Квантовая механика — самая успешная и проверенная теория в истории науки — может оказаться фундаментально неполной, и виноваты в этом космические монстры, которые буквально пожирают законы физики вместе со всем, что в них попадает.
Священная корова квантовой механики
Давайте начистоту: физики — народ суеверный. У них есть свои священные принципы, которые они защищают с яростью средневековых инквизиторов. И главный из этих принципов — унитарность. Звучит как название какой-нибудь секты, не правда ли? И в каком-то смысле так оно и есть.
Унитарность — это математическое свойство квантовой механики, которое гарантирует, что информация во Вселенной никогда не исчезает. Вообще. Никогда. Совсем. Представьте, что вы сожгли письмо от бывшей. С точки зрения обычного здравого смысла — информация уничтожена, можно спать спокойно. Но квантовая механика ехидно ухмыляется и заявляет: теоретически, собрав все атомы дыма, пепла, проанализировав тепловое излучение и квантовые состояния каждой частицы, вы могли бы восстановить это письмо посимвольно.
Звучит безумно? Добро пожаловать в квантовую физику, где здравый смысл приходит умирать. Унитарность математически выражается через унитарные операторы — специальные математические преобразования, которые сохраняют вероятности. Проще говоря: если вы точно знаете начальное состояние системы, вы можете вычислить любое будущее состояние, и наоборот — зная конечное состояние, можно восстановить начальное. Информация течёт, как вода в замкнутой системе труб — она может менять форму, но никуда не девается.
И вот уже почти сто лет физики строят на этом фундаменте всё своё понимание реальности. Стандартная модель? Унитарна. Квантовая электродинамика? Унитарна. Квантовая хромодинамика? Тоже унитарна. Казалось бы, живи и радуйся.
Но тут появляются они — чёрные дыры. И всё летит к чертям.
Космические мусоропроводы с философскими претензиями
Чёрные дыры — это, пожалуй, самые странные объекты во Вселенной. И я говорю это не для красного словца. Они буквально нарушают наши представления о том, как должна работать реальность.
Чёрная дыра образуется, когда массивная звезда коллапсирует под собственной гравитацией. Материя сжимается до такой степени, что пространство-время искривляется в точку невозврата — горизонт событий. Пересёк горизонт — всё, обратной дороги нет. Даже свет, самая быстрая штука во Вселенной, не может выбраться наружу.
И вот тут начинается самое интересное. Когда что-то падает в чёрную дыру, оно исчезает за горизонтом событий. Навсегда. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, вся информация о том, что именно упало в дыру, теряется для внешнего наблюдателя. Чёрная дыра характеризуется всего тремя параметрами: массой, зарядом и угловым моментом. Это называется теорема об отсутствии волос (да, физики те ещё выдумщики названий).
Бросьте в чёрную дыру энциклопедию — она добавит массы. Бросьте туда же вашего надоедливого соседа — та же история, просто чуть больше массы. С точки зрения чёрной дыры, между энциклопедией и соседом нет никакой разницы. Вся уникальная информация — структура текста, генетический код соседа, его дурацкая привычка включать музыку в три ночи — всё это исчезает бесследно.
«Погодите-ка», — скажет внимательный читатель, — «но вы же только что говорили, что информация не может исчезать!»
Именно. И в этом вся проблема.
Хокинг поджигает фитиль
В 1974 году молодой и дерзкий Стивен Хокинг взорвал физическое сообщество открытием, которое до сих пор не даёт спокойно спать теоретикам. Он показал, что чёрные дыры не совсем чёрные — они излучают.
Излучение Хокинга — это квантовый эффект, возникающий на границе горизонта событий. Если совсем упрощать: вакуум постоянно бурлит виртуальными парами частица-античастица. Обычно они мгновенно аннигилируют друг с другом. Но вблизи горизонта событий одна частица может упасть внутрь, а другая — улететь наружу. Для внешнего наблюдателя это выглядит так, будто чёрная дыра испускает излучение.
И вот что действительно пугает: это излучение абсолютно термическое. Оно несёт информацию только о температуре чёрной дыры, которая зависит исключительно от её массы. Никакой информации о том, что когда-то упало внутрь, излучение Хокинга не содержит.
Со временем чёрная дыра полностью испаряется, излучая всю свою массу в виде этого термического излучения. И куда девается информация обо всём, что в неё когда-либо падало? Она просто... исчезает?
Это и есть знаменитый информационный парадокс чёрных дыр. Если унитарность верна — информация должна где-то сохраняться. Если расчёты Хокинга верны — информация уничтожается безвозвратно. Оба утверждения не могут быть истинными одновременно. Кто-то врёт.
Физики рвут на себе волосы
Реакция физического сообщества на парадокс Хокинга напоминала пять стадий принятия горя, растянутые на пятьдесят лет.
Сначала было отрицание: «Хокинг ошибся в расчётах». Проверили. Не ошибся. Потом гнев: «Это же разрушает всю квантовую механику!» Ну да, собственно, в этом и проблема. Затем торг: «Может, информация как-то выходит наружу способом, который мы не понимаем?» Работают над этим до сих пор. Депрессия: «А что если наши фундаментальные теории просто несовместимы?» Тоже актуально. Принятие? До него пока не дошли.
Проблема в том, что здесь сталкиваются две величайшие теории XX века: квантовая механика и общая теория относительности. И они категорически отказываются дружить.
Квантовая механика говорит: «Информация священна. Она не может исчезнуть. Унитарность — это закон». Общая теория относительности отвечает: «У меня тут сингулярность, бесконечная кривизна пространства-времени. Мне плевать на твою информацию».
И знаете что самое обидное? Обе теории проверены экспериментально с невероятной точностью. Квантовая механика предсказывает магнитный момент электрона с точностью до двенадцатого знака после запятой. Общая относительность предсказала гравитационные волны за сто лет до их обнаружения. Обе правы. Обе не могут быть правы одновременно в контексте чёрных дыр.
Это как если бы два свидетеля давали абсолютно достоверные, но взаимоисключающие показания. Судья в растерянности, присяжные в шоке, а подсудимый — сама реальность — ехидно посмеивается в углу.
Отчаянные попытки спасти корабль
За полвека физики придумали немало хитроумных способов разрешить парадокс. Некоторые из них настолько безумны, что даже сами авторы не вполне уверены, стоит ли к ним относиться серьёзно.
Голографический принцип предполагает, что вся информация о содержимом чёрной дыры каким-то образом закодирована на её горизонте событий, как голограмма. Звучит элегантно, но механизм этого кодирования остаётся загадкой. Это как сказать: «Деньги не пропали, они просто превратились в невидимый баланс на невидимом счёте в невидимом банке». Технически возможно, но хотелось бы подробностей.
Файерволы — ещё более радикальная идея. Согласно ей, горизонт событий — это не спокойная граница, а стена из сверхгорячего излучения, которая мгновенно уничтожает всё падающее. Информация при этом якобы сохраняется, но возникает новое противоречие с общей относительностью, которая требует, чтобы падение через горизонт было гладким и незаметным.
Теория струн предлагает свой вариант: чёрные дыры — это на самом деле клубки вибрирующих струн, так называемые фаззболы, которые не имеют горизонта событий в классическом смысле. Информация сохраняется, потому что никакой настоящей сингулярности нет. Красиво, но теория струн сама по себе не имеет экспериментального подтверждения.
Есть и совсем экзотические предложения. ER=EPR гипотеза Хуана Малдасены и Леонарда Сасскинда утверждает, что квантовая запутанность и кротовые норы — это одно и то же явление. Информация не теряется, потому что она «вытекает» через микроскопические кротовые норы. Звучит как научная фантастика, но математика вроде бы сходится.
Проблема в том, что ни одна из этих гипотез не проверяема экспериментально. Мы не можем подойти к чёрной дыре и посмотреть, что там на самом деле происходит. Мы можем только строить математические модели и надеяться, что одна из них окажется верной.
Когда рушатся основы мироздания
Давайте на секунду допустим худшее: унитарность действительно нарушается в процессах с чёрными дырами. Что это означает для нашего понимания реальности?
Во-первых, это означает, что детерминизм в квантовой механике — иллюзия. Мы привыкли думать, что, зная полное квантовое состояние системы, мы можем предсказать её эволюцию (пусть и в вероятностном смысле). Если информация может исчезать, это больше не так. Вселенная становится принципиально непредсказуемой на фундаментальном уровне.
Во-вторых, под вопросом оказывается сама причинность. Если информация о прошлом может быть уничтожена, в каком смысле прошлое вообще существует? Философы тысячелетиями спорили о природе времени, но физика всегда стояла на позиции: прошлое реально, оно оставляет следы в настоящем. Чёрные дыры могут стирать эти следы навсегда.
В-третьих, это бьёт по самой идее объективной реальности. Квантовая механика уже подорвала наивный реализм своими суперпозициями и запутанностями. Но хотя бы информация оставалась константой — чем-то, за что можно держаться. Если даже она эфемерна, что вообще остаётся от концепции объективного мира?
Некоторые физики, впрочем, относятся к этому спокойнее. «Может быть, унитарность — это просто приближение, работающее в обычных условиях», — говорят они. — «В экстремальных ситуациях вроде чёрных дыр могут действовать другие законы». Это логично, но неприятно. Мы привыкли искать универсальные принципы, а не локальные закономерности.
Есть и более провокационная точка зрения: возможно, информационный парадокс указывает на то, что наше понимание квантовой гравитации принципиально неверно. Нам нужна новая теория, которая объединит квантовую механику и гравитацию таким образом, что парадокс просто не возникнет. Эта теория должна быть радикально отличной от всего, что мы знаем, и пока никто не понимает, как она может выглядеть.
Что нам с этим делать
Информационный парадокс чёрных дыр — это не абстрактная проблема для кучки эксцентричных теоретиков. Это фундаментальный вопрос о природе реальности, который касается каждого из нас.
Мы живём во Вселенной, где чёрные дыры реальны. Они находятся в центрах галактик, включая нашу собственную. Они формируются при смерти массивных звёзд. Они сталкиваются и сливаются, производя гравитационные волны, которые мы теперь умеем детектировать. Рано или поздно — через триллионы лет — чёрные дыры могут стать доминирующими объектами во Вселенной.
И если унитарность действительно нарушается, это означает, что Вселенная постепенно «забывает» собственную историю. Все великие цивилизации, все произведения искусства, все мысли, когда-либо подуманные разумными существами — всё это может быть не просто разрушено, но буквально стёрто из реальности, как будто никогда не существовало.
Впрочем, не торопитесь впадать в экзистенциальный кризис. Парадокс всё ещё может быть разрешён без нарушения унитарности. Многие ведущие физики считают, что мы просто чего-то не понимаем, и правильная теория квантовой гравитации всё расставит по местам.
Но пока этой теории нет, чёрные дыры остаются загадкой, которая ставит под вопрос самые базовые принципы физики. Они напоминают нам, что наше понимание Вселенной всё ещё глубоко неполно. И, возможно, это самое захватывающее, что есть в науке — осознание того, как много мы ещё не знаем, и как много открытий нас ждёт впереди.
Вселенная не обязана быть понятной. Она не обязана следовать нашим ожиданиям. Она просто существует — со всеми своими парадоксами, противоречиями и чёрными дырами, которые, возможно, прямо сейчас где-то пожирают информацию, накопленную за миллиарды лет. И от этой мысли становится одновременно жутко и восхитительно.