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

Джеймс Хартл был самым уважаемым специалистом по чёрным дырам на физическом факультете UCSB. Джеймс был заслуженным мэтром, выполнившим совместно со Стивеном Хокингом прорывные работы по квантовой гравитации задолго до того, как она стала популярной. Но на факультете было четверо более молодых учёных, которым предстояло сыграть большую роль в Битве при чёрной дыре. Все они разменяли четвёртый десяток и были на пике научной формы. Вы уже знаете Стива Гиддингса и Энди Строминджера (G и S в CGHS). Хотя оба они были моими друзьями, чьими работами я искренне восхищался, следующие два года показали, что они могут быть совершенно несносными противниками. Часто они доводили меня до отчаяния своей упёртой приверженностью ошибочным идеям. Но в конце концов это более чем оправдалось.

Гэри Хоровиц, третий из молодёжной сборной UCSB, был релятивистом, то есть специалистом по теории относительности. На ней он сделал себе имя и считался блестящим учёным. Он также работал с Хокингом и знал о чёрных дырах больше, чем кто-либо другой. Наконец, Джо Полчински недавно перевёлся в Санта-Барбару из Техасского университета. Мы с Джо вместе работали над рядом исследовательских проектов, и я его хорошо знал. К тому же я всегда считал его очень приятным человеком с замечательным чувством юмора, а также был поражён мощью, скоростью и блеском его интеллекта. С самого начала нашей дружбы — Джо тогда было около двадцати пяти, а мне сорок — у меня не было сомнений в том, что он станет величайшим физиком-теоретиком эпохи. И он меня не разочаровал.

Эти выдающиеся молодые физики тесно сотрудничали. Иногда они занимались чёрными дырами, иногда — теорией струн. Огромный талант этой маленькой сплочённой группы сделал её очень влиятельной силой в теоретической физике. Он также превратил Санта-Барбару в одно из самых замечательных мест (если не самое замечательное), где мог бы оказаться физик-теоретик. Не было никаких сомнений, что конференция по чёрным дырам в Санта-Барбаре станет важным событием.

По-видимому, конференцию созывали для того, чтобы отметить эффект, произведённый статьёй CGHS. Была надежда, что изобретённая CGHS математическая техника даст ключ к тому, что называлось тогда информационным парадоксом. Организаторы попросили меня сделать доклад о работе, которую мы с Аарусом и Йоргом выполнили в Стэнфорде, и вот под конец пятницы мы обсуждали, о чём мне рассказывать.

Возможно, всему виной повышенный уровень кофеина в кофе, или выброс тестостерона, или просто наше братство трёх мушкетёров, но я сказал Джону и Ларусу: «Чёрт побери, я не хочу рассказывать о CGHS или RST. Это тупик [98] . Я хочу, чтобы мы сделали что-то потрясающее. Давайте подставимся и скажем что-нибудь очень смелое, такое, чтобы действительно привлечь внимание».

Уже некоторое время мы втроём искали, как обойти парадоксальный вывод Стивена, и идея начала выкристаллизовываться. Пока она была лишь смутным образом, у которого не было даже названия, но пришла пора действовать.

98

Оглядываясь назад, я считаю, что CGHS-теория очень многому нас научила. Большему, чем всё, что было прежде. Она дала кристально ясную математическую формулировку обнаруженного Хокингом противоречия. И конечно, она очень сильно повлияла на ход моих собственных мыслей.

«Я считаю, что мы втроём должны собрать вместе разрозненные нити нашей полусырой идеи и, даже если мы не можем её доказать, попытаться сделать её более точной. Даже акт именования новой концепции может иногда добавить ясности. Предлагаю нам вместе написать статью о дополнительности чёрных дыр, а я представлю новую идею на конференции в Санта-Барбаре».

Рассказ «Не забудьте принять антигравитационные пилюли» (см. главу 13) — хорошее начало для объяснения того, что я задумал. Подобно фильму Акиры Куросавы «Ворота Расёмон», это история, увиденная глазами разных участников и приводящая к совершенно противоположным выводам. По одной из версий (императора и графа), Стив, преследуемый физик, аннигилировал в невероятно горячей среде, окружающей горизонт. Но, согласно Стиву, у истории был иной, куда более счастливый конец. Очевидно, что одна из версий ошибочна (а возможно, и обе); Стив не мог и выжить, и погибнуть у горизонта.

«Суть дополнительности чёрных дыр, — объяснял я коллегам, — в том, что, как бы безумно это ни звучало, обе истории в равной мере истинны».

Двое моих друзей были озадачены. Я уже не помню, что говорил им дальше, но это, вероятно было что-то в таком духе. Все, кто остаются вне чёрной дыры, — граф, император, его лояльные подданные — видят одно и то же [99] : Стив разогревается, испаряется и превращается в хокинговское излучение. Но что важно, всё это происходит до того, как он достигнет горизонта.

99

Я использую слово «видят» в несколько обобщённом смысле. Наблюдатель вне чёрной дыры может зарегистрировать энергию и даже индивидуальные биты информации, составлявшие тело Стива, в форме хокинговского излучения.

Как придать этому смысл? Единственный способ, совместимый с законами физики, — допустить, что непосредственно над горизонтом существует некий чрезвычайно горячий слой, возможно, толщиной не больше планковской длины. Я признался Джону и Ларусу, что не представляю в точности, из чего этот слой может состоять, но объяснил, что наличие энтропии у чёрной дыры подразумевает, что этот слой должен состоять из крошечных объектов, скорее всего, не больше планковского размера. Горячий слой будет впитывать всё, что падает на горизонт, подобно тому как капля чернил растворяется в воде. Я помню, что называл неизвестные крошечные объекты атомами горизонта, но, конечно, я не имел в виду обычные атомы. Я знаю об этих атомах горизонта не больше, чем физики девятнадцатого века знали об обычных атомах: только то, что они существуют.

Этот горячий слой материи надо было как-то называть. Астрофизики уже предложили термин, на котором я в итоге остановился. Они использовали для анализа некоторых электрических свойств чёрных дыр идею воображаемой мембраны, окружающей чёрную дыру над самым горизонтом. Эту воображаемую поверхность они называли растянутым горизонтом, однако я предполагал, что на расстоянии планковской длины над горизонтом существует реальный слой материи, а не воображаемая поверхность. Более того, я утверждал, что любой эксперимент — например, опускание градусника для измерения температуры — подтвердит существование атомов горизонта [100] .

100

Физики ещё с 1970-х годов знали, что если опустить термометр в окрестности горизонта, он покажет высокую температуру. Билл Унру, изобретатель глухих дыр, открыл этот факт, когда был студентом Джона Уилера.

Мне понравился термин «растянутый горизонт», и я приспособил его для моих собственных нужд. Сегодня растянутый горизонт — стандартное понятие в физике чёрных дыр. Оно означает тонкий слой горячих микроскопических «степеней свободы», расположенных на расстоянии примерно одной планковской длины над горизонтом.

Растянутый горизонт

Растянутый горизонт помогает нам понять, как испаряются чёрные дыры. Время от времени один из энергичных атомов горизонта получает более сильный, чем обычно, толчок и выбрасывается с поверхности в космос. Можно представлять себе растянутый горизонт как тонкий горячий слой атмосферы. В этом случае испарение чёрной дыры будет очень похоже на то, как земная атмосфера постепенно рассеивается в открытом космосе. Но в дополнение к тому, раз чёрная дыра теряет массу при испарении, она также должна уменьшаться.

Но это лишь половина истории — видимая с наблюдательного пункта вне чёрной дыры. Саму по себе эту половину не назовёшь особенно радикальной. Вещество падает в горячий суп. Суп испаряется. Биты информации уносятся вместе с паром. Всё вполне обыденно. Если бы речь шла о чём угодно, кроме чёрной дыры, такое объяснение казалось бы ничем не примечательным.

Но что, если посмотреть изнутри или, если точнее, с точки зрения свободно падающего наблюдателя? Будем называть это версией Стива, и она будет выглядеть противоречащей наблюдениям снаружи (версии императора и графа).

Я выдвигаю два постулата.

1. Для любого наблюдателя, остающегося вовне чёрной дыры, растянутый горизонт выглядит как горячий слой атомов горизонта, который поглощает, перемешивает и в конце концов испускает (в форме хокинговского излучения) каждый бит падающей в чёрную дыру информации.

2. Для свободно падающего наблюдателя горизонт выглядит абсолютно пустым пространством. Такие свободно падающие наблюдатели не обнаруживают на горизонте ничего особенного, хотя он и является для них точкой невозврата. С разрушительными силами они встречаются позже, когда приближаются к сингулярности.