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

Добавлять сюда ещё и третий постулат будет некоторым перебором, но я всё же это сделаю.

3. Постулаты 1 и 2 оба истинны, а кажущееся противоречие не является реальным.

Ларус отнёсся к этому скептически. Как это может быть, спрашивал он, чтобы две несовместимые друг с другом истории обе были правдивыми? Имеется внутреннее противоречие в утверждении, что падающий Стив погиб на горизонте и при этом прожил ещё миллион лет. Элементарная логика говорит, что утверждение и его отрицание не могут вместе быть истинными. На самом деле я и сам задавался тем же вопросом.

На втором этаже физического факультета в Стэнфорде выставлена голограмма. Свет, отражающийся от двумерной плёнки с беспорядочным узором тёмных и светлых пятнышек, фокусируется в пространстве и создаёт висящее в воздухе трёхмерное изображение молодой симпатичной девушки, подмигивающей вам, когда вы проходите мимо.

Можно обойти вокруг иллюзорного образа и осмотреть его с разных сторон. Мы с Ларусом и Джоном время от времени задерживались возле голограммы. Теперь я в шутку сказал Аарусу, что поверхность чёрной дыры — горизонт — должна быть голограммой, двумерным снимком всей трёхмерной материи внутри чёрной дыры. Ларус на это не купился. Я тоже, по крайней мере не в тот раз. На самом деле я не понял смысла своего собственного замечания.

Но я продолжал думать об этом какое-то время и нашёл более серьёзный ответ. Физика — это экспериментальная и наблюдательная наука; если отбросить все умственные построения, то в остатке будет совокупность экспериментальных данных, а также математические уравнения, которые эти данные обобщают. Подлинное противоречие — это не расхождение между двумя умозрительными картинами. Такие картины больше связаны с ограничениями, наложенными нашим эволюционным прошлым, нежели с реальной действительностью, которую мы пытаемся понять. Подлинное противоречие обнаруживается лишь тогда, когда эксперименты приводят к противоречащим результатам. Например, если два одинаковых термометра, опущенных в сосуд с горячей водой, дадут разное значение температуры, мы вряд ли признаем такой результат; нам будет ясно, что с одним из термометров что-то не в порядке. Умозрительные представления важны для физики, но, если кажется, что они ведут к противоречию, когда в данных противоречия нет, значит, неверны именно представления.

Можем ли мы прийти к подлинному противоречию, если постулируем, что обе связанные с чёрной дырой истории — и Стива, и графа — истинны? Чтобы выявить противоречие, два наблюдателя должны встретиться после завершения эксперимента и сравнить свои записи. Но если одни наблюдения сделаны под горизонтом, а другой наблюдатель никогда его не пересекал, значит, по самому определению горизонта, они не могут встретиться, чтобы сравнить свои данные. Так что в реальности нет противоречия, есть только плохая умозрительная картина.

Джон спросил меня, что бы сказал на это Хокинг. Мой ответ оказался весьма точным: «О, Стивен бы улыбнулся».

Дополнительность

Слово «дополнительность» ввёл в физику легендарный отец-основатель квантовой механики Нильс Бор. Бор и Эйнштейн были друзьями, но они постоянно спорили о парадоксах и кажущихся противоречиях этой теории. Истинным отцом квантовой механики был Эйнштейн, но он её терпеть не мог и приложил все свои беспримерные интеллектуальные силы к тому, чтобы пробить брешь в её логических основаниях. Раз за разом Эйнштейн думал, что нашёл противоречие, и раз за разом Бор отражал его атаки своим излюбленным оружием — дополнительностью.

Я не случайно использовал дополнительность для описания того, как можно разрешить парадоксы квантовых чёрных дыр. В 1920-х годах квантовая механика была полна кажущихся противоречий. Одним из них была нерешённая проблема света: является он волнами или частицами? Иногда кажется, что свет ведёт себя одним способом, а иногда — другим. Утверждать, что свет является и тем и другим — и волнами, и частицами, — было бессмысленно. Как узнать, когда использовать уравнения для частиц, а когда волновые уравнения?

Другая загадка. Мы считаем, что частицы — это крошечные объекты, которые занимают определённое положение в пространстве. Но частицы могут передвигаться из одной точки в другую. Описывая их движение, мы указываем, как быстро и в каком направлении они движутся. Почти по определению, частица — это вещь, обладающая положением и скоростью. Но нет! Принцип Неопределённости Гейзенерга — закон, который, кажется, бросает вызов самой логике, — утверждает, что положение и скорость не могут быть определены совместно. Ещё один абсурд.

Стало происходить что-то очень странное. Казалось, здравый смысл спускают в канализацию. Конечно, реальных противоречий в экспериментальных данных не было; каждый эксперимент давал определённый результат, показания на шкалах, числа. Но в умозрительной картине что-то было глубоко ошибочно. Модель реальности, прошитая в наших мозгах, не могла охватить истинную природу света и неопределённый характер движения частиц.

Моё отношение к парадоксам чёрных дыр было таким же, как отношение Бора к парадоксам квантовой механики. В физике противоречие является противоречием, только если оно приводит к несовместимым экспериментальным результатам. Бор также всегда стремился к точному использованию слов. Если слова используются неточно, это иногда приводит к кажущимся противоречиям там, где их на самом деле нет.

Дополнительность касается неверного использования союза «и». «Свет — это волны, и свет — это частицы». «Частица имеет положение и скорость». Фактически Бор сказал: избавьтесь от «и», замените его на «или»: «Свет — это волны, или свет — это частицы». «Частица имеет положение или скорость».

Бор имел в виду, что в одних экспериментах свет ведёт себя как совокупность частиц, а в других — как волна. Нет такого эксперимента, где бы он вёл себя как то и другое одновременно. Если измерять определённые волновые характеристики, скажем значение электрического поля вдоль волны, вы получите ответ. Если измерять свойство, характеризующее частицы, например положение фотонов в световом пучке очень низкой интенсивности, вы тоже получите ответ. Но не пытайтесь измерять волновые свойства одновременно с измерением свойств частиц. Одно встанет на пути у другого. Можно измерить волновые свойства или корпускулярные свойства. Бор говорил, что ни волны, ни частицы не являются полным описанием света, но они дополняют друг друга.

В точности то же самое верно и относительно положения и скорости. Некоторые эксперименты чувствительны к положению электрона: например, выявляющие точку, которую электрон подсветил, столкнувшись с телевизионным экраном. Другие эксперименты чувствительны к его скорости, например выявляющие, насколько сильно искривляется траектория электрона при прохождении вблизи магнита. Но ни один эксперимент не может дать точное положение и скорость электрона.

Микроскоп Гейзенберга

Но почему мы не можем одновременно измерить положение и скорость частицы? Измерение скорости объекта — это, в действительности, просто измерение его положения в два последовательных момента времени, чтобы выяснить, насколько значительно он переместился за это время. Если можно измерить положение частицы один раз, то, естественно, это можно сделать дважды. Мысль о том, что положение и скорость нельзя измерить одновременно, кажется противоречием. Похоже на то, что Гейзенберг говорит ерунду.