Текст книги "Если Вселенная изобилует инопланетянами… Где все?"

Автор книги: Стивен Уэбб

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 36 страниц)

План книги следующий.

Глава 2 дает краткую биографию Ферми, сосредотачиваясь на его научных достижениях. Затем я обсуждаю понятие парадокса и представляю краткое обсуждение истории парадокса Ферми.

Главы 3–5 представляют 74 моих любимых решения парадокса. Не все из них независимы, и иногда я возвращаюсь к решению в другом обличье, но все они были серьезно предложены в качестве ответа на вопрос Ферми. Я располагаю ответы в соответствии с тремя упомянутыми выше классами. Глава 3 обсуждает 10 предложений, основанных на идее, что ВЦ находятся или находились здесь. Глава 4 обсуждает 30 ответов, основанных на идее, что ВЦ существуют, но мы еще не нашли доказательств их существования. Глава 5 обсуждает 24 решения парадокса, основанных на идее, что мы одиноки. В расположении различных обсуждений есть своя логика, но я надеюсь, что разделы достаточно автономны, чтобы позволить читателям «заглядывать» в книгу и выбирать решения, которые их особенно интересуют. В обсуждениях я стараюсь быть как можно более беспристрастным, даже если я не согласен с решением (что я часто делаю).

Глава 6 содержит 75-е Решение: мой собственный взгляд на разрешение парадокса. Это не особенно оригинальное предложение, но оно суммирует то, что, по моему мнению, парадокс Ферми может говорить нам о Вселенной, в которой мы живем.

За этим следует глава примечаний и предложений для дальнейшего чтения. Материал, обсуждаемый в этой книге, охватывает различные предметы, от астрономии до зоологии, поэтому ссылки в последней главе обязательно широки по охвату. Они варьируются от научно-фантастических рассказов до научно-популярных книг и первичных исследовательских статей, опубликованных в научных журналах. Многие читатели могут столкнуться с трудностями при доступе к более специализированным ссылкам, но я надеюсь, что они, по крайней мере, смогут использовать эту главу для поиска связанной информации в Интернете.

Книга специально предназначена для широкой аудитории. Одна из прелестей парадокса Ферми заключается в том, что его можно оценить без необходимости какой-либо математики, кроме понимания экспоненциальной записи. Отсюда следует, что любой может представить разрешение парадокса Ферми; вам не нужно иметь за плечами годы научной и математической подготовки, чтобы внести свой вклад в дебаты. Я надеюсь, что читатель этой книги сможет придумать решение, о котором никто другой не подумал. Если вы это сделаете, пожалуйста, напишите мне и поделитесь!

2. О Ферми и Парадоксе

Прежде чем рассматривать достоинства различных предложенных решений парадокса Ферми, в этой главе излагаются некоторые предпосылки. Сначала я представлю краткую биографию самого Энрико Ферми, сосредоточившись лишь на нескольких из его многочисленных и разнообразных научных достижений. Я упомяну только те вклады в науку, на которые ссылаюсь в последующих разделах книги. Я игнорирую, например, его вклад в физику космических лучей: Ферми первым предложил реалистичную модель для объяснения происхождения высокоэнергетических частиц, бомбардирующих Землю из космоса. Эта работа отмечена названием спутниковой миссии НАСА по исследованию космических лучей – Космический гамма-телескоп Ферми. Действительно, научные достижения Ферми были настолько многочисленны, что Космический телескоп Ферми – лишь последнее из множества объектов, названных в его честь. Фермилаб в Батавии, штат Иллинойс, является одним из ведущих мировых центров физики элементарных частиц; элемент с атомным номером 100, впервые синтезированный в 1952 году при взрыве водородной бомбы, называется фермий (Fm); типичный масштаб длины в ядерной физике, 10^-15 м, называется ферми; 8103 Ферми – астероид главного пояса, а Ферми – большой кратер на обратной стороне Луны; несколько сотрудников Института Энрико Ферми при Чикагском университете получили Нобелевские премии. За более подробной информацией о жизни Ферми, как в науке, так и вне ее, я рекомендую заинтересованному читателю обратиться к биографиям Ферми, перечисленным в Списке литературы.

Затем я обсуждаю понятие парадокса и кратко рассматриваю несколько примеров из различных областей. Парадокс сыграл важную роль в истории мысли, помогая мыслителям расширять свои концептуальные рамки, а иногда заставляя их принимать довольно контринтуитивные понятия. Интересно сравнить парадокс Ферми с этими более устоявшимися парадоксами.

Наконец, я обсуждаю, как возник сам парадокс Ферми – где все? Стоит отметить, что некоторые утверждают, что это не парадокс, и он не принадлежит Ферми. Тем не менее, мы увидим, что вопрос Ферми можно облечь в форму формального парадокса (если вы чувствуете в этом необходимость), и я объясню, как имя Ферми стало ассоциироваться с парадоксом, который старше, чем многие полагают.

Физик Энрико Ферми

Бесполезно пытаться остановить движение знания вперед. Невежество никогда не лучше знания. Энрико Ферми

Энрико Ферми был самым всесторонним физиком прошлого века – теоретиком мирового класса, проводившим экспериментальную работу высочайшего уровня. Ни один другой физик со времен Ферми не переключался между теорией и экспериментом с такой легкостью, и маловероятно, что кто-то сделает это снова. Область науки стала слишком обширной, чтобы позволить такое пересечение.

Ферми родился в Риме 29 сентября 1901 года, он был третьим ребенком Альберто Ферми, государственного служащего, и Иды ДеГаттис, школьной учительницы. Он рано проявил способности к математике^[4], и будучи студентом-физиком в Высшей нормальной школе в Пизе, он быстро превзошел своих учителей.^[5]

Его первым крупным вкладом в физику был анализ поведения определенных фундаментальных частиц, составляющих материю. Эти частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, теперь в его честь называются фермионами. Ферми показал, как при сжатии материи, когда одинаковые фермионы сближаются, возникает сила отталкивания, которая сопротивляется дальнейшему сжатию. Это фермионное отталкивание играет важную роль в нашем понимании таких разнообразных явлений, как теплопроводность металлов и стабильность белых карликов. Вскоре после этого теория бета-распада Ферми (тип радиоактивности, при котором массивное ядро испускает электрон) укрепила его международную репутацию. Теория требовала, чтобы вместе с электроном испускалась призрачная частица, которую он назвал нейтрино – «маленький нейтральный». Не все верили в существование этого гипотетического фермиона, но Ферми оказался прав. Физики наконец обнаружили нейтрино в 1956 году. Хотя нейтрино остается довольно неуловимым из-за его нежелания взаимодействовать с обычной материей, его свойства играют глубокую роль в современных астрономических и космологических теориях.

В 1938 году Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике, отчасти в знак признания разработанной им методики исследования атомного ядра. Его методика привела его к открытию новых радиоактивных элементов; бомбардируя природные элементы нейтронами, он получил более 40 искусственных радиоизотопов. Награда также была признанием его открытия способа замедления нейтронов. Это может показаться незначительным моментом, но он имеет глубокие практические применения, поскольку медленные нейтроны более эффективны, чем быстрые, в индуцировании радиоактивности. (Медленный нейтрон проводит больше времени в окрестности ядра-мишени и, следовательно, с большей вероятностью взаимодействует с ядром. Аналогично, хорошо нацеленный мяч для гольфа с большей вероятностью попадет в лунку, если он движется медленно: быстрый удар может прокатиться мимо.) Этот принцип используется при работе ядерных реакторов.

Рис. 2.1 Эта фотография Энрико Ферми, читающего лекцию по атомной теории, изображена на марке, выпущенной Почтовой службой США 29 сентября 2001 года в ознаменование столетия со дня рождения Ферми. (Источник: Американский институт физики, Визуальные архивы Эмилио Сегре)

Новости о награде омрачались ухудшением политической ситуации в Италии. Муссолини, все больше подпадая под влияние Гитлера, начал антисемитскую кампанию. Фашистское правительство Италии приняло законы, скопированные непосредственно с нацистских Нюрнбергских эдиктов. Законы напрямую не затрагивали Ферми или его двоих детей, которые считались арийцами, но жена Ферми, Лаура, была еврейкой. Они решили покинуть Италию, и Ферми принял предложение о работе в Америке.

Через две недели после прибытия в Нью-Йорк до Ферми дошли новости о том, что немецкие и австрийские ученые продемонстрировали ядерное деление. Эйнштейн, после некоторых уговоров, написал свое историческое письмо Рузвельту, предупредив президента о возможных последствиях ядерного деления. Ссылаясь на работу Ферми и его коллег, Эйнштейн предупредил, что в большой массе урана может быть запущена ядерная цепная реакция – реакция, которая может привести к высвобождению огромного количества энергии. Рузвельт был достаточно обеспокоен, чтобы профинансировать программу исследований оборонных возможностей. Ферми был глубоко вовлечен в эту программу.

Вопросы Ферми Коллеги Ферми благоговели перед ним за его сверхъестественную способность видеть суть физической проблемы и описывать ее простыми словами. Его называли Папой, потому что он казался непогрешимым. Почти так же впечатляла его способность оценивать порядок величины ответа (часто выполняя сложные вычисления в уме). Ферми пытался привить эту способность своим студентам. Он без предупреждения требовал от них ответов на кажущиеся неразрешимыми вопросы. Сколько песчинок на пляжах мира? Как далеко может пролететь ворона без остановки? Сколько атомов из последнего вздоха Цезаря вы вдыхаете с каждым глотком воздуха? Такие «вопросы Ферми» (как их теперь называют) требовали от студентов опираться на свое понимание мира и повседневный опыт, делать грубые приближения, а не полагаться на книжные знания или имеющиеся сведения.

Архетипичный вопрос Ферми – тот, который он задал своим американским студентам: «Сколько настройщиков пианино в Чикаго?» Мы можем получить обоснованную оценку, в отличие от необоснованной догадки, рассуждая следующим образом.

Во-первых, предположим, что население Чикаго составляет 3 миллиона человек. (Я не проверял альманах, чтобы узнать, верно ли это; но делать явные оценки при отсутствии точных знаний – в этом вся суть упражнения. Чикаго – большой город, но не самый большой в Америке, поэтому мы можем быть уверены, что оценка вряд ли ошибочна более чем в 2 раза. Поскольку мы явно указали наше предположение, мы можем вернуться к расчету позже и пересмотреть ответ в свете уточненных данных.) Во-вторых, предположим, что пианино владеют семьи, а не отдельные лица, и проигнорируем пианино, принадлежащие учреждениям, таким как школы, университеты и оркестры. В-третьих, если мы предположим, что типичная семья состоит из 5 членов, то наша оценка – 600 000 семей в Чикаго. Мы знаем, что не каждая семья владеет пианино; наше четвертое предположение – что 1 семья из 20 владеет пианино. Таким образом, мы оцениваем, что в Чикаго 30 000 пианино. Теперь зададимся вопросом: сколько настроек потребуется 30 000 пианино за 1 год? Наше пятое предположение – что типичное пианино требует настройки раз в год – значит, в Чикаго ежегодно происходит 30 000 настроек пианино. Предположение шестое: настройщик пианино может настроить 2 пианино в день и работает 200 дней в году. Следовательно, один настройщик пианино настраивает 400 инструментов в год. Чтобы удовлетворить общее количество требуемых настроек, в Чикаго должно быть 30000/400=75 настройщиков пианино. Нам нужна оценка, а не точная цифра, поэтому, наконец, мы округляем это число до ровных 100.

Как мы увидим позже, способность Ферми улавливать суть проблемы проявилась, когда он задал вопрос: «Где все?»

Физикам нужно было ответить на множество вопросов, прежде чем они смогли создать бомбу, и именно Ферми ответил на многие из них. 2 декабря 1942 года в импровизированной лаборатории, построенной на корте для сквоша под Западными трибунами стадиона Чикагского университета, группа Ферми успешно осуществила первую самоподдерживающуюся ядерную реакцию. Реактор, или «котел», состоял из блоков очищенного урана – всего около 6 тонн, – расположенных в матрице из графита. Графит замедлял нейтроны, позволяя им вызывать дальнейшее деление и поддерживать цепную реакцию. Управляющие стержни из кадмия, который является сильным поглотителем нейтронов, контролировали скорость цепной реакции. Реактор достиг критичности^[6] в 14:20, и первый тест длился 28 минут.

Ферми, с его непревзойденными знаниями в области ядерной физики, сыграл важную роль в Манхэттенском проекте. Он был там, в пустыне Аламогордо, 15 июля 1945 года, всего в 9 милях от эпицентра испытания «Тринити». Он лежал на земле лицом в направлении, противоположном бомбе. Увидев вспышку от мощного взрыва, он поднялся на ноги и бросил из руки маленькие кусочки бумаги. В неподвижном воздухе кусочки бумаги упали бы к его ногам, но когда через несколько секунд после вспышки пришла ударная волна, бумага сдвинулась горизонтально из-за смещения воздуха. Типичным для него образом он измерил смещение бумаги; поскольку он знал расстояние до источника, он смог немедленно оценить энергию взрыва.

После войны Ферми вернулся к академической жизни в Чикагском университете и заинтересовался природой и происхождением космических лучей. Однако в 1954 году у него диагностировали рак желудка. Эмилио Сегре, давний друг и коллега Ферми, навестил его в больнице. Ферми отдыхал после диагностической операции, и его кормили внутривенно. Даже в конце, согласно трогательному рассказу Сегре, Ферми сохранил свою любовь к наблюдению и вычислениям: он измерял скорость потока питательного раствора, считая капли и замеряя время секундомером. Ферми умер 29 ноября 1954 года в раннем возрасте 53 лет.

Парадокс

Это старые милые парадоксы, чтобы дураки смеялись в пивной. Уильям Шекспир, Отелло, Акт II, Сцена 1

Наше слово «парадокс» происходит^[7] от двух греческих слов: para, означающего «против», и doxa, означающего «мнение». Оно описывает ситуацию, в которой наряду с одним мнением или интерпретацией существует другое, взаимоисключающее мнение. Слово приобрело множество слегка различающихся значений, но в основе каждого употребления лежит идея противоречия. Парадокс – это больше, чем просто несоответствие. Если вы говорите «идет дождь, не идет дождь», то вы противоречите себе, но парадокс требует большего. Парадокс возникает, когда вы начинаете с набора кажущихся самоочевидными предпосылок, а затем выводите заключение, которое их подрывает. Если ваш железобетонный аргумент доказывает, что должен идти дождь, но вы выглядываете и видите, что на улице сухо, то у вас есть парадокс, который нужно разрешить.

Рис. 2.2 Визуальный парадокс. Эта невозможная фигура – треугольник Пенроуза. Он назван в честь Роджера Пенроуза, британского математика, который придумал его в 1950-х годах. (Впервые он был создан еще раньше, в 1934 году, шведским художником-графиком Оскаром Реутерсвардом.) Иллюстрация, кажется, показывает трехмерное треугольное тело, но такой треугольник невозможно построить. Каждая вершина треугольника Пенроуза на самом деле является перспективным видом прямого угла. Художники, такие как Эшер и Реутерсвард, с удовольствием представляли визуальные парадоксы. (Источник: Tobias R.)

Слабый парадокс или заблуждение часто можно прояснить, немного подумав. Противоречие обычно возникает из-за ошибки в логической цепочке, ведущей от предпосылок к заключению. Например, начинающие студенты алгебры часто строят «доказательства» очевидно неверных утверждений, таких как 1 + 1 = 1. Такие «доказательства» обычно содержат шаг, на котором уравнение делится на ноль. В этом и заключается источник заблуждения, поскольку деление на ноль недопустимо в арифметике: если вы делите на ноль, вы можете «доказать» все что угодно.

Однако в сильном парадоксе источник противоречия не очевиден сразу; могут пройти столетия, прежде чем вопрос будет разрешен. Сильный парадокс способен бросить вызов нашим самым заветным теориям и убеждениям. Действительно, как однажды заметил математик Анатоль Рапопорт^[8]: «Парадоксы сыграли драматическую роль в истории мысли, часто предвещая революционные разработки в науке, математике и логике. Всякий раз, когда в какой-либо дисциплине мы обнаруживаем проблему, которую невозможно решить в рамках концептуальной структуры, которая предположительно должна применяться, мы испытываем шок. Шок может заставить нас отбросить старую структуру и принять новую».

Парадоксы изобилуют в логике, математике и физике, и найдется тип на любой вкус и интерес.

Несколько логических парадоксов

Старый парадокс, над которым размышляли философы с середины IV века до н. э. и который обсуждается до сих пор, – это парадокс лжеца. Его древнейшее приписывание – Евбулиду Милетскому, который спросил: «Человек говорит, что он лжет; истинно или ложно то, что он говорит?» Как бы ни анализировать это предложение, возникает противоречие. Тот же парадокс встречается в Новом Завете. Св. Павел в своем послании к Титу, первому епископу Крита, писал: «Один из них самих, даже пророк их собственный, сказал: критяне всегда лжецы». Неясно, осознавал ли Павел проблему в своем предложении, но когда допускается самореференция, парадокс почти неизбежен.

Одним из важнейших инструментов рассуждения, которыми мы обладаем, является сорит. На языке логиков сорит – это цепь связанных силлогизмов: предикат одного утверждения становится субъектом следующего утверждения. Приведенные ниже утверждения образуют типичный пример сорита:

все вороны – птицы;

все птицы – животные;

всем животным для выживания нужна вода.

Следуя по цепочке, мы должны логически заключить: всем воронам для выживания нужна вода.

Сориты важны, потому что они позволяют нам делать выводы, не охватывая все возможные случаи в эксперименте. В приведенном выше примере нам не нужно лишать ворон воды, чтобы знать, что это приведет к их смерти от жажды. Но иногда вывод сорита может быть абсурдным: мы имеем парадокс сорита. Например, если мы согласны с тем, что добавление одной песчинки к другой песчинке не создает кучу песка, и учитывая, что одна песчинка сама по себе не составляет кучу, то мы должны заключить, что никакое количество песка не может создать кучу. И все же мы видим кучи песка. Источник таких парадоксов лежит в намеренной неопределенности^[9] таких слов, как «куча». Другой парадокс – парадокс Тесея – основывается на неопределенности слова «тот же самый»: если вы восстанавливаете деревянный корабль, заменяя каждую доску, является ли он тем же самым кораблем? Политики, конечно, регулярно пользуются этими языковыми уловками.

Помимо соритов, мы все постоянно используем индукцию – вывод обобщений из конкретных случаев при рассуждении. Например, всякий раз, когда мы видим, как что-то падает, оно падает вниз: используя индукцию, мы предлагаем общий закон, а именно, что когда вещи падают, они всегда падают вниз, а не вверх. Индукция – настолько полезный метод, что все, что ставит его под сомнение, вызывает беспокойство. Рассмотрим парадокс ворона Гемпеля.^[10] Предположим, орнитолог после многих лет полевых наблюдений видел сотни черных воронов. Доказательств достаточно, чтобы она предложила гипотезу: «все вороны черные». Это стандартный процесс научной индукции. Каждый раз, когда орнитолог видит черного ворона, это небольшое свидетельство в пользу ее гипотезы. Теперь утверждение «все вороны черные» логически эквивалентно утверждению «все не-черные вещи – не-вороны». Если орнитолог видит кусок белого мела, то это наблюдение является небольшим свидетельством в пользу гипотезы «все не-черные вещи – не-вороны», но, следовательно, это должно быть свидетельством ее утверждения о том, что вороны черные. Почему наблюдение, касающееся мела, должно быть свидетельством гипотезы о птицах? Означает ли это, что орнитологи могут проводить ценную работу, сидя дома перед телевизором, не утруждая себя наблюдением за птицами на природе?

Другой логический парадокс – парадокс неожиданной казни, в котором судья говорит осужденному: «Вас повесят на следующей неделе, но, чтобы избавить вас от душевных мук, день исполнения приговора станет сюрпризом». Заключенный рассуждает, что палач не может ждать до пятницы, чтобы исполнить приказ судьи: такая долгая задержка означает, что все будут знать, что казнь состоится в этот день – казнь не будет сюрпризом. Значит, пятница исключается. Но если пятница исключена, то по той же логике исключается и четверг. То же самое касается среды, вторника и понедельника. Заключенный, с огромным облегчением, приходит к выводу, что приговор не может быть приведен в исполнение. Тем не менее, он совершенно удивлен, когда палач ведет его на виселицу в четверг! Этот аргумент, который также известен под названиями «парадокс неожиданного экзамена» и «парадокс предсказания», породил огромную литературу.^[11]

Несколько научных парадоксов

Хотя размышлять о лжецах, воронах и осужденных часто забавно, а иногда и полезно, аргументы, связанные с логическими парадоксами, слишком часто, по крайней мере на мой вкус, сводятся к дискуссии о точном значении и употреблении слов. Такие дискуссии хороши, если вы философ, но, по моему мнению, действительно увлекательные парадоксы можно найти в науке.

Парадокс близнецов, связанный с явлением замедления времени в специальной теории относительности, пожалуй, один из самых известных. Предположим, один близнец остается дома, а другой отправляется к далекой звезде со скоростью, близкой к скорости света. Для оставшегося дома близнеца часы его брата идут медленнее: его близнец стареет медленнее, чем он сам. Хотя это явление противоречит здравому смыслу, это экспериментально подтвержденный факт. Но ведь теория относительности говорит нам, что путешествующий близнец может считать себя находящимся в покое? С его точки зрения, часы земного близнеца идут медленнее; оставшийся дома близнец должен стареть медленнее. Так что же произойдет, когда путешественник вернется? Они не могут оба быть правы. Невозможно, чтобы оба близнеца были моложе друг друга! Разрешение этого парадокса простое: путаница возникает из-за неправильного применения специальной теории относительности. Эти два сценария не взаимозаменяемы, потому что только путешествующий близнец ускоряется до световой скорости, замедляется на полпути своего путешествия и повторяет все это на обратном пути. Все могут согласиться, что оставшийся дома близнец не испытывает такого ускорения. Таким образом, путешественник стареет медленнее, чем земной близнец; он возвращается и находит своего брата постаревшим или даже мертвым. Инопланетный посетитель Земли наблюдал бы то же явление по возвращении на свою родную планету: его оставшиеся дома братья и сестры (если у инопланетян есть братья и сестры) были бы старше или давно умерли. Такое поведение, безусловно, противоречит нашему опыту, но это не парадокс – скорее, печальный факт межзвездных путешествий.^[12]

Так называемый парадокс файервола (огненной стены) гораздо моложе парадокса близнецов. Он был впервые предложен в 2012 году,^[13] и с тех пор шквал статей пытался разрешить лежащую в его основе загадку. На момент написания никому не удалось потушить файервол; он остается тревожной проблемой для теоретической физики. Парадокс возникает из-за очевидного противоречия между предсказаниями, сделанными тремя фундаментальными теориями физики: квантовой теорией, общей теорией относительности и комплементарностью.

Квантовая теория – наша лучшая теория физических процессов, происходящих в природе. Это вероятностная теория, что означает, что она не предсказывает, что произойдет определенно; скорее, она дает вероятность того, что произойдет какое-то конкретное событие. Таким образом, квантовая теория имеет смысл только в том случае, если вероятности всех различных исходов события в сумме равны 1. Если вы сложите вероятности всех возможных исходов и обнаружите, что результат равен 0,8 или 1,3 или любому значению, кроме 1, – то результат бессмысленен. Отсюда следует, что информация в квантовой теории не может быть потеряна и не может быть клонирована: если бы информация каким-то образом исчезла или могла быть скопирована, то вероятности не суммировались бы до 1, и результат был бы бессмысленным.

Общая теория относительности, наша лучшая теория гравитации, является классической, а не квантовой теорией. Другими словами, она дает определенное предсказание исхода события, а не диапазон вероятностей для различных возможных исходов. Общая теория относительности описывает гравитацию в терминах искривления пространства-времени, и одно из ее предсказаний состоит в том, что когда искривление пространства-времени становится достаточно сильным, может образоваться черная дыра. Черная дыра – это область пространства, где даже сам свет движется недостаточно быстро, чтобы вырваться из тисков гравитации. Черную дыру окружает горизонт событий, «поверхность невозврата». Если вы находитесь вне горизонта событий, то всегда возможно, хотя бы в принципе, покинуть окрестности черной дыры; однако, если вы пересечете горизонт событий, любая попытка покинуть черную дыру неизбежно закончится неудачей. Важно отметить, что согласно общей теории относительности вы не заметите ничего особенного при пересечении горизонта событий; нет знака, отмечающего границу в пространстве, за которой лежит черная дыра. Обычная аналогия – гребная лодка на реке с все более быстрым течением, которое завершается водосливом. Река содержит точку невозврата, за которой мускульная сила любого гребца не сможет преодолеть течение. Если лодка пройдет точку невозврата, ее судьба решена: она будет унесена через водослив. Но ничто в реке не отмечает эту точку невозврата, и лодка может спокойно проплыть мимо этой точки, не заметив никаких изменений. То же самое и с горизонтом событий, окружающим черную дыру.

В середине 1970-х Стивен Хокинг представил физике информационный парадокс черной дыры. Хокинг показал, что черные дыры на самом деле излучают: квантовые эффекты вблизи поверхности горизонта событий означают, что частицы могут покинуть окрестности горизонта. Черные дыры испускают так называемое излучение Хокинга, и это излучение несет с собой информацию и энергию. Этот эффект приводит к тому, что черная дыра теряет энергию, что, в свою очередь, означает, что она сжимается. В конце концов, черная дыра испаряется. Вопрос в том, что происходит с информацией, которая находилась внутри черной дыры? Если информация уносится излучением Хокинга, то информация должна была быть клонирована: информация не могла вырваться из-за горизонта событий. Но наличие двух копий информации нарушает квантовую теорию, потому что это означало бы, что вероятности не суммируются до единицы. Так, может быть, информация исчезает, когда черная дыра испаряется? Но исчезновение информации нарушает квантовую теорию, потому что это означало бы, что вероятности не суммируются до единицы. Мы имеем парадокс: квантовая теория и общая теория относительности, по-видимому, дают противоречивые описания того, что происходит с любой информацией, которая может упасть в черную дыру.

В начале 1990-х Леонард Сасскинд и его коллеги предложили нечто под названием комплементарность в качестве решения информационного парадокса черной дыры. Идея Сасскинда заключалась в том, что в некотором смысле проблема заключается в перспективе: наблюдатели внутри и снаружи горизонта событий видят разные вещи. Наблюдатель вне черной дыры видит, как информация собирается на горизонте событий, а затем в конечном итоге покидает черную дыру в виде излучения Хокинга. Наблюдатель внутри черной дыры видит информацию как находящуюся внутри горизонта событий. Поскольку два наблюдателя не могут общаться, парадокс избегается. Предложение Сасскинда в некотором смысле позволяет информации быть как внутри, так и снаружи горизонта событий таким образом, что это не нарушает требований квантовой теории. Его предложение получило поддержку в 1997 году, когда Хуан Малдасена предложил идею,^[14] называемую AdS/CFT соответствием. Идея гласит, что теория струн (которая автоматически содержит гравитацию) эквивалентна квантовой теории без гравитации в пространстве меньшего числа измерений. Статья Малдасены оказала огромное влияние, потому что она позволяет физикам решать проблемы, которые иначе были бы слишком сложными: если проблема неразрешима в одном режиме, просто переключитесь на другой режим, где она может быть разрешима, выполните там работу, а затем вернитесь в исходный режим. Как бы безумно это ни звучало, AdS/CFT соответствие утверждает, что трехмерное внутреннее пространство черной дыры с гравитацией эквивалентно квантовой теории без гравитации, которая находится прямо над двумерной поверхностью горизонта. Множество теоретических работ, основанных на этом соответствии, казалось, подтверждали предложение о комплементарности. Казалось, что информация не теряется, квантовая теория спасена, и информационный парадокс решен.

Однако в 2012 году четыре физика (Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли, известные под общим названием AMPS) обнаружили нечто тревожное, когда попытались описать процесс испарения черной дыры в терминах комплементарности. Согласно их анализу, когда черная дыра прошла примерно половину процесса испарения, она потеряла так много информации через излучение Хокинга, что оставшейся информации на двумерной поверхности горизонта недостаточно для представления трехмерного внутреннего пространства черной дыры с гравитацией. Это проявляется в явлении, которое AMPS назвали файерволом: наблюдатель, падающий в черную дыру, сгорает дотла на поверхности чуть выше горизонта событий. Но этот эффект просто не должен происходить согласно общей теории относительности: ничто в пространстве не должно отмечать «поверхность невозврата». Таким образом, парадокс вернулся, и стал еще хуже, потому что теперь у нас есть три элемента, борющихся за внимание: квантовая теория, общая теория относительности и комплементарность. На момент написания ситуация является запутанной. Ясность в конечном итоге вернется – возможно, с вкладом из отдельной области науки, такой как теория информации – и, разрешив парадокс файервола, мы больше узнаем о некоторых фундаментальных концепциях физики.