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

• Название: Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики
• Автор: Леонард Сасскинд
• Издательство: Питер
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-496-00395-7

Что происходит, когда объект падает в черную дыру? Исчезает ли он бесследно?

Около тридцати лет назад один из ведущих исследователей феномена черных дыр, ныне знаменитый британский физик Стивен Хокинг заявил, что именно так и происходит. Но оказывается, такой ответ ставит под угрозу все, что мы знаем о физике и фундаментальных законах Вселенной. Автор этой книги, выдающийся американский физик Леонард Сасскинд много лет полемизировал со Стивеном Хокингом о природе черных дыр, пока, наконец, в 2004 году, тот не признал свою ошибку.

Блестящая и на редкость легко читаемая книга рассказывает захватывающую историю этого многолетнего научного противостояния, радикально изменившего взгляд физиков на природу реальности. Новая парадигма привела к ошеломляющему выводу о том, что все в нашем мире — эта книга, ваш дом, вы сами — лишь своеобразная голограмма, проецирующаяся с краев Вселенной.

Книга включена в «Библиотеку Фонда «Династия».

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2001 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления деятельности Фонда — поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. «Библиотека Фонда «Династия» — проект Фонда по изданию современных научно-популярных книг, отобранных экспертами-учеными.

Книга, которую вы держите в руках, выпущена под эгидой этого проекта.

Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.com

---

Нарисуем график, показывающий соотношение между размером и массой/энергией. По вертикальной оси отложим величину того масштаба, которые пытаемся исследовать. По горизонтальной — массу/энергию фотона, которая нужна, чтобы различить объект.

Принцип ясен: чем меньше объект, тем большая масса/энергия нужна, чтобы его увидеть. На протяжении большей части XX века каждому студенту-физику приходилось прошивать у себя в голове эту обратную зависимость между размером и массой/энергией.

Эйнштейновская коробка с фотонами не была аномалией. Представление о том, что меньшее означает более массивное, пронизывает всю современную физику элементарных частиц. Но, по иронии судьбы, XXI век обещает отменить эту прошивку.

Чтобы понять почему, представьте, что мы хотим определить, что происходит (если происходит) в масштабе, в миллион раз меньшем планковской длины. Возможно, иерархическая структура природы продолжается и на такой глубине. Стандартной стратегией XX века было бы нащупать какой-нибудь объект фотоном с энергией в миллион раз больше планковской. Но эта стратегия дала бы обратный эффект.

Что я хочу этим сказать? Хотя мы, вероятно, никогда не сможем разогнать частицы до планковской энергии, нам известно, что бы случилось, окажись одна из них в миллион раз энергичнее. Когда столь большая масса сосредоточена в таком маленьком объеме, там образуется черная дыра. Мы будем разочарованы, поскольку внутри горизонта этой черной дыры скроется все, что мы собирались разглядеть. По мере того как мы заглядываем во все меньшие и меньшие масштабы, наращивая энергию фотонов, горизонт будет становиться все шире и шире, скрывая все больше и больше, — еще одна уловка-22.

Так что же получится в результате столкновения? Хокинговское излучение, и больше ничего. Но по мере увеличения размеров черной дыры длина волны хокинговских фотонов будет расти. Вместо четкого изображения крошечного субпланковского объекта будет получаться все более размытое изображение, сформированное длинноволновыми фотонами. Поэтому максимум, на что можно рассчитывать при увеличении энергии столкновений, — это переоткрытие свойств природы в больших Масштабах. Таким образом, истинный вид графика «размеры — энергия» примерно такой.

Нижний предел размеров достигается на планковском масштабе, ничего меньше обнаружить невозможно, а дальше новая прошивка совпадает с доиндустриальной: большое = тяжелое. Таким образом, победный марш редукционизма — идеи о том, что все вещи сделаны из меньших вещей, — должен закончиться на планковском масштабе.

Термины ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) стали использоваться в физике расширительно, по отношению к своему исходному значению коротко- и длинноволнового света. Ввиду характерной для XX века связи между размерами и энергией физики часто используют эти слова для обозначения высоких (УФ) и низких (ИК) энергий. Однако новая прошивка все перемешала: за пределами планковской массы высокая энергия означает бóльшие размеры, а низкая — меньшие. Эта путаница нашла отражение в терминологии: новый тренд, состоящий в том, чтобы приравнивать большие размеры и большие энергии, стали бестолково называть инфракрасно-ультрафиолетовым соединением[107].

Отчасти это было от недостатка понимания инфракрасно-ультрафиолетового соединения, которое дезориентировало физиков относительно природы падения информации на горизонт. В главе 15 мы воображали применение микроскопа Гейзенберга для наблюдения за атомом, падающим в направлении черной дыры. По мере приближения атома к горизонту для того, чтобы его различить, требуются фотоны все большей энергии. В конце концов эта энергия станет настолько большой, что столкновение фотона с атомом приведет к образованию большой черной дыры. Тогда изображение можно будет сформировать, собрав длинноволновое хокинговское излучение. В итоге, вместо того чтобы стать более четким, изображение атома будет все сильнее размываться вплоть до того, что атом будет казаться размазанным по всему горизонту. Извне это будет выглядеть, как будто — используем уже знакомую аналогию — капля чернил растворяется в ванне с горячей водой.

Идея дополнительности черных дыр, даже если она и выглядит возмутительной, по-видимому, внутренне непротиворечива. К 1994 году я захотел пошатнуть уверенность Хокинга и сказать ему: «Смотри, Стивен, похоже, вся твоя работа лишается основания!» Я вскоре попытался это сделать, но безуспешно. В продлившейся месяц осаде хватало юмора и пафоса. Отвлечемся ненадолго от физики, и я расскажу о моем тогдашнем разочаровании.

17 Ахав в Кембридже

Крошечная белая точка разрослась настолько, что заслонила мне весь мир. Но в отличие от наваждения Ахава мое не было стотонным китом; это был стофунтовый физик-теоретик в кресле с моторчиком. Мои мысли редко удалялись от Стивена Хокинга с его ошибочными идеями о разрушении информации внутри черных дыр. Для моего разума больше не существовало сомнений относительно истины, но я был поглощен необходимостью заставить Стивена это увидеть. У меня не было желания загарпунить или даже унизить его; я хотел только, чтобы он увидел факты так, как видел их я. Хотелось, чтобы он узрел глубокие следствия, вытекающие из его собственного парадокса.

Больше всего меня беспокоило то, что многие эксперты — в сущности, все или почти все релятивисты — принимали выводы Стивена. Мне было непонятно! как он и все остальные могут быть настолько самодовольными. Утверждение Стивена о наличии парадокса и о том, что он может предвещать революцию, были верны. Но почему тогда он и все остальные просто проходят мимо?

Хуже того, я чувствовал, что Хокинг и релятивисты беспечно отбрасывали одну из опор науки, ничего не предлагая взамен. Стивен сделал попытку со своей доллар-матрицей, но потерпел неудачу — ее последовательное применение вело к катастрофическому нарушению закона сохранения энергии, — а все остальные его последователи удовлетворенно говорили: «Ну да, информация пропадает при испарении черных дыр» и оставляли все как есть. Меня раздражало то, что казалось интеллектуальной ленью и отречением от научного любопытства.

Единственным облегчением в моей одержимости были занятия бегом, иногда я пробегал километров двадцать пять или больше по холмам за Пало-Альто. Часто очистить сознание позволяла мне концентрация на том, кто бежал в нескольких метрах впереди, пока я его не обгонял. Тогда передо мной вновь появлялся Стивен.

Он заполнил и мои сны. Однажды ночью в Техасе мне приснилось, что мы со Стивеном оба сидим в механизированных креслах. Всеми силами я старался выбить его из седла. Но Стивен Могучий был невероятно силен. Он схватил меня за горло и держал, не позволяя дышать. Мы боролись, пока я не проснулся в холодном поту.

Как мне было излечиться от этой одержимости? Подобно Ахаву, я мог отправиться к своему врагу и охотиться на него там, где он скрывался. Так что в начале 1994 года я принял приглашение посетить только что открывшийся в Кембриджском университете Ньютоновский институт. В июне Стивен собирал у себя группу физиков, большинство из которых я знал, но не числил среди своих сторонников: Гэри Хоровица, Гэри Гиббонса, Энди Строминджера, Джеффа Харвея, Стива Гиддингса, Роджера Пенроуза, Шинтана Яу и других тяжеловесов. Моим союзником был только Герард [108]т Хоофт, который приезжать не собирался.

Я не был обеспокоен визитом в Кембридж. Двадцать три года назад пара эпизодов оставила у меня чувство обиды и раздражения. Я тогда был молодым, никому не известным и еще не ощущал себя в безопасности, будучи ученым рабочего происхождения. Приглашение к профессорскому столу на обеде в кембриджском Тринити-колледже не слишком помогло заглушить эти переживания.

Я до сих пор не очень понимаю смысл приглашения к профессорскому столу. Не знаю, была ли это честь, и если да, то кого или что чествовали. Или это просто было место для ланча? Как бы то ни было, принимавший меня профессор Джон Полкингхорн провел меня в средневековый зал, увешанный портретами Исаака Ньютона и других гигантов. Студенты сидели на самом нижнем уровне. Преподавательский состав прошествовал к профессорскому столу, стоящему на приподнятой сцене в конце зала. Еду подавали официанты, одетые гораздо лучше, чем я, а с обеих сторон от меня сидели ученые джентльмены, которые что-то бормотали на языке, который я с трудом разбирал. Слева сидел престарелый член совета колледжа, который вскоре захрапел над своим супом. Справа заслуженный преподаватель рассказывал историю об американском госте, который когда-то здесь побывал. Кажется, этот американец оказался по кембриджским меркам недостаточно утонченным, сделав до смешного неуместный выбор вина.