Д. Ш.: Нобелевская премия по физике присуждается, когда теория «проверена временем». На практике это означает наличие веских доказательств. Например, Питер Хиггс был одним из ученых, которые еще в 1960-х годах предполагали существование частицы, благодаря которой другие частицы приобретают массу. Почти пятьдесят лет спустя два независимых детектора на БАК зарегистрировали признаки объекта, ставшего известным как бозон Хиггса. Это был триумф науки и технологии, гениальной теории и ее неопровержимого доказательства. В итоге Питер Хиггс и бельгийский ученый Франсуа Энглерт были удостоены высшей научной награды. Что же касается излучения Хокинга, то пока никаких доказательств этого эффекта не обнаружено. Некоторые ученые предполагают, что зафиксировать его слишком сложно. Но это все еще может случиться, потому что с каждым годом наши знания о черных дырах умножаются.
Частицы, улетая от черной дыры, уменьшают ее массу, в результате чего черная дыра сокращается в размерах[14]. С уменьшением размера черная дыра излучает все интенсивнее. В конце концов она теряет всю свою массу и попросту исчезает. Возникает вопрос: что же тогда происходит со всеми частицами и незадачливыми космонавтами, когда-то давно попавшими в черную дыру? Они же не могут возникнуть снова, когда черная дыра исчезнет. Получается, что информация о том, что упало в черную дыру, пропала. Если не считать общей массы, скорости вращения и электрического заряда. Потеря информации приводит к серьезной проблеме, которая затрагивает самую суть нашего понимания науки[15].
Более двух веков ученые верили в научный детерминизм, согласно которому эволюция Вселенной подчиняется законам физики. Этот принцип сформулировал Пьер-Симон Лаплас. Он писал, что если нам известно положение Вселенной в какой-то момент времени, то законы физики определят ее положение в любой момент в будущем или прошлом. Наполеон как-то спросил Лапласа, как концепция Бога вписывается в такую полностью детерминированную картину мира. «Сир, – отвечал Лаплас, – я не нуждаюсь в этой гипотезе»[16]. Я не думаю, что Лаплас отрицал существование Бога – он говорил только о его невмешательстве в законы физики. Таковой должна быть позиция любого ученого. Научный закон не является подлинно научным, если опирается только на решение какого-либо сверхъестественного существа о том, выполняться этому закону или нет.
В концепции детерминизма Лапласа для предсказания будущего поведения некоторой системы необходимо знать точные положения и скорости всех частиц этой системы в некоторый момент времени. Но ведь есть принцип неопределенности Гейзенберга, который был сформулирован им в 1923 году и лег в основу квантовой механики[17].
Он постулирует, что чем более точно вы определяете положения частиц, тем менее точно вы можете определить их скорости, и наоборот. Другими словами, невозможно точно знать и положения, и скорости частиц. Как же тогда точно предсказать будущее поведение системы? Ответ такой: хотя и нельзя предсказать отдельно положения и скорости, но можно прогнозировать то, что называется «квантовым состоянием». Квантовое состояние – это нечто такое, из чего могут быть выведены и положения, и скорости, но только с некоторой точностью. Мы по-прежнему считаем, что Вселенная должна быть детерминированной – в том смысле, что если мы знаем квантовое состояние Вселенной в некоторый момент времени, то с помощью законов физики мы можем предсказать квантовое состоянии Вселенной в любой другой момент времени.
Д. Ш.: Начав с объяснений того, что происходит вблизи горизонта событий черной дыры, мы углубились в исследование некоторых важных философских вопросов в науке – перешли от точного, как часы, мира Ньютона к законам Лапласа, а потом к неопределенности Гейзенберга – и к тем аспектам, где его принцип перестает быть бесспорным ввиду загадочных свойств черных дыр. По сути, если согласно общей теории относительности Эйнштейна попадающая в черную дыру информация уничтожается, в квантовой теории информация не может быть уничтожена.
Если информация навсегда исчезает в черной дыре, мы не сможем предсказать будущее, потому что черная дыра может излучать любой набор частиц. Она может в принципе излучать работающие телевизоры или полное собрание сочинений Шекспира в кожаном переплете, хотя вероятность таких «экзотических излучений» будет ничтожно мала. На первый взгляд может показаться, что невозможность предсказать, что именно выйдет из черной дыры, не слишком-то важна. Рядом с нами ведь нет черных дыр. Но это дело принципа.
Если детерминизм, то есть предсказуемость Вселенной, нарушается при наличии черных дыр, то он может нарушиться и в другом контексте. Что еще хуже, если детерминизм в принципе может нарушаться, мы не можем быть уверенными не только в предсказании будущего, но и в знании прошлого. Учебники истории, наши воспоминания – все может оказаться иллюзией. Прошлое – это то, что рассказывает нам о том, кто мы есть. Не зная этого, мы теряем самих себя.
И поэтому чрезвычайно важно понять, действительно ли в черных дырах информация исчезает навсегда или гипотетически она может быть восстановлена. Многие ученые придерживались того мнения, что информация не теряется, но никто не предложил механизма, который помог бы ее сохранить17. Я думаю, что нашел ответ. Он имеет отношение к идее Ричарда Фейнмана, согласно которой вместо одной истории есть множество возможных историй, и все они разновероятны[18]. При таком подходе существуют два вида истории: в одной есть черная дыра, в которую могут падать частицы, а в другой ничего такого нет.
Вообще говоря, с точки зрения внешнего наблюдателя нельзя быть уверенным наверняка, существует черная дыра или нет. Так что всегда есть шанс, что черной дыры нет [19]. Такой возможности достаточно для сохранения информации, однако информация возвращается в виде, сложном для восприятия. Это как сжечь энциклопедию: в буквальном смысле информация не теряется, если сохранить весь дым и пепел, но такую книгу очень и очень трудно читать… Кип Торн и я поспорили с другими физиком, Джоном Прескиллом, что информация теряется в черных дырах. Но я обнаружил, что информация может быть сохранена, и проиграл. Тогда я подарил Джону Прескиллу энциклопедию. Быть может, нужно было вручить ему ее пепел.
Д. Ш.: Теоретически – и с чисто детерминистической позиции по отношению ко Вселенной – вы можете сжечь энциклопедию, а потом восстановить ее в том случае, если вам известны характеристики и положение каждого атома, который составлял каждую молекулу чернил и бумаги, и если вы можете отследить их в любой момент времени.
В настоящее время я работаю в Кембридже с моими коллегами Малколмом Перри и Эндрю Стромингером из Гарварда над новой теорией, в основе которой лежит математическая модель, называемая супертрансляцией. Мы хотим разработать механизм возвращения информации из черной дыры. Согласно нашей теории, информация кодируется на горизонте событий черной дыры. Нужно просто посмотреть внимательнее в нужное место!
Д. Ш.: С тех пор как были записаны эти лекции, профессор Хокинг и его коллеги опубликовали статью, где приводится пример математических расчетов, показывающих, как информация может быть сохранена на горизонте событий черной дыры. Их теория основана на преобразовании информации в двумерную проекцию в результате процедуры супертрансляции[20]. Статья, названная «Мягкие волосы черной дыры», позволяет познакомиться с эзотерическим характером этой области, который в полной мере иллюстрирует аннотация, приведенная в конце этой лекции. Там же рассказано о проблемах, с которыми сталкиваются ученые, пытаясь объяснить этот математический феномен.
Что все вышенаписанное может сказать нам о возможности нырнуть в черную дыру и вынырнуть в другой вселенной? Существование параллельных историй – с черными дырами и без них – свидетельствует, что такое в принципе возможно. Черная дыра должна быть большой, и если она вращается, то может препроводить нас в другой мир. Однако нельзя будет вернуться обратно. И хоть я и увлечен идеей передвижения в космическом пространстве таким образом, я не собираюсь ее испытывать.
Д. Ш.: Если черная дыра вращается, то ее внутренняя часть не содержит сингулярности в общепринятом смысле этого слова, то есть точки с бесконечной плотностью. Вместо этого там может быть сингулярность в виде кольца, что дает повод порассуждать не только на тему крушения в центр черной дыры, но и о возможности пронырнуть сквозь нее. То есть возможности навсегда покинуть ту Вселенную, которую мы так хорошо знаем. Стивен Хокинг заключает свое выступление смелой мыслью: нечто может оказаться по ту сторону черной дыры.
В этой лекции я хотел донести до вас, что черные дыры совсем не так черны, как их малюют. Они отнюдь не вечная тюрьма, как однажды представляли. Объекты могут покидать черную дыру и возвращаться в нашу Вселенную или, быть может, попадать в другую. А потому если вы почувствуете, что оказались в черной дыре, не паникуйте: выход есть!
Мягкие волосы черной дыры[21]Стивен У. Хокинг, Малколм Дж. Перри[22], Эндрю Стромингер[23]
Аннотация
Как недавно было показано, существование BMS-симметрий супертрансляции предполагает бесконечное число законов сохранения для всех гравитационных теорий в асимптотически плоских пространствах