно, касалось не физики, а самого Стивена. Когда я подошёл, он рассказывал о своей личной истории и изнурительном заболевании. Рассказ должен был быть записан заранее, но, как всегда, некий невыразимый аромат, характерный для его личности, перекрывал монотонность роботизированного голоса.
Журналисты были заворожены – каждый следил за малейшими движениями лица Стивена, пока тот рассказывал о своих ранних годах, до того, как ему диагностировали болезнь Лу Герига. Согласно его показаниям, в те ранние годы у него преобладало чувство скуки – скуки молодого человека, который, похоже, сам не знает, чем бы заняться. В двадцать четыре года он был обычным выпускником-физиком, не добившимся каких-то особых результатов, – слегка ленивым и без особых амбиций. А потом, как бой часов в полночь, последовал страшный диагноз, неотвратимый смертный приговор. Все мы, живые, приговорены к смерти, но в случае Стивена сроки, казалось, были сочтены – год, быть может, два. Недостаточно даже для подготовки диссертации.
Поначалу Стивен испугался и впал в депрессию. По некоторым сведениям, он начал пить больше, чем следует. Его мучили кошмары, в которых его казнили. Но затем случилось нечто непредвиденное. Каким-то образом мысль о неизбежной смерти была вытеснена перспективами нескольких лет отсрочки. Результатом стало появление неожиданно мощной жажды жизни. Скуку сменило неистовое желание оставить свой след в физике, жениться, иметь детей и узнать мир – и всё это за то время, которое ему осталось. Стивен сказал репортёрам нечто столь удивительное и незабываемое, что я бы отверг это как бред собачий, исходи оно от кого-нибудь другого. Он сказал, что именно заболевание – парализующее заболевание – было лучшим, что могло с ним случиться.
Я не склонен героизировать людей. Я преклоняюсь перед некоторыми учёными и литераторами за ясность и глубину их идей, но не называю их героическими личностями. До того дня единственным гигантом в моём пантеоне героев был великий Нельсон Мандела. Но, подслушивая в Ньютоновском институте, я неожиданно увидел, что Стивен – поистине героическая фигура: человек, достойный сидеть за одним столом с Моби Диком (если киты сидят за столами).
Но я также видел – или думал, что видел, – насколько легко для человека, подобного Стивену, стать Крысоловом. Вспомните о потрясающей, как в соборе, тишине, которая наполняет большие лекционные залы, пока Стивен сочиняет ответ на вопрос.
Такое отношение Стивен вызывал далеко не только в научных кругах. Однажды я ужинал со Стивеном, его женой Элейн и одним из его чрезвычайно успешных прошлых учеников Рафаэлем Буссо. Дело было в центральном Техасе, в обычном придорожном ресторане, каких множество по всей Америке. Мы уже приступили к трапезе, – я беседовал с Элейн и Рафаэлем, Стивен в основном слушал, – когда его узнал официант, оказавшийся его большим поклонником. Он приблизился с трепетом, почтением, страхом и смущением, словно набожный католик, неожиданно встретивший за ужином папу римского. Он едва не бросился в ноги Стивену, Умоляя о благословении, и говорил о глубокой духовной близости, которую он всегда ощущал с великим физиком.
Стивену, конечно, нравится быть суперзнаменитым; для него это одна из немногих возможностей поддерживать связь с миром.
Но нравится ли ему это почти религиозное преклонение, поощряет ли он его? Нелегко сказать, что он думает, но я провёл с ним достаточно времени, чтобы в какой-то мере научиться читать выражение его лица. Слабый сигнал, появившийся в техасском ресторане, указывал скорее на раздражение, а не на удовольствие.
Вернёмся теперь к первоначальной цели моей поездки в Англию: попытке убедить Стивена в том, что его вера в потерю информации ошибочна. К сожалению, прямая дискуссия со Стивеном для меня почти невозможна. Мне не хватает спокойствия, чтобы несколько минут ждать ответа всего из нескольких слов. Но были другие люди, такие как Дон Пейдж, Гэри Хоровиц и Энди Строминджер, которые тратили на взаимодействие и сотрудничество со Стивеном массу времени. Они научились общаться с ним гораздо эффективнее меня.
В основе моей стратегии было два козыря. Во-первых, то, что физики любят поговорить, а я очень хорошо умею поддерживать разговор. Настолько хорошо на самом деле, что физики, даже когда они не согласны со мной, собираются толпой на начатые мной дискуссии. Когда бы я ни появился на любом физическом-факультете, даже в самом тихом месте вдруг возникают мини-семинары. Поэтому я знал, что будет нетрудно собрать нескольких наших со Стивеном взаимных друзей (они были друзьями, несмотря на то что я видел в них противников по Битве при чёрной дыре) и затеять спор. Я также был уверен, что Стивен будет втянут в дискуссию: для него держаться в стороне от физической полемики не легче – чем коту проигнорировать кошачью мяту, так что вскоре мы сойдёмся с ним в энергичной схватке, пока один из нас не признает поражение.
Также моя стратегия опиралась на силу моих аргументов и слабость тех, что были у другой стороны. У меня не было сомнений в конечной победе.
Всё это блестяще сработало, за исключением одной детали: Стивен так и не присоединился. Это оказался период, когда он чувствовал себя особенно плохо, и мы его почти не видели. В результате бои были точно такими же, как и те, что я уже несколько лет вёл в Соединённых Штатах. Кит ускользнул, не дав мне выстрелить в него.
За день или два до моего отъезда из Кембриджа я должен был провести для всего института семинар, посвящённый дополнительности чёрных дыр. Это был последний шанс для столкновения со Стивеном. Лекционный зал был заполнен. Стивен прибыл, чуть запоздав к началу, и сидел сзади. Обычно он сидит впереди рядом с доской, но в этот раз он был не один, а с медсестрой и ещё одним ассистентом на случай, если ему понадобится медицинская помощь. Видимо, проблемы действительно возникли, поскольку в середине семинара он покинул помещение. Так-то вот. Ахав упустил свой шанс.
Семинар закончился около пяти часов, и к тому времени я уже был сыт по горло Ньютоновским институтом. Мне хотелось выбраться из Кембриджа. Энн отправилась к приятельнице и оставила мне арендованный автомобиль. Вместо того чтобы вернуться в наши апартаменты, я поехал в соседнюю деревушку Милтон и засел в пабе. Я не большой выпивоха, и пить в одиночку определённо не в моих привычках, но в этот раз я действительно хотел просто посидеть и попить пива. Я хотел не одиночества, а просто чтобы не было физиков.
Это был типичный деревенский паб, с барменшей средних лет и несколькими местными посетителями за стойкой. Один из клиентов лет восьмидесяти, одетый в коричневый костюм с галстуком-бабочкой, опирался на трость. Не думаю, что он был ирландцем, но он сильно напоминал актёра Барри Фитцджеральда, который играл с Бингом Кросби в фильме «Иди своим путём». (Герой Фитцджеральда там – раздражительный, но добросердечный ирландский священник.) Посетитель о чём-то добродушно спорил с барменшей, которая называла его Лу.
Будучи совершенно уверен, что он не физик, я подошёл к стойке рядом с ним и заказал себе пива. Не помню точно, как начался наш разговор, но он рассказал, что у него была короткая военная карьера, прервавшаяся после потери ноги на войне, как я понял, на Второй мировой. Но отсутствие ноги, похоже, не мешало ему стоять возле стойки.
Разговор неминуемо повернул к вопросу, кто я такой и что делаю в Милтоне. Я был не в настроении рассказывать о физике, но не хотел обманывать старого джентльмена и ответил, что был в Кембридже на конференции по чёрным дырам. Он сразу сказал, что является большим экспертом по этому вопросу и может рассказать мне много такого, чего я не знаю. Разговор стал приобретать странный поворот. Он заявил, что, согласно семейной легенде, один из его предков побывал в чёрной дыре, но в последний момент сумел выбраться.
О какой чёрной дыре он говорил? Чудаки, помешанные на чёрных дырах, идут по дюжине за пятак и, как правило, очень скучны, но этот человек не был похож на обычного психа. Сделав глоток пива, он стал рассказывать о том, что Чёрная дыра Калькутты – это ужасное, проклятое, совершенно отвратительное место.
Чёрная дыра Калькутты! Очевидно, он подумал, что я был в Кембридже на какой-то конференции по англо-индийской истории. Я слышал о Чёрной дыре Калькутты, но понятия не имел, что это такое. По моим очень туманным представлениям, это был бордель, где грабили и убивали беспечных британских солдат.
Я решил не прояснять ситуацию, а вместо этого побольше узнать о настоящей Чёрной дыре. История сомнительная, но, похоже, это был подвал или даже подземелье в британском форте, захваченном вражескими силами в 1756 году. Большое число британских солдат оказалось заперто в подвале на ночь, и, возможно по недоразумению, они задохнулись. По семейной легенде, которая передавалась семь поколений, одному из предков Лу едва удалось ускользнуть и не оказаться в числе мертвецов.
Так я обнаружил случай выхода информации из чёрной дыры. Если бы только Стивен был тогда рядом, чтобы это услышать.
18
Мир как голограмма
Опрокиньте доминирующую парадигму.
Надпись замеченная на бампере
Покидая Кембридж, я уже понимал, что проблема связана не со Стивеном или релятивистами. Часы, проведённые в дискуссиях, особенно с Гэри Хоровицем (Н из CGHS), ярко выраженным релятивистом, убедили меня в обратном. Будучи настоящим волшебником в области уравнений общей теории относительности, Гэри ещё и глубокий мыслитель, который любит во всём дойти до самой сути. Потратив немало часов на обдумывание парадокса Стивена, он ясно понимал опасность потери информации, но всё же заключил, что Стивен прав, – он не видел, как избежать вывода о том, что информация должна пропадать при испарении чёрной дыры. Когда я объяснил Гэри дополнительность чёрных дыр (не в первый раз), он очень хорошо понял суть дела, но счёл этот шаг слишком радикальным. Ему казалось неестественным утверждение о том, что квантово-механическая неопределённость может сказываться на таких больших масштабах, как огромная чёрная дыра. Это определённо не было связно с интеллектуальной леностью. Всё сводилось к одному вопросу: каким принципам вы доверяете?
В самолёте по пути из Кембриджа я понял, что настоящей проблемой было отсутствие у дополнительности чёрных дыр надёжного математического фундамента. Даже Эйнштейн долго не мог Убедить большинство других физиков в том, что его теория света корректна. Прошло около двадцати лет, был поставлен решающий эксперимент и созданы абстрактные математические теории Гейзенберга и Дирака, прежде чем вопрос был закрыт. Очевидно, предположил я, поставить эксперимент для проверки дополнительности чёрных дыр никогда не удастся. (Тут я ошибался.) Но, вероятно, более строгую теоретическую базу создать можно.
По дороге из Англии я ещё не знал, что менее чем через пять лет математическая физика взлелеет одну из самых тревожных философских идей всех времён: в некотором смысле, основательный трёхмерный мир нашего опыта – не более чем иллюзия. И я не представлял, как этот радикальный прорыв изменит ход Битвы при чёрной дыре.
ГолландияДо свидания, старая добрая Англия. Привет, ветряные мельницы и высоченные голландцы. Я пересёк Северное море, чтобы навестить своего друга Герарда 'т Хоофта. После короткого перелёта в Амстердам мы с Энн поехали в Утрехт, ещё один город с каналами и узкими домиками, где Герард был профессором физики (или Профессором физики, как подчёркивают некоторые). В 1994 году он ещё не получил Нобелевскую премию, но никто не сомневался, что она не за горами.
Среди физиков имя 'т Хоофта – синоним научного величия, а в Голландии, стране, где число великих физиков в расчёте на душу населения больше, чем где бы то ни было, он является национальным достоянием. Так что, прибыв в Утрехтский университет, я был удивлён скромным кабинетом, который занимал Герард. В то лето Европа походила на влажную теплицу, и Голландия, несмотря на свою репутацию прохладного сырого места, была непереносима. Тесный кабинет 'т Хоофта был таким же, как и у других, – даже без кондиционера. Как я помню, он находился на солнечной стороне здания, и я удивлялся, каким чудом в этой смертельной жаре выживают его большие зелёные экзотические растения. Как гостя, меня усадили за углом в тенистом офисе, но и здесь было слишком жарко, чтобы работать или даже просто обсуждать нашу общую страсть – чёрные дыры.
В выходные мы с Энн и Герардом отправились на его машине в поездку по небольшим городкам в окрестностях Утрехта, где воздух был чуть прохладнее. Как и многим великим учёным, 'т Хоофту присуще громадное любопытство в отношении окружающего мира – по части не только физики, но и всей природы. Его интерес к вопросу о том, как животные могут измениться в мире, полном городских загрязнений, привёл к появлению целого бестиария футуристичных созданий. Вот одно из его творений. Другие можно найти на его домашней странице: http://www.staff.science.uu.nl/~hooftl01/evolve.html
Het Wijndiefje (винный вор) Bacchus dellriosus. Этого паразита можно встретить вблизи пабов. Он полностью приспособлен для открывания бутылок и банок всех типов. Будет очень неприятно, если он проникнет в ваш винный погреб.
’т Хоофт ещё и живописец-любитель, и музыкант. Энн тоже пишет картины и играет на фортепьяно, так что в машине и за ланчем в местной деревушке – голландские оладьи, холодная минералка и огромное количество мороженого – мы разговаривали обо всём: от формы морских раковин и будущей эволюции жизни на загрязнённой планете до голландских живописцев и фортепьянной техники. Но только не о чёрных дырах.
В течение рабочей недели мы мало говорили о физике. Герард – противник, который любит поспорить, и наши диалоги часто протекали примерно так: «Герард, – начинал я, – я совершенно согласен с тобой». – «Да, – отвечал он, – но я с тобой совершенно не согласен».
Был один конкретный вопрос, который я хотел обсудить. Эта вещь, о которой я размышлял почти двадцать пять лет, относилась к теории струн. Но Герард не любил теорию струн, и убедить его в ней копаться было непростым делом. Вопрос, который я хотел обсудить, касался местоположения отдельных битов информации. В 1969 году я впервые обнаружил в теории струн нечто потрясающее и в то же время столь сумасбродное, что струнные теоретики не хотят даже думать об этом.
Теория струн утверждает, что всё в мире состоит из микроскопических одномерных эластичных струн. Элементарные частицы вроде протонов и электронов – это чрезвычайно маленькие закольцованные струны, каждая по величине не больше планковского масштаба. (Не тревожьтесь, если вам не всё понятно. В следующей части я поясню основные идеи. А пока просто примите сказанное в качестве отправной точки.)
Принцип неопределённости даже в отсутствие дополнительной энергии заставляет эти струны вибрировать и флуктуировать за счёт нулевых колебаний (см. главу 4). Различные части одной струны находятся в непрерывном движении друг относительно друга, отчего их крошечные части растягиваются и раздвигаются на некоторое расстояние. Само по себе это раздвижение не представляет проблемы; электроны в атомах распределены по значительно большему объёму, чем ядро, и причина этого тоже в нулевых колебаниях. Все физики принимают как данность то, что элементарные частицы – это не бесконечно малые точки в пространстве. Все мы ожидаем, что электроны, протоны и другие элементарные частицы по крайней мере не меньше планковского размера, а возможно, и крупнее. Проблема в том, что математика теории струн приводит к абсурдно сильной квантовой дрожи, при которой флуктуации столь свирепы, что кусочки электрона разнесло бы на самые края Вселенной. Большинству физиков, включая струнных теоретиков, это кажется сумасшедшим до немыслимости.
Как это возможно, чтобы электрон был столь велик, как Вселенная, а мы этого не замечали? Вы можете спросить, что удерживает струны вашего тела от столкновений и запутывания со струнами моего тела, даже если мы разделены сотнями миль. Ответ не так прост. Во-первых, эти флуктуации невероятно быстры даже в сравнении с неизмеримо малым планковским временем. Но вдобавок они ещё и так тонко настроены, что флуктуации одной струны в точности соответствуют флуктуациям другой и как раз так, что все нехорошие эффекты гасятся. Тем не менее если бы удалось пронаблюдать самые быстрые внутренние нулевые колебания элементарной частицы, то можно было бы обнаружить, что её части колеблются от края до края Вселенной. Так, по крайней мере, говорит теория струн.
Это дико странное поведение напомнило мне шутку Ааруса Торласиуса (см. с. 238) о том, что мир внутри чёрной дыры может быть подобен голограмме, причём реальная информация находится далеко на горизонте. Теория струн, если относиться к ней серьёзно, идёт ещё дальше. Она помещает каждый бит информации – будь он в чёрной дыре или в чёрной краске на газетном листе – на внешнюю границу Вселенной или на «бесконечность», если у Вселенной нет конца.
Каждый раз, когда я затевал разговор с 'т Хоофтом об этой идее, обсуждение сразу стопорилось. Но незадолго до моего возвращения из Утрехта домой Герард сообщил мне нечто поразительное. А именно, что если рассмотреть в планковском масштабе стены его офиса, то, в принципе, они бы содержали все биты информации о том, что находится внутри комнаты. Я не упоминал при нём слово «голограмма», но он, очевидно, думал о том же, о чём и я: каким-то непонятным образом каждый бит информации в мире записан очень далеко на самых отдалённых границах космоса. Фактически он меня опередил: он сослался на свою статью, вышедшую несколькими месяцами ранее, в которой рассуждал об этой идее.
На этом замечании наш диалог прервался, и в оставшиеся два Аня моего пребывания в Голландии мы больше не говорили о чёрных дырах. Но, вернувшись в тот вечер в отель, я подробно проработал Доказательство следующего утверждения: максимальное количество Информации, которое может содержаться в любой области пространства, не превышает того, что можно записать на границе области, сохраняя не более четверти бита в одной планковской площади.
Позвольте теперь мне дать пояснение относительно вездесущей, постоянно повторяющейся одной четверти. Почему четверть бита на планковскую площадь, а не один бит на планковскую площадь? Ответ тривиален. Исторически планковская-единица была плохо определена. На самом деле физикам следовало бы вернуться и переопределить планковскую единицу так, чтобы четыре планковские площади стали одной. И я возглавлю это движение; отныне закон будет звучать так:
Максимальная энтропия в области пространства составляет один бит на планковскую площадь.
Вернёмся к Птолемею, с которым мы встретились в главе 7. Там мы предположили, что он так боялся заговора, что разрешил хранить в библиотеке лишь ту информацию, которая видна снаружи. Поэтому она была записана только на внешних стенах. При плотности записи один бит на планковскую площадь Птолемей мог бы хранить максимум 1074 битов. Это колоссальное количество информации, много больше, чем может вмещать любая реальная библиотека, но тем не менее оно меньше 10109 битов планковского размера, которые можно затолкать внутрь библиотеки. О чём догадывался 'т Хоофт и что я доказал, сидя в номере отеля, – это то, что воображаемый закон Птолемея соответствует истинному физическому ограничению на количество информации, которое может содержаться в области пространства.
