Этот факт оказался чрезвычайно трудным для понимания в начале XX века, когда физики обнаружили, что свет – это поток крошечных «пулеметных пуль», называемых фотонами, и все они идентичны. Действительно, если все они такие одинаковые, наверняка на них должно одинаково влиять оконное стекло? Либо все они должны проходить насквозь, либо все должны отражаться.
Есть только один способ объяснить тот факт, что 95 % фотонов просачиваются сквозь стекло, а 5 % отправляются после отражения назад: каждый из них имеет 95-процентную вероятность прохождения и пятипроцентную вероятность отражения. Но это означает следующее: если бы мы даже могли проследить за каждым отдельным фотоном, направляющимся к окну, то до последнего момента не знали бы, отразится ли он и останется в комнате или выйдет наружу. Мы могли бы только оценить вероятность того или иного события. Предугадать же то, что произойдет, в принципе невозможно.
Все вышесказанное справедливо не только для фотонов, но и для всех остальных обитателей мира элементарных частиц: атомов, электронов, нейтрино и т. д. На своем изначальном уровне Вселенная принципиально непредсказуема – в ней происходят случайные события. Пожалуй, это самое шокирующее открытие в истории науки. Известно высказывание Альберта Эйнштейна, не пожелавшего смириться с этим фактом: «Бог не играет в кости со Вселенной». (Менее известен ответ на это высказывание физика Нильса Бора: «Не надо указывать Богу, где ему кидать свои кости».) Однако Эйнштейн был неправ; мало того, он оказался феерически неправ.
Информация является синонимом случайности. Если у меня есть число, которое не случайно, – скажем, единица, повторенная миллиард раз, – я могу передать сущность этого числа всего несколькими словами: «единица, повторенная миллиард раз». В этом нет практически никакой информации. Если, с другой стороны, у меня есть случайное число длиной в миллиард цифр, то чтобы передать его вам, я должен перечислить каждую из миллиарда цифр. Здесь содержится гораздо больше информации.
В этом и заключается ответ на загадку, откуда в конечном счете исходит информация о Вселенной. Каждое случайное квантовое событие со времен Большого взрыва вбрасывало информацию во Вселенную. Каждый раз, когда атом в очередной раз испускал фотон – или не испускал его, – поступала новая информация; каждый раз, когда распадалось атомное ядро – или не распадалось, – поступала новая информация.
Мало того что метафорический бог Эйнштейна играет в кости со всей Вселенной; если бы он не делал этого, не было бы Вселенной – по крайней мере, такой сложной и разнообразной, в которой могли возникнуть люди, в том числе и вы, мой читатель, скользящий взглядом по этим строкам. Реальность, в которой мы живем, подчиняется случайности. Мы живем во Вселенной, рождение которой зависело от кости, брошенной в квантовом мире.
49. Космос как кредитная картаХотите – верьте, хотите – нет: вполне возможно, что мы все живем в одной гигантской голограмме
Есть такая теория: если когда-либо по какой-либо причине кто-либо узнает, для чего нужна Вселенная и почему она существует, она мгновенно исчезнет и будет заменена чем-то еще более странным и необъяснимым. Есть и еще одна теория: она утверждает, что это уже произошло.
В наши дни кредитные карты часто снабжены голограммой – двумерным представлением объекта, которое имеет все признаки трехмерного изображения. Идея о том, что Вселенная подобна голографической иллюзии, похоже, сошла прямо со страниц научно-фантастического романа. Тем не менее появляется все больше доказательств того, что это так и есть. И первый намек на это, как ни странно, дало не исследование Вселенной как целого, а изучение черных дыр.
Черная дыра – конечный пункт эволюции массивной звезды. Когда горючее звезды на исходе, звезда больше не в состоянии вырабатывать внутри себя энергию, противодействующую силе гравитации, стремящейся ее раздавить. Начинается катастрофическое сжатие, при этом гравитационное поле звезды возрастает настолько, что наступает момент, когда внутрь затягивается все – даже свет.
Однако в 1974 году Хокинг открыл нечто необычное и неожиданное в черных дырах: они оказались не полностью черными.
Хокинг размышлял о горизонте событий черной дыры, точке невозврата для света и вещества, которые попадают в черную дыру. И он размышлял о теории атомов и их составных частей. Согласно квантовой теории, вакуум не пуст, он весьма далек от пустоты. Это бушующее море квантовых флуктуаций, которые можно рассматривать как элементарные частицы и их античастицы, выскакивающие буквально из ниоткуда[139]. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться. Однако уловка квантового мира заключается в том, что он смотрит сквозь пальцы на нарушение закона, если пара частица-античастица завершает свой путь, или аннигилирует, за очень короткое время. Такие частицы в знак признания их эфемерного статуса называют «виртуальными».
Хокинг понял, что существование горизонта событий у черной дыры очень важно для процесса создания и аннигиляции виртуальных пар частиц и античастиц. Одна частица (или античастица) такой пары может провалиться через горизонт событий черной дыры, а другая – уйти в свободный полет. Не имея партнера для аннигиляции, ускользнувшая частица (или античастица) более не является эфемерной; ее статус повышается от виртуального до реального. Конечно, энергия для обеспечения постоянного существования такой частицы должна откуда-то исходить. И Хокинг понял, что эта энергия берется из гравитационной энергии самой черной дыры.
Такой «моросящий дождь» из покидающих черную дыру частиц называется излучением Хокинга. Таким образом, черная дыра постепенно испаряется и в конце концов должна растаять совсем.
Квантовая теория позволяет электрон-позитронным парам внезапно возникать из вакуума и затем быстро аннигилировать. Но вблизи черной дыры один из партнеров пары может упасть в черную дыру, а другой ускользнуть под видом «излучения Хокинга».
Если масса черной дыры сравнительно невелика и сравнима с массой обычной звезды, время ее испарения до полного исчезновения будет гораздо больше возраста Вселенной. Тем не менее существование излучения Хокинга обозначило огромную проблему для физики. Если черная дыра – по сути просто участок сильно деформированного пространства-времени – полностью испарится, на этом месте останется «дырка от бублика». Возникает вопрос: что произойдет с информацией, включающей все данные об исходной звезде, породившей эту черную дыру – информацией, описывающей, например, расположение и тип каждого атома и электрона в звезде? Ведь информация не может ни создаваться, ни уничтожаться – это фундаментальный принцип физики[140].
Ответ мы можем получить, если внимательно вглядимся в горизонт событий. В 1972 году израильский физик Яаков Бекенштейн обнаружил, что горизонт событий имеет необъяснимо большую энтропию. Как уже объяснялось ранее, энтропия – это физическая величина, являющаяся мерой хаотичности системы. В 1993 году голландский ученый Герард’т Хоофт, лауреат Нобелевской премии по физике, предположил, что горизонт черной дыры, вопреки предсказаниям теории гравитации Эйнштейна, может быть не гладким, а причудливо неправильным и выглядеть в микроскопическом масштабе, как миниатюрный горный ландшафт. Информация, описывающая исходную звезду, может быть каким-то образом закодирована в микроскопических комочках и бугорочках горизонта событий. По мере того, как черная дыра испаряется, неровности горизонта событий будут «отпечатываться» в излучении Хокинга, и это очень похоже на то, как музыка или речь «оставляют след» на несущей волне радиостанции. Если это так, то при испарении черной дыры никакая информация не теряется. Все возвращается во Вселенную, хотя и в несколько искаженном виде.
При чем же здесь вся Вселенная? А при том, что Вселенная, как и черная дыра, окружена горизонтом. Поскольку Вселенная родилась 13,82 миллиарда лет тому назад, мы можем видеть только те объекты, свет от которых летел до нас меньше, чем 13,82 миллиарда лет. Эта величина определяет космологический горизонт. За его пределами находятся объекты, свету от которых нужно более, чем 13,82 миллиарда лет, чтобы добраться до нас. Их свет все еще на пути к Земле, так что нам только предстоит их увидеть.
Герард’т Хоофт и американский физик Леонард Сасскинд независимо друг от друга предположили, что информация для описания Вселенной может быть закодирована на ее горизонте, подобно тому, как информация для описания трехмерной звезды кодируется на горизонте событий черной дыры. Вселенная, которую мы видим вокруг себя, может являться голограммой – в некотором смысле, трехмерной проекцией двумерной информации, содержащейся на горизонте. Вы, я и все остальные объекты во Вселенной – лишь голографические образы.
Это утверждение может показаться весьма расплывчатым и натянутым. Однако в 1998 году Хуан Малдасена, аргентинский и американский физик-теоретик, опубликовал статью, в которой привел очередные соображения в пользу идеи о том, что мы живем в «голографической Вселенной». Эта статья всколыхнула весь физический мир. Малдасена предположил, что квантовая теория, которая управляет процессами на горизонте Вселенной, может создать внутри этого рубежа Вселенную, подчиняющуюся эйнштейновской теории гравитации. Открылись возможности не только нащупать долгожданную связь между квантовой теорией и теорией гравитации Эйнштейна – это объясняет, почему статья Малдасены является самой цитируемой за последние двадцать лет, – но и повысить доказательный уровень гипотезы Герарда’т Хоофта и Леонарда Сасскинда о Вселенной как о голограмме