Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Физика занимается предсказанием будущего. Не того будущего, которое связано с развитием человеческого общества или падением и ростом акций на бирже, – эти вещи практически непредсказуемы и пусть ими занимаются другие дисциплины. Мы, физики, работаем с материей и энергией в их простейших формах. Частицы. Свет. Разные вещества. Жидкости. Мы создаем теории этих объектов и выводим законы, которым они следуют. Это делается для того, чтобы понять, как различные системы, состоящие из материи и энергии, взаимодействуют друг с другом и развиваются с течением времени.

Итак, если главная задача физики – предсказание, неудивительно, что основное требование, предъявляемое к физическим теориям, – способность рассчитать последующее состояние системы, если известно ее текущее состояние. Здесь и вступает в игру информация – под «состоянием» системы физики понимают совокупность данных об объекте, а данные и есть информация.

Мы видели, что в квантовой теории основная информация о системе закодирована в ее волновой функции. Эта волновая функция изменяется с течением времени, отражая эволюцию состояния системы, и, если мы знаем волновую функцию в некоторый момент времени, по правилам теории можно рассчитать, какой будет волновая функция в любой другой момент времени. Таким образом, если мы знаем волновую функцию атома в настоящий момент времени и хотим узнать вероятность того, что через минуту он будет обладать теми или иными свойствами, мы можем воспользоваться волновой функцией.

Не менее важно то, что мы можем проделать вычисления «наоборот» – с помощью волновой функции, известной в некоторый момент времени, восстановить, какой она была в более раннее время. И о прошлом, и о будущем можно извлечь информацию из волновой функции. Физики называют эту особенность унитарной эволюцией или просто унитарностью. Свойство унитарности – один из наиболее фундаментальных принципов математики и физики квантовой теории.

Речной песок, перемешанный с водой, не делает воду соленой. В отличие от песка, морская соль, смытая океанской волной во время прибоя, растворится в воде. Различные вещества в природе могут претерпевать разные преобразования, но каждое вещество, каждая молекула, частица и каждый атом имеют свои особенности и характеристики, по-разному реагируя, когда их погружают в воду, пытаются сжечь или подвергают удару. В принципе, даже от двух горящих книг дым будет отличаться, отражая особенности печатной продукции. Это следствие унитарности, которое означает, что, анализируя результат процесса, мы можем (в принципе) узнать начальное состояние системы: если вода в стакане соленая, мы понимаем, что не песок, а соль подмешана в воду.

Именно эта особенность отличает черные дыры от любого другого объекта во Вселенной. Если подбросить в черную дыру крупинки соли и песка, они немного увеличат ее массу, но этим дело и ограничится: никакого другого изменения с черной дырой не произойдет. Таким образом, характеристики, которые отличали одно вещество от другого, более не существуют. И, поскольку эффект от «вброса» в черную дыру этих двух веществ будет одинаков, снаружи нельзя будет в дальнейшем определить, что же именно упало в черную дыру. Начинаются проблемы с унитарностью: получается, что, если черная дыра поглотила материю, мы не можем больше использовать информацию о текущем состоянии системы, чтобы восстановить ее прошлое. Прошлое скрыто от нас. Оно просто стерто.

Но поглощает ли на самом деле черная дыра материю? Рассмотрим мысленный эксперимент. Допустим, Кип и Стивен находятся в космических кораблях, каждый в своем. Они исследуют пространство, находясь на некотором удалении от черной дыры. Кип решает посмотреть, на что похожа черная дыра изнутри, и «ныряет» на своем корабле под горизонт событий, попутно отмечая все, чему он при этом становится свидетелем. С грустью приходится констатировать, что он, оказавшись под горизонтом событий черной дыры, ни с кем не сможет поделиться своими открытиями, потому что и он сам, и его послания навсегда останутся под этим горизонтом. Именно такой сценарий часто описывают в научно-популярной литературе, когда рассказывают о физике черных дыр. Но рассматривать события с точки зрения Кипа здесь не совсем уместно. Чтобы понять суть проблемы потери информации, следует рассматривать события с точки зрения Стивена, который остался снаружи и наблюдает за Кипом.

С точки зрения Стивена, Кип никогда не упадет в черную дыру. Действительно, наблюдатель, который сохраняет определенную дистанцию на подлете к черной дыре, никогда не увидит окончательное падение в нее никакого объекта. Это происходит потому, что в восприятии этого наблюдателя само время поблизости от черной дыры начинает замедляться. Если бы удаленный наблюдатель мог услышать тиканье часов на космическом корабле, приближающемся к черной дыре, он убедился бы, что часы эти тикают все реже и реже. И точно так же объекты, приближающиеся к черной дыре, будут двигаться все медленнее и, наконец, замедлятся настолько, что наблюдателям со стороны будет казаться, что они вообще остановились [19] Общая теория относительности гласит, что колебания световых волн, испускаемых объектами, находящимися рядом с черной дырой, из-за замедления времени будут все более медленными. Частота колебаний, в конце концов, уменьшится настолько, что объекты, испускающие этот свет, нельзя будет обнаружить с помощью современных технологий. Поэтому вопрос о том, упали эти объекты в черную дыру или все еще висят над горизонтом событий, становится практически неразрешимым и даже бессмысленным. . Итак, хотя отважный наблюдатель – в нашем случае это Кип Торн, падающий в черную дыру, – и фиксирует происходящие внутри события со своей точки зрения, сторонний наблюдатель – Стивен – увидит, что все объекты, включая Кипа, замедляются и затем останавливаются на границе с черной дырой. Стивену будет казаться, что Кип застрял на ее поверхности.