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

• Название: Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики
• Автор: Леонард Сасскинд
• Издательство: Питер
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-496-00395-7

Что происходит, когда объект падает в черную дыру? Исчезает ли он бесследно?

Около тридцати лет назад один из ведущих исследователей феномена черных дыр, ныне знаменитый британский физик Стивен Хокинг заявил, что именно так и происходит. Но оказывается, такой ответ ставит под угрозу все, что мы знаем о физике и фундаментальных законах Вселенной. Автор этой книги, выдающийся американский физик Леонард Сасскинд много лет полемизировал со Стивеном Хокингом о природе черных дыр, пока, наконец, в 2004 году, тот не признал свою ошибку.

Блестящая и на редкость легко читаемая книга рассказывает захватывающую историю этого многолетнего научного противостояния, радикально изменившего взгляд физиков на природу реальности. Новая парадигма привела к ошеломляющему выводу о том, что все в нашем мире — эта книга, ваш дом, вы сами — лишь своеобразная голограмма, проецирующаяся с краев Вселенной.

Книга включена в «Библиотеку Фонда «Династия».

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2001 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления деятельности Фонда — поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. «Библиотека Фонда «Династия» — проект Фонда по изданию современных научно-популярных книг, отобранных экспертами-учеными.

Книга, которую вы держите в руках, выпущена под эгидой этого проекта.

Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.com

---

Уже некоторое время мы втроем искали, как обойти парадоксальный вывод Стивена, и идея начала выкристаллизовываться. Пока она была лишь смутным образом, у которого не было даже названия, но пришла пора действовать.

«Я считаю, что мы втроем должны собрать вместе разрозненные нити нашей полусырой идеи и, даже если мы не можем ее доказать, попытаться сделать ее более точной. Даже акт именования новой концепции может иногда добавить ясности. Предлагаю нам вместе написать статью о дополнительности черных дыр, а я представлю новую идею на конференции в Санта-Барбаре».

Рассказ «Не забудьте принять антигравитационные пилюли» (см. главу 13) — хорошее начало для объяснения того, что я задумал. Подобно фильму Акиры Куросавы «Ворота Расёмон», это история, увиденная глазами разных участников и приводящая к совершенно противоположным выводам. По одной из версий (императора и графа), Стив, преследуемый физик, аннигилировал в невероятно горячей среде, окружающей горизонт. Но, согласно Стиву, у истории был иной, куда более счастливый конец. Очевидно, что одна из версий ошибочна (а возможно, и обе); Стив не мог и выжить, и погибнуть у горизонта.

«Суть дополнительности черных дыр, — объяснял я коллегам, — в том, что, как бы безумно это ни звучало, обе истории в равной мере истинны».

Двое моих друзей были озадачены. Я уже не помню, что говорил им дальше, но это, вероятно было что-то в таком духе. Все, кто остаются вне черной дыры, — граф, император, его лояльные подданные — видят одно и то же[99]: Стив разогревается, испаряется и превращается в хокинговское излучение. Но что важно, все эго происходит до того, как он достигнет горизонта.

Как придать этому смысл? Единственный способ, совместимый с законами физики, — допустить, что непосредственно над горизонтом существует некий чрезвычайно горячий слой, возможно, толщиной не больше планковской длины. Я признался Джону и Ларусу, что не представляю в точности, из чего этот слой может состоять, но объяснил, что наличие энтропии у черной дыры подразумевает, что этот слой должен состоять из крошечных объектов, скорее всего, не больше планковского размера. Горячий слой будет впитывать все, что падает на горизонт, подобно тому как капля чернил растворяется в воде. Я помню, что называл неизвестные крошечные объекты атомами горизонта, но, конечно, я не имел в виду обычные атомы. Я знаю об этих атомах горизонта не больше, чем физики девятнадцатого века знали об обычных атомах: только то, что они существуют.

Этот горячий слой материи надо было как-то называть. Астрофизики уже предложили термин, на котором я в итоге остановился. Они использовали для анализа некоторых электрических свойств черных дыр идею воображаемой мембраны, окружающей черную дыру над самым горизонтом. Эту воображаемую поверхность они называли растянутым горизонтом, однако я предполагал, что на расстоянии планковской длины над горизонтом существует реальный слой материи, а не воображаемая поверхность. Более того, я утверждал, что любой эксперимент — например, опускание градусника для измерения температуры — подтвердит существование атомов горизонта[100].

Мне понравился термин «растянутый горизонт», и я приспособил его для моих собственных нужд. Сегодня растянутый горизонт — стандартное понятие в физике черных дыр. Оно означает тонкий слой горячих микроскопических «степеней свободы», расположенных на расстоянии примерно одной планковской длины над горизонтом.

Растянутый горизонт

Растянутый горизонт помогает нам понять, как испаряются черные дыры. Время от времени один из энергичных атомов горизонта получает более сильный, чем обычно, толчок и выбрасывается с поверхности в космос. Можно представлять себе растянутый горизонт как тонкий горячий слой атмосферы. В этом случае испарение черной дыры будет очень похоже на то, как земная атмосфера постепенно рассеивается в открытом космосе. Но в дополнение к тому, раз черная дыра теряет массу при испарении, она также должна уменьшаться.

Но это лишь половина истории — видимая с наблюдательного пункта вне черной дыры. Саму по себе эту половину не назовешь особенно радикальной. Вещество падает в горячий суп. Суп испаряется. Биты информации уносятся вместе с паром. Все вполне обыденно. Если бы речь шла о чем угодно, кроме черной дыры, такое объяснение казалось бы ничем не примечательным.

Но что, если посмотреть изнутри или, если точнее, с точки зрения свободно падающего наблюдателя? Будем называть это версией Стива, и она будет выглядеть противоречащей наблюдениям снаружи (версии императора и графа).

Я выдвигаю два постулата.

1. Для любого наблюдателя, остающегося вовне черной дыры, растянутый горизонт выглядит как горячий слой атомов горизонта, который поглощает, перемешивает и в конце концов испускает (в форме хокинговского излучения) каждый бит падающей в черную дыру информации.

2. Для свободно падающего наблюдателя горизонт выглядит абсолютно пустым пространством. Такие свободно падающие наблюдатели не обнаруживают на горизонте ничего особенного, хотя он и является для них точкой невозврата. С разрушительными силами они встречаются позже, когда приближаются к сингулярности.

Добавлять сюда еще и третий постулат будет некоторым перебором, но я все же это сделаю.

3. Постулаты 1 и 2 оба истинны, а кажущееся противоречие не является реальным.

Ларус отнесся к этому скептически. Как это может быть, спрашивал он, чтобы две несовместимые друг с другом истории обе были правдивыми? Имеется внутреннее противоречие в утверждении, что падающий Стив погиб на горизонте и при этом прожил еще миллион лет. Элементарная логика говорит, что утверждение и его отрицание не могут вместе быть истинными. На самом деле я и сам задавался тем же вопросом.

На втором этаже физического факультета в Стэнфорде выставлена голограмма. Свет, отражающийся от двумерной пленки с беспорядочным узором темных и светлых пятнышек, фокусируется в пространстве и создает висящее в воздухе трехмерное изображение молодой симпатичной девушки, подмигивающей вам, когда вы проходите мимо.

Можно обойти вокруг иллюзорного образа и осмотреть его с разных сторон. Мы с Ларусом и Джоном время от времени задерживались возле голограммы. Теперь я в шутку сказал Аарусу, что поверхность черной дыры — горизонт — должна быть голограммой, двумерным снимком всей трехмерной материи внутри черной дыры. Ларус на это не купился. Я тоже, по крайней мере не в тот раз. На самом деле я не понял смысла своего собственного замечания.

Но я продолжал думать об этом какое-то время и нашел более серьезный ответ. Физика — это экспериментальная и наблюдательная наука; если отбросить все умственные построения, то в остатке будет совокупность экспериментальных данных, а также математические уравнения, которые эти данные обобщают. Подлинное противоречие — это не расхождение между двумя умозрительными картинами. Такие картины больше связаны с ограничениями, наложенными нашим эволюционным прошлым, нежели с реальной действительностью, которую мы пытаемся понять. Подлинное противоречие обнаруживается лишь тогда, когда эксперименты приводят к противоречащим результатам. Например, если два одинаковых термометра, опущенных в сосуд с горячей водой, дадут разное значение температуры, мы вряд ли признаем такой результат; нам будет ясно, что с одним из термометров что-то не в порядке. Умозрительные представления важны для физики, но, если кажется, что они ведут к противоречию, когда в данных противоречия нет, значит, неверны именно представления.

Можем ли мы прийти к подлинному противоречию, если постулируем, что обе связанные с черной дырой истории — и Стива, и графа — истинны? Чтобы выявить противоречие, два наблюдателя должны встретиться после завершения эксперимента и сравнить свои записи. Но если одни наблюдения сделаны под горизонтом, а другой наблюдатель никогда его не пересекал, значит, по самому определению горизонта, они не могут встретиться, чтобы сравнить свои данные. Так что в реальности нет противоречия, есть только плохая умозрительная картина.

Джон спросил меня, что бы сказал на это Хокинг. Мой ответ оказался весьма точным: «О, Стивен бы улыбнулся».

Дополнительность

Слово «дополнительность» ввел в физику легендарный отец-основатель квантовой механики Нильс Бор. Бор и Эйнштейн были друзьями, но они постоянно спорили о парадоксах и кажущихся противоречиях этой теории. Истинным отцом квантовой механики был Эйнштейн, но он ее терпеть не мог и приложил все свои беспримерные интеллектуальные силы к тому, чтобы пробить брешь в ее логических основаниях. Раз за разом Эйнштейн думал, что нашел противоречие, и раз за разом Бор отражал его атаки своим излюбленным оружием — дополнительностью.