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

Одно из самых неожиданных и странных открытий современной физики состоит в том, что в реальном мире нет надобности в Птолемеевом законе. Природа уже предусмотрела такой закон, и даже короли не способны его нарушить. Это один из глубочайших и трудных для понимания законов природы, который был нами открыт: максимальное количество информации, которое может содержаться в области пространства, равно площади этой области, а не её объёму. Это странное ограничение на заполнение пространства информацией станет темой главы 18.

Энтропия и тепло

Тепло — это энергия случайного хаотического движения, а энтропия — это количество скрытой микроскопической информации. Рассмотрим ванну с водой, на этот раз охлаждённой до наименьшей возможной температуры — абсолютного нуля, точки, в которой молекулы зафиксированы в строго определённых местах ледяного кристалла. Имеется очень небольшая неопределённость в положении каждой молекулы. Фактически всякий, кто знает теорию ледяных кристаллов, может даже без микроскопа точно сказать, где находится каждый атом. Нет никакой скрытой информации. Энергия, температура и энтропия — все равны нулю.

Теперь добавим немного тепла, подогрев лёд. Молекулы начинают подрагивать, но только слегка. Небольшое количество информации потеряно; некоторые детали, пусть и немногие, выходят из-под нашего контроля. Число конфигураций, которые мы можем спутать между собой, становится больше, чем прежде. Так порция тепла повышает энтропию, и с добавлением энергии всё только ухудшается. Кристалл приближается к точке плавления, а молекулы начинают смещаться друг относительно друга. Уследить за всеми подробностями вскоре становится невозможно. Другими словами, с ростом энергии растёт и энтропия.

Энергия и энтропия — не одно и то же. Энергия принимает множество форм, но одна из них, тепло, срослась с энтропией, наподобие сиамских близнецов.

Ещё немного о втором начале

Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии: невозможно создавать энергию; невозможно её уничтожать; всё, что можно сделать, — изменить её форму. Второе начало ещё более обескураживающе: неведение всегда возрастает.

Представьте себе сцену, в которой ныряльщик прыгает с трамплина в бассейн:

потенциальная энергия -> кинетическая энергия -> тепло.

Он быстро останавливается, а исходная потенциальная энергия превращается в небольшое увеличение тепловой энергии воды. И вместе с этим небольшим нагревом слегка увеличивается энтропия.

Ныряльщик не прочь повторить выступление, но он ленив и не хочет снова подниматься по лестнице на трамплин. Он знает, что энергия никогда не исчезает, так что почему бы не подождать, пока тепло из бассейна не превратится снова в потенциальную энергию — его потенциальную энергию? Ничто в законе сохранения энергии не препятствует обращению его прыжка: чтобы ныряльщика забросило обратно на трамплин, а бассейн немного остыл. При этом бы не только он оказался на трамплине, но и энтропия бассейна уменьшилась, приведя к неожиданному снижению нашего незнания.

К сожалению, наш мокрый приятель освоил только половину курса термодинамики — первую половину. Во второй половине он бы узнал то, что всем нам известно: энтропия всегда возрастает. Энергия всегда деградирует. При преобразованиях между потенциальной, кинетической, химической, другими формами энергии и теплом в выигрыше всегда оказывается тепло, его становится больше, а других организованных, нехаотических форм энергии — меньше. Это второе начало термодинамики: общее количество энтропии в мире всегда возрастает.

Именно поэтому при нажатии тормоза движущийся автомобиль взвизгивает и останавливается, но нажатие тормоза в стоящем автомобиле не приводит его в движение. Беспорядочное тепло земли и воздуха не может преобразоваться в более организованную кинетическую энергию движения автомобиля. По этой же причине тепло моря невозможно направить на решение мировых энергетических проблем. В целом организованная энергия деградирует, превращаясь в тепло, и обратного пути не существует.

Тепло, энтропия, информация — какое отношение эти практические, утилитарные понятия имеют к чёрным дырам и основаниям физики? Ответ — самое непосредственное. В следующей главе мы увидим, что чёрные дыры — это фундаментальные резервуары скрытой информации. На самом деле они — самые плотные информационные хранилища в природе. И это может быть лучшим определением чёрной дыры. Давайте посмотрим, как Якоб Бекенштейн и Стивен Хокинг пришли к пониманию данного ключевого факта.

8 Уилеровские мальчики, или Сколько информации можно затолкать в чёрную дыру?

В 1972 году, пока я беседовал с Ричардом Фейнманом в кафе «Уэст Энд», принстонский аспирант Якоб Бекенпггейн задавался вопросом: что происходит с теплом, энтропией и информацией в чёрных дырах? В то время Принстон был мировым центром обучения гравитационных физиков. Это могло быть как-то связано с тем, что здесь более двух десятилетий жил Эйнштейн, хотя к 1972 году с его смерти прошло уже семнадцать лет. Принстонским профессором был один из величайших провидцев современной физики Джон Арчибальд Уилер, вдохновивший на изучение гравитации и размышления о чёрных дырах многих выдающихся молодых учёных. Среди знаменитых физиков, испытавших глубокое влияние Уилера в тот период, были Чарльз Мизнер, Кип Торн, Клаудио Тейтельбойм и Якоб Бекенпггейн. Уилер, который ранее был научным руководителем диссертации Фейнмана, был, в свою очередь, учеником Эйнштейна. Как и сам великий учёный, он верил, что ключ к законам природы лежит в теории гравитации. Но в отличите от Эйнштейна Уилер, который сотрудничал с Нильсом Бором, верил также и в квантовую механику. Так что Принстон был центром исследований не только по гравитации, но также и по квантовой механике.

В то время теория гравитации была относительно непопулярной тихой заводью теоретической физики. Физики, занимавшиеся элементарными частицами, добивались колоссальныхуспехов в редукционистском марше ко всё более тонким структурам. Атомы давно уступили место ядрам, а ядра — кваркам. Обнаружилась истинная роль нейтрино как равноправных партнёров электронов, и выдвигались гипотезы о новых частицах, таких как очарованный кварк, до экспериментального открытия которого оставался год или два. Радиоактивность ядер наконец была адекватно объяснена, и вот-вот предстояло появиться Стандартной модели элементарных частиц, физики, изучающие элементарные частицы, включая и меня, полагали, что есть занятия получше, чем тратить своё время на гравитацию. Были и исключения вроде Стивена Вайнберга, но большинство считало эту тему легкомысленной.

В ретроспективе это пренебрежение к гравитации смотрится крайне близоруким. Почему энергичные лидеры физической науки, смелые пионеры этой области знаний, были столь беспечны в отношении гравитации? Дело в том, что они не могли даже представить себе, чтобы гравитация играла значимую роль во взаимодействии элементарных частиц друг с другом. Представьте, что у вас есть тумблер, позволяющий выключать электрические силы, действующие между ядром атома и электронами, так чтобы только гравитационное притяжение удерживало электроны на своих орбитах. Что случится с атомом, когда вы щёлкнете тумблером? Атом немедленно распухнет, поскольку скрепляющая его сила уменьшится. Насколько большим стал бы при этом обычный атом? Значительно больше всей наблюдаемой Вселенной!

А что случится, если оставить работать электрические силы, но выключить гравитацию? Земля улетит от Солнца, но изменения в отдельных атомах будут столь малы, что их не удастся обнаружить. Количественно гравитационные силы между двумя электронами в атоме примерно в миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз слабее электрических сил.

Такова была интеллектуальная среда, когда Джон Уилер принялся храбро исследовать океан неведения, отделявший обычный мир элементарных частиц от эйнштейновской теории гравитации. Уилер сам был ходячей загадкой. Внешне он выглядел и разговаривал как типичный бизнесмен. Он легко бы вписался в зал заседаний самой консервативной корпорации Америки. Фактически его политические взгляды и были консервативными. В самый разгар холодной войны Джон стоял на позициях решительного антикоммунизма. А ещё на протяжении эпохи беспрецедентной социальной активности университетских кампусов в 1960-х и 1970-х годов он был глубоко любим своими студентами. Клаудио Тейтельбойм, ныне самый знаменитый латиноамериканский физик, был одним из уилеровских студентов [68] . Будучи отпрыском известной чилийской семьи левой политической ориентации, он стал одним из многочисленных учеников Джона, снискавших научную славу. Семья была связана с Сальвадором Альенде; сам Клаудио был бесстрашным и откровенным врагом диктаторского режима Пиночета. Но, несмотря на политические расхождения, между Джоном и КлаудИо возникла крепчайшая дружба, основанная на глубокой симпатии и взаимном уважении мнений.

68

Жизнь Клаудио была полна драматических поворотов. Одно из его самых восхитительных приключений случилось в 2005 году, когда он обнаружил, что его отцом был Альваро Бунстер, патриарх героической антифашистской семьи. Одна из крупнейших чилийских газет дала об этом такой заголовок: «Знаменитый чилийский физик, изучавший происхождение Вселенной, выяснил собственное происхождение». В результате Клаудио поменял фамилию на Бунстер.