Это парадокс. Когда черные дыры испаряются, информация оказывается невосстановимо потерянной, но квантовая теория говорит, что это невозможно. Постепенно до физиков дошло, что в своем остроумном мысленном эксперименте Стивен набрел на фантастически глубокую и трудную проблему, возникающую, когда теория относительности и квантовая теория одновременно применяются для решения одной и той же задачи. Построив то, что казалось идеально удачным полуклассическим сплавом обеих теорий[186], он показал, что бездна, разделяющая эти теории, на деле гораздо глубже и шире, чем он или кто-либо другой мог подумать. Парадокс судьбы информации, скрытой внутри испаряющихся черных дыр, стал самой интригующей загадкой теоретической физики конца XX века, доводившей до умоисступления не одно, а два поколения физиков. В каком-то смысле эта проблема оказалась современным аналогом загадки аномальной орбиты Меркурия в XIX столетии. Тогда искажение формы орбиты Меркурия бросило вызов теории Ньютона. Теперь информационный парадокс черной дыры стал маяком, указывавшим путь в поиске объединенной физической теории. Физики чувствовали, что, если они смогли бы развязать завязанный Хокингом узел и понять, что происходит со скрытой в черной дыре информацией, когда дыра прекращает свое существование, они проложили бы путь к слиянию принципов теории относительности и квантовой теории в единых и согласованных рамках.
КОГДА ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ИСПАРЯЮТСЯ, ИНФОРМАЦИЯ ОКАЗЫВАЕТСЯ НЕВОССТАНОВИМО ПОТЕРЯННОЙ, НО КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ГОВОРИТ, ЧТО ЭТО НЕВОЗМОЖНО.
Поначалу Стивен поставил на первый сценарий. Информация теряется; физика в серьезной опасности; квантовая теория должна быть пересмотрена. «Крах предсказуемости в гравитационном коллапсе» – так называлась статья, в которой Хокинг впервые рассмотрел следствия, вытекающие из потери информации.
Внесем ясность: черная дыра с массой Солнца начнет испаряться не раньше, чем через несколько сотен миллиардов лет, когда температура микроволнового фонового излучения наконец упадет ниже температуры черных дыр звездных масс. Сам процесс испарения затем займет еще по меньшей мере 1060 лет – гораздо больше, чем нынешний возраст Вселенной. Так что, если только в ходе горячего Большого взрыва уже не образовались мини-черные дыры, или если в один прекрасный день на Большом адронном коллайдере их все же удастся получить, взрывы черных дыр, скорее всего, еще некоторое время останутся чисто теоретическим мысленным экспериментом.
Но для Стивена тут дело было в принципе. Если черные дыры уничтожают информацию, то они при испарении могут испускать какой угодно набор частиц. Если бы это было так, это означало бы, что весь жизненный цикл черных дыр, от гравитационного коллапса звезды до облака хокинговского излучения, вносит в физику совершенно новый уровень случайности и непредсказуемости – вдобавок к обычной вероятностной природе квантовой механики. Дело обстояло бы так, что часть волновой функции как будто просто-напросто исчезает внутри черных дыр или каким-то образом куда-то просачивается – возможно, в другую вселенную. Очевидно, это поставило бы под угрозу способность физики предсказывать будущее нашей Вселенной, даже в том усеченном вероятностном смысле, который нам хорошо знаком из квантовой механики. А если детерминизм, вероятностная предсказуемость Вселенной, основанная на законах науки, не работает в присутствии черных дыр, как мы можем быть уверены в том, что он не откажется работать и в других ситуациях? Как мы можем тогда быть уверены в своей собственной истории, в своих воспоминаниях? «Прошлое рассказывает нам, кто мы, – настойчиво указывал Стивен[187]. – Без него мы теряем свою идентичность». Размышляя над далекоидущими последствиями потери информации внутри черных дыр, Стивен пришел к заключению, что физика находится в очень серьезной опасности.
Несколько лет вокруг этой проблемы не утихали довольно-таки бесплодные споры. Те, кто рассматривал вопрос с точки зрения физики частиц, доказывали, что квантовая теория непоколебима, а Стивен допустил ошибку. Однако никто из экспертов по физике частиц ошибки в вычислениях Стивена найти не мог. С другой стороны, большинству релятивистов, специалистов по теории относительности, было очень хорошо известно о разрушительной мощи сингулярностей пространства-времени; они принимали сторону Стивена, но тоже не могли предложить убедительной стратегии спасения физики. Польза от сложившейся ситуации была в создании стимулирующей научной атмосферы, объединившей все научное сообщество. И специалисты по физике частиц, и релятивисты, применяя различные методы и инструменты исследований, учились друг у друга. В слабых фотонах, испускавшихся черными дырами, была скрыта глубокая истина, которую все стремились найти.
Но только на заре XXI века, когда физики наконец стали лучше понимать голографическую природу черных дыр, целой серии новых идей и мысленных экспериментов удалось вывести науку из тупика, в который ее привел парадокс черных дыр. Эти прозрения стали началом так называемой второй революции в теории струн, теории, которая в конце 1990-х дала толчок космологии мультивселенной, сыгравшей главную роль в попытках физики сформулировать единую квантовую теорию гравитации и всех других сил (см. главу 5).
Первым залпом этой революции стала лекция выдающегося струнного теоретика Эдварда Виттена из Института перспективных исследований в Принстоне, прочитанная им на ежегодном всемирном съезде специалистов по теории струн Strings’95 в 1995 году.
В это время дела в теории струн шли неважно. Перспектива того, что физики хоть когда-нибудь смогут протестировать какую-либо из основных идей теории, выглядела, мягко говоря, бледно. В столкновениях частиц высочайших энергий на крупнейших ускорителях мира не было видно – а кстати, не видно и сейчас – никаких признаков существования в точках пространства, скрученных в тугие узелки дополнительных измерений, куда просачивалась бы часть энергии этих столкновений. Сверхмалая планковская шкала расстояний, на которой квантовая природа гравитации должна была бы наконец существенно проявиться, по всей видимости, оставалась пока недосягаемой – для исследования таких расстояний потребовался бы ускоритель размером с Солнечную систему. Далее, за годы новаторских математических ухищрений теории так и не удалось пролить свет на квантовую природу гравитации в ситуациях, где это действительно имело значение – внутри черных дыр и в ходе Большого взрыва. И, что было еще хуже, струнные теоретики увидели, что у теории струн не один, а целых пять разных вариантов – и все они с одинаковой уверенностью претендовали на то, чтобы стать настоящей единой теорией природы. В довершение всего появилась и еретическая шестая теория, названная супергравитацией: расширение эйнштейновской теории относительности, в которое вошли и вещество, и суперсимметрия, и мембранообразные объекты вместо струн. Форпостом супергравитации стал Кембридж, который в то время приобрел несколько антиструнную репутацию.
Название лекции Виттена на конференции Strings’95: «Некоторые замечания о динамике струн», не предвещало, что докладчик собирается покончить со сложившейся патовой ситуацией. Но он сделал именно это. Его легендарная лекция вошла в анналы физики. Виттен набросал радикально новую перспективу теории струн. Он объяснил, что все пять ее конкурирующих версий и диссидентская теория супергравитации – не шесть различных теорий, а просто разные обличья единого математического здания. Суммируя широкий спектр сделанных им находок, Виттен получил сложную систему математических соотношений, которая трансформировала различные теории струн друг в друга и в теорию супергравитации. В результате образовалась подобная паутине сеть объединяющих все эти теории связей (см. рис. 53). Эту паутину связей Виттен назвал M-теорией. И хотя M-теория, возможно, сама не имела определенной структуры – некоторые язвили, что буква M обозначает «магию» или «мистику», – у нее есть восхитительная способность менять свою собственную форму, способность, которая делает ее чем-то и правда похожей на какого-то призрачного оборотня. Благодаря этому качеству она принимает форму одной из шести теорий-партнеров, в зависимости от избранной точки зрения. Этого более глубокого объединения теории струн в рамках M-теории и стало достаточно для второй струнной революции. M-теория заставила теоретиков осознать, что шесть различных подходов к созданию единой теории не конфликтовали друг с другом, но были дополняющими и усиливающими друг друга вторжениями в область квантовой гравитации[188].
Математические соотношения, трансформирующие с виду различные объекты друг в друга, в физике называются дуальностями или дуализмами. Две дуальные теории в некотором роде эквивалентны: они описывают одну и ту же физическую ситуацию, выражая ее на разных математических языках. Простой пример дуализма – дуализм волны/частицы в квантовой механике; на заре ее развития он приводил к немалому замешательству.
Рис. 53. Паутина математических взаимосвязей объединяет пять теорий струн и теорию супергравитации, что заставляет предполагать существование у них еще более глубокой единой основы.
Дуальности – мощное подспорье при вычислениях; предлагая дополняющие друг друга точки зрения на данную физическую систему, они могут привести к новым озарениям. Дуальности M-теории в особенности плодотворны, так как они часто трансформируют запутанный анализ в рамках одной версии струнной теории в простое лобовое решение в дуальной теории-партнере. До второй струнной революции физикам приходилось пользоваться приближенными методами анализа в рамках каждой из струнных теорий по отдельности. Это ограничивало их поле деятельности полуклассическими ситуациями, в которых относительно малое число струн вибрировало в слабо искривленном классическом фоновом пространстве. В результате увлекательные квантовые свойства черных дыр, не говоря уж о Большом взрыве, оставались за бортом их анализа, и великий проект объединения намертво увязал в деталях. Вторая струнная революция все это резко изменила. С этих пор, когда в одной струнной теории появляются трудности, на помощь часто приходит дуальность: благодаря ей невозможно трудные вычисления удается перевести в идеально удобные в рамках другой теории. Таким образом, паутина виттеновской M-теории оказалась чем-то гораздо большим, чем просто суммой составляющих ее теорий. Объединяя достижения всех пяти струнных теорий плюс успехи супергравитации, M-теория открыла в квантовой области гравитации и унификации совершенно неизведанные территории.