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

Но другие считали такой взгляд близоруким. Для них мысль о двух несовместимых, даже противоречащих друг другу описаниях природы была интеллектуально непереносимой. Они верили, что гравитация почти наверняка играет важную роль в определении свойств мельчайших строительных блоков материи. Проблема лишь в том, что физика до них еще не докопалась. И на деле они оказались правы: с приближением к фундаменту мира, где расстояния слишком малы для непосредственного наблюдения, мельчайшие объекты сильнейшим образом воздействуют друг на друга посредством гравитации.

Сегодня широко признано, что гравитация и квантовая механика будут играть одинаково важные роли в определении законов поведения элементарных частиц. Но размеры фундаментальных строительных блоков природы столь невообразимо малы, что никого не удивит, если для их понимания вновь понадобится радикальная перепрошивка наших представлений. Новая схема, какой бы она ни оказалась, будет называться квантовой гравитацией. Даже не зная ее тонкостей, мы можем с уверенностью говорить, что новая парадигма будет использовать очень непривычные концепции пространства и времени. Представление об объективной реальности точек пространства и моментов времени исчезает, отправляясь в небытие вслед за одновременностью,[7] детерминизмом[8] и птицей додо. Квантовая гравитация описывает гораздо более субъективную реальность, чем мы могли себе представить. Как мы увидим в главе 18, это реальность, которая во многих отношениях подобна призрачной трехмерной иллюзии, даваемой голограммой.

Физики-теоретики стремятся обрести надежную опору в этой «стране чужих». Как и в прошлом, мысленные эксперименты выявляют парадоксы и конфликты между фундаментальными принципами. Эта книга посвящена интеллектуальной битве вокруг единственного мысленного эксперимента. В 1976 году Стивен Хокинг задумался о бросании порции информации — книги, компьютера, даже просто элементарной частицы — в черную дыру. Черные дыры, считал Хокинг, — это безвозвратные ловушки, и для внешнего мира упавшая порция информации будет необратимо потеряна. Это внешне невинное заключение далеко не столь безобидно, как кажется: оно способно подорвать и опрокинуть все величественное здание современной физики. Случился какой-то страшный сбой: под угрозой оказался самый фундаментальный закон природы — закон сохранения информации. Тем, кто следил за событиями, было ясно: либо Хокинг ошибается, либо трохсотлетняя цитадель физики падёт.

Но поначалу мало кто обратил на это внимание. Почти два десятилетия дискуссия протекала практически незаметно. Мы с великим голландским физиком Герардом 'т Хоофтом вдвоем являли собой всю армию, которая сражалась на одной стороне интеллектуального фронта. Стивен Хокинг с небольшой армией релятивистов был на другой стороне. Вплоть до начала 1990-х годов большинство физиков-теоретиков, особенно специалистов по теории струн, не реагировали на угрозу, которую несло утверждение Хокинга, а затем большинство из них сочли его выводы ошибочными. Во всяком случае — пока ошибочными.

Битва при черной дыре была подлинной научной дискуссией, совершенно непохожей на псевдодебаты вокруг «теории разумного замысла» или реальности глобального потепления, где фальшивые аргументы, придуманные политическими манипуляторами, чтобы морочить голову наивным людям, совершенно не отражают реальных научных разногласий. Напротив, спор о черных дырах был настоящим. Выдающиеся физики-теоретики не могли прийти к согласию о том, каким физическим принципам доверять, а от каких отказаться. Следовать за Хокингом с его консервативными представлениями о пространстве-времени или за 'т Хоофтом и мной с нашими консервативными взглядами на квантовую механику? Обе точки зрения, казалось, ведут к лишь парадоксам и противоречиям. Либо пространство-время — сцена, на которой работают законы природы, — совсем не такое, каким мы привыкли его себе представлять, либо ошибочны великие принципы возрастания энтропии и сохранения информации. Миллионы лет когнитивной эволюции и пара столетий физического опыта вновь одурачили нас, поставив перед необходимостью новой умственной перепрошивки.

Битва при черной дыре — это торжество человеческого разума и его замечательной способности открывать законы природы. Это рассказ о мире, куда более далеком от наших чувств, чем квантовая механика и теория относительности. Квантовая гравитация имеет дело с объектами, которые в сто миллиардов миллиардов раз меньше протона. Мы никогда экспериментально не обнаруживали столь малые предметы и, вероятно, никогда не обнаружим, но человеческая изобретательность позволила нам установить их существование, и удивительным образом порталами в их мир служат объекты с огромными массами и размерами — черные дыры.

Битва при черной дыре — это также хроника открытия. Голографический принцип — одна из самых контринтуитивных абстракций во всей физике. Он явился кульминацией почти двух десятилетий интеллектуальных сражений вокруг судьбы информации, падающей в черную дыру. Это не была битва между разгневанными врагами; на самом деле все основные участники битвы были друзьями. Но это была жестокая интеллектуальная борьба идей, ведущаяся людьми, которые глубоко уважают друг друга, однако имеют принципиальные разногласия.

Существует одно широко распространенное недоразумение, которое следует развеять. Люди часто представляют физиков, особенно физиков-теоретиков, как узколобых зануд, чьи интересы чужды обычным людям и очень скучны. Ничто не может быть дальше от истины. Великие физики, которых я знал, а их было немало, — это чрезвычайно харизматичные люди, с сильными чувствами и удивительными идеями. Мне бесконечно интересно разнообразие их личностей и способов мышления. Когда широкой публике рассказывают о физиках, обходя их человеческую сторону, то, на мой взгляд, упускают что-то очень важное. При написании этой книги я постарался ухватить эмоциональную сторону истории в той же мере, в какой и научную.

В этой книге вы встретите множество очень больших и очень малых чисел. Человеческий мозг не приспособлен визуализировать числа много больше 100 и много меньше 1/100, хотя свои способности в этом деле можно развить. Например, я, постоянно имея дело с числами, могу более или менее наглядно представить себе миллион, однако разница между триллионом и квадриллионом выходит за пределы моих способностей к визуализации. Многие числа в этой книге намного больше триллионов и квадриллионов. Как с ними обращаться? Ответ основан на одной из важнейших перепрошивок всех времен — изобретении экспоненциальной, или научной, нотации для записи чисел.

Начнем с очень большого числа. Население Земли составляет около 6 миллиардов человек[9]. Миллиард — это 10, умноженное само на себя девять раз. Его можно представить, приписав к единице девять нулей:

Один миллиард = 10х10х10х10х10х10х10х10х10 = 1000 000 000.

В сокращенной форме 10, помноженное на себя девять раз, записывается как 109, или десять в девятой степени. Таким образом, население Земли — это примерно:

6 миллиардов = 6 X 109.

В данном случае 9 является показателем или порядком величины.

А вот другое, куда большее число — общее количество протонов и нейтронов в составе Земли:

число протонов и нейтронов в Земле (примерно) = 5 X 1051.

Очевидно, что их значительно больше, чем людей. Но насколько больше? Десять в пятьдесят первой степени — это результат перемножения пятидесяти одной десятки, а миллиард — только девяти. Так что у 1051 на 42 таких сомножителя больше, чем у 109. Это значит, что ядерных частиц на Земле примерно в 1042 раз больше, чем людей. (Заметьте, что я проигнорировал множители 5 и 6 в приведенных формулах. Они не слишком отличаются друг от друга, так что, если нам достаточно «оценки по порядку величины», ими можно просто пренебречь.)

Возьмем два действительно больших числа. Общее число электронов в той области Вселенной, которую можно наблюдать с помощью самых мощных телескопов, составляет около 1080. Общее число фотонов[10] — около 1090. Может показаться, что 1090 не намного больше, чем 1080, но это обманчивое впечатление: 1090 в 1010 раз больше, чем 1080, а 10 000 000 000 — это очень большое число. Внешне кажется, что 1080 и 1081 — это почти одно и то же, между тем второе число в десять раз больше первого. Так что даже небольшое изменение порядка величины может означать огромное изменение записанного числа.

Теперь рассмотрим очень маленькие числа. Размер атома, например, составляет примерно десятимиллиардную долю метра. В десятичной записи: размер атома = 0,0000000001 м.