Не забудьте принять антигравитационные пилюли

8 419 677 599-й год

Давным-давно Земля сошла с орбиты вокруг ныне уже мертвой звезды Сол. Бессчетные поколения сменились за время странствия, пока мы не нашли свое место на орбите вокруг гигантской черной дыры где-то в сверхскоплении Кома. Планета находится под управлением одной и той же корпорации с конца двадцать первого века, когда в результате бескровного переворота вся власть оказалась в руках фармацевтической индустрии.

— И что же теперь, граф Геритол? Вы же пообещали результат за пять лет. А теперь растрачиваете мое время на очередной отчет о «продвижении»?

— Ваше Королевское Высочество, ничтожный червь молит вас о королевском прощении за свою непростительную глупость, но на этот раз у меня поистине замечательные новости. Мы его поймали!

Его Королевское Высочество император Мерк LLXXXVI на мгновение нахмурился. Затем повернул свою невероятно лысую голову к графу, министру производства фальшивой информации и продвижения антирациональных наук, и пригвоздил его к стене своим буравящим взглядом:

— Дурак. Кого вы поймали? Еще одного попугая?

— Нет, Ваше Сиятельство. Это еретик, величайший из них. Мы поймали решающего уравнения потомка грязного физика, того, кто заражает наш народ злыми слухами о том, что антигравитационные пилюли — подделка. Прямо сейчас он в вашей приемной прикован цепями к стене. Привести? — Подхалимское лицо графа растянулось в угоднической улыбке. — Готов поспорить, он бы не отказался сейчас от валиума. Ха-ха.

Слабая улыбка промелькнула на лице Его Королевского Высочества:

— Тащите собаку сюда.

Пленника, изодранного, избитого, но нераскаявшегося, грубо швырнули на пол к ногам Геритола.

— Как твое имя, собака, и кто твоя родня?

Поднявшись на ноги и дерзко отряхивая пыль со своей туники, пленник посмотрел в глаза своему гонителю и гордо ответил:

— Меня зовут Стив^[92]. — После долгой демонстративной паузы, столь долгой, что граф почувствовал себя неудобно, он продолжил: — Я потомок древнего рода, который известен со времен Битвы при черной дыре. Моим предком был Стивен Смелый из Кембриджа.

Черты лица императора на мгновение смазались неуверенностью, но он быстро восстановил самообладание и улыбнулся:

— Прекрасно, доктор Стив, полагаю, вам подойдет этот титул. Теперь посмотрите, куда ваш древний род вас привел. Ваше существование меня раздражает. Единственный вопрос: как именно избавиться от вашего присутствия.

Позднее, когда искусственное солнце зашло на западе, Стиву принесли его последний ужин. Как будто в насмешку, император прислал отборные кушанья со своего собственного стола и к ним приложил сообщение о своей «симпатии». Мрачный охранник с низко посаженной головой (тюремщики, однако, хорошо относились к Стиву) зачитал послание. На взгляд охранника, это была худшая из возможных новостей. «Завтра в первом часу вас, вашу семью и всех ваших друзей-еретиков поместят на борт малой обитаемой планеты и сбросят в бездну — в гигантскую утробу темного огня и жара, окружающую черную дыру. Сначала вам будет становиться все горячее. Потом ваша плоть станет поджариваться, а кровь закипит. Все ваши биты будут перемешаны до полного испарения и необратимо рассеются в небесах». Без видимых причин лицо Стива успокоилось, и на нем проступила слабая улыбка. «Странная реакция на плохое известие», — подумал охранник.

Император и граф поднялись рано утром. Настроение у властелина было дружелюбным, почти веселым.

— Сегодня мы позабавимся. Не так ли, граф?

— О да, Ваше Превосходство. Я уже объявил о казни. Народ с удовольствием понаблюдает в свои телескопы за тем, как у еретиков закипает кровь.

Беспокоясь об императорском одобрении, граф предложил дополнительно проверить температуру черной дыры.

— Проверьте, министр. С этого расстояния горизонт выглядит холодным, но давайте опустим термометр ближе к поверхности на тросе и зафиксируем температуру у горизонта. Конечно, это делалось не раз, но я хочу порадоваться тому, как растет столбик ртути.

И вот уже небольшая ракета готова поднять над Землей термометр. Преодолев земное тяготение, градусник падает к горизонту, а за ним тянется кабель. Термометр опускается, пока кабель не натягивается.

— Тепло, но не горячо. Опустите пониже, граф, — приказывает император. Еще немного кабеля сматывается с барабана. В телескоп император наблюдает за подъемом ртути: выше точки кипения воды, выше точки кипения ртути, стекла — наконец, термометр испаряется.

— Достаточно ли горячо, Ваше Высочество? — спрашивает граф.

— Вы имеете в виду, достаточно ли горячо для Стива, граф? Да, я думаю, там отличный климат. Пора начинать казнь.

И вот уже вторая ракета, на этот раз достаточно большая, чтобы нести две сотни человек, готовится отправить несчастных научно-рациональных еретиков на небольшой, но гостеприимный спутник. Жена Стива, рыдая от безысходности, крепко вцепилась в его руку. Физик хотел бы объяснить ей правду, но еще слишком рано. Повсюду вокруг них императорская гвардия.

Спустя несколько часов граф собственноручно нажимает кнопку, которая запускает гигантскую ракету, сводящую небольшой зеленовато-голубой спутник с околоземной орбиты. Вместе с двумястами напуганными пассажирами (теперь гвардии с ними уже нет) колония начинает спускаться к темному огню.

— Я вижу их, граф, — сообщает император. — Тепло начинает на них воздействовать. Их движения становятся расслабленными и замедленными. О-о-очень замедленными.

Купол обсерватории весьма велик, и окуляр телескопа оказался в самом неудобном месте. Граф улыбается, достает антигравитационные пилюли и предлагает одну императору:

— Ради безопасности Вашего Высочества. Падение отсюда может быть весьма неприятным.

Император глотает пилюлю и вновь смотрит в окуляр:

— Я еще вижу их. Но смотрите, они начинают падать прямо к горизонту. Теперь мои лояльные подданные увидят, как разрывает моих врагов. Следите, их индивидуальные биты постепенно смешиваются в горячий плотный суп. И, один за другим, они уносятся фотонами. Подсчитаем их и убедимся, что враги полностью испарены.

Они следят, как фотоны регистрируются и анализируются гигантской батареей компьютеров телескопа.

— Что ж, — констатирует граф. — Все в полном соответствии с предсказаниями квантовой механики. Учтен каждый бит информации, но они перемешаны до полной нераспознаваемости. Никто не сможет Шалтая-Болтая собрать.

Император кладет руку на плечо графа и говорит:

— Мои поздравления, граф. Очень хорошая утренняя работа. — Но неосторожный жест нарушает его равновесие. Шестьдесят метров до пола, и граф вдруг думает: а действительно ли слухи об антигравитационных пилюлях — полная неправда?

Стив напряженно изучает свой блокнот. Затем с улыбкой отрывается и обнимает жену:

— Дорогая, скоро мы совершенно безопасно пересечем горизонт.

Миссис Стив и остальные явно озадачены, и он продолжает:

— Наше спасение — принцип эквивалентности, — объясняет он. — На горизонте нет опасности. Это не более чем безобидная точка невозврата.

И добавляет:

— К счастью, мы находимся в состоянии свободного падения, и наше ускорение полностью погасит воздействие гравитации черной дыры. Пройдя через горизонт, мы ничего не почувствуем.

Его жена по-прежнему смотрит скептически:

— Пусть даже горизонт безвреден. Но я слышала ужасные рассказы о неизбежной сингулярности внутри черной дыры. Разве она не разорвет нас на биты?

— Да, это так, — отвечает он. — Но эта черная дыра так велика, что пройдет около миллиона лет, прежде чем наша планета приблизится к сингулярности.

И с этими словами они счастливо пересекли горизонт, по крайней мере, если вы верите в принцип эквивалентности.

Конец

 

В этой истории много огрехов, помимо литературных. В частности, если черная дыра столь велика, что Стив и его последователи могут прожить годы, прежде чем достигнут сингулярности^[93], то и графскому термометру понадобится не меньше лет, чтобы добраться до места измерения. Еще хуже то, что время, в течение которого черная дыра испускает биты информации, изначально принадлежавшие Стиву и его последователям, должно быть невероятно долгим, гораздо большим, чем время жизни Вселенной. Но если игнорировать такие количественные детали, основная логика этой истории вполне осмысленна.

Или нет?

Стал ли Стив жертвой горизонта? Граф и император подсчитали каждый бит, и все они были в продуктах испарения «в полном соответствии с предсказаниями квантовой механики». Так что Стив был уничтожен, когда приблизился к горизонту. Но история также говорит, что Стив благополучно пересек горизонт без ущерба для себя и своей семьи — в полном соответствии с принципом эквивалентности.

Очевидно, мы имеем дело со столкновением принципов. Из квантовой механики вытекает, что все объекты над самым горизонтом встречают сверхгорячую область, где экстремальная температура превращает всю материю в разрозненные фотоны, которые потом уходят от черной дыры, подобно тому как свет уходит от Солнца. В итоге каждый бит информации, уносимый падающей материей, должен найти отражение в этих фотонах.

Но, похоже, принцип эквивалентности дает нам другую, противоположную версию этой истории.

Лекция прерывается

Позвольте мне прервать пересказ лекции 1988 года, чтобы прояснить детали, которые были известны многим любителям физики, присутствовавшим в аудитории, но, возможно, не известны вам. Прежде всего, почему принцип эквивалентности дает изгнанникам уверенность в безопасности горизонта? Тут помогает мысленный эксперимент, который я упоминал в главе 2. Представьте себе жизнь в лифте, но в мире, где гравитация гораздо сильнее, чем на поверхности Земли. Если лифт неподвижен, пассажиры ощущают всю силу тяготения ступнями своих ног и всеми частями своих сдавленных тел. Допустим, лифт начинает подниматься. Направленное вверх ускорение делает ситуацию еще хуже. Согласно принципу эквивалентности, ускорение дает дополнительный вклад в испытываемую пассажирами силу тяжести.

Но что, если трос оборвется и лифт начнет ускоряться вниз? Тогда он вместе с пассажирами окажется в состоянии свободного падения. Воздействие гравитации и направленное вниз ускорение в точности компенсируют друг друга, и пассажиры не смогут сказать, что они находятся в мощном гравитационном поле, по крайней мере пока они не ударятся о землю и не испытают разрушительного действия направленного вверх ускорения.

Точно так же изгнанники на своей свободно падающей планете не должны чувствовать никакого влияния гравитации черной дыры вблизи горизонта. Они подобны свободно дрейфующим головастикам из главы 2, которые, не замечая того, проплывают мимо точки невозврата.

Второй момент — менее знакомый. Как я уже объяснял, хокинговская температура черной дыры чрезвычайно мала. Тогда почему же граф с императором регистрировали такую высокую температуру вблизи горизонта, когда опускали туда свой термометр? Чтобы это понять, нам надо знать, что происходит с фотоном, когда он вырывается из мощного гравитационного поля. Но давайте начнем с чего-то более знакомого — камня, брошенного вертикально вверх с поверхности Земли. Если его начальная скорость невелика, он упадет обратно на поверхность. Но если придать ему достаточную кинетическую энергию, камень вырвется из земного тяготения.

Однако даже если камню это удастся, у него останется гораздо меньше кинетической энергии, чем было на старте. Иными словами, начиная движение, камень обладает гораздо большей кинетической энергией, чем к тому моменту, когда он наконец покинет Землю.

Все фотоны движутся со скоростью света, но это не значит, что все они имеют одинаковую кинетическую энергию. На самом деле они во многом похожи на камень. Поднимаясь в гравитационном поле, они теряют энергию; чем сильнее гравитация, которую они преодолевают, тем больше энергии теряется. По мере удаления от горизонта запасы энергии гамма-излучения настолько истощаются, что оно превращается в очень малоэнергичную радиоволну. И наоборот, радиоволна, наблюдаемая вдали от черной дыры, должна была быть высокоэнергичным гамма-излучением, когда покидала горизонт.

Теперь рассмотрим графа и императора, находящихся высоко над черной дырой. Хокинговская температура столь мала, что радиочастотные фотоны имеют очень низкую энергию. Но, немного подумав, граф и император могут понять, что те же фотоны были сверхвысокоэнергичными гамма-квантами, когда они испускались вблизи горизонта. Но это то же самое, что сказать: там внизу намного горячее. Гравитация у горизонта черной дыры столь сильна, что фотонам требуется колоссальная энергия для ухода из этой области. При наблюдении издали черная дыра может быть очень холодной, но близко поднесенный термометр подвергается жестокой бомбардировке энергичными фотонами. Вот почему палачи были уверены, что их жертвы испарятся на горизонте.

Лекция продолжается

Похоже на то, что мы пришли к противоречию. Один набор принципов — общая теория относительности и принцип эквивалентности — говорят, что информация в ненарушенном виде Попадает внутрь горизонта. Другой — квантовая механика — приводит нас к противоположному заключению: падающие биты, хотя и в страшно перепутанном виде, в конце концов возвращаются в форме фотонов и других частиц.

Тут вы может спросить: откуда мы знаем, что биты после падения сквозь горизонт, но до попадания в сингулярность не могут выйти обратно в виде хокинговского излучения? Ответ очевиден: чтобы сделать это, им потребовалось бы превысить скорость света.

Я продемонстрировал вам серьезный парадокс — и утверждаю, что он может иметь огромное значение для будущего физики. Но я не дал вам никакого намека на возможные пути решения этой дилеммы. Это потому, что я сам не знаю ее решения. Но у меня есть по этому вопросу предубеждение, и позвольте я расскажу, в чем оно заключается.

Я не верю, что мы откажемся от принципов квантовой механики или от тех, на которых строится общая теория относительности. В частности, я, как и Герард 'т Хоофт, верю в то, что при испарении черных дыр не происходит потери информации. Каким-то образом мы упускаем нечто очень важное относительно информации и того, как она локализуется в пространстве.

Эта лекция в Сан-Франциско была первой в большом ряду подобных лекций, которые я читал на физических факультетах и конференциях по меньшей мере на пяти континентах. Я решил, что, даже если я не могу разрешить эту загадку, я должен проповедовать ее важность.

Одну из таких лекций я помню особенно хорошо. Она состоялась в Техасском университете на одном из лучших физических факультетов в Соединенных Штатах. В аудитории было множество выдающихся физиков, таких как Стивен Вайнберг, Уилли Фишлер, Джо Полчински, Брайс Девитт и Клаудио Тейтельбойм, — все они внесли большой вклад в теорию гравитации. Меня очень интересовали их взгляды, так что в конце лекции я провел опрос аудитории. Если мне не изменяет память, Фишлер, Девитт и Тейтельбойм остались в меньшинстве, считая, что информация не теряется. Полчински был убежден аргументами Хокинга и проголосовал вместе с большинством. Вайнберг воздержался. В целом итог голосования был примерно три к одному в пользу Хокинга, однако значительная часть аудитории не захотела связывать себя с определенной позицией.

В период этой патовой ситуации наши со Стивеном пути несколько раз пересекались. Самая важная изо всех этих встреч состоялась в городе Аспене.

14
Схватка в Аспене

До лета 1964 года я никогда не видел холмов выше горы Минневаска (которая почти достигает километровой отметки) в Катскильских горах. Когда, будучи двадцатичетырехлетним аспирантом, я впервые увидел Аспен в Колорадо, он показался мне странным и волшебным горным королевством. Окружающие город высокие, покрытые снегом пики вызывают ощущение чего-то сверхъестественного и далекого от цивилизации, особенно в глазах городского мальчишки вроде меня. Уже став популярным лыжным курортом, Аспен все еще сохранял дух того колоритного периода конца девятнадцатого века, когда здесь добывали серебра Улицы были немощеные, a туристов в июне было так мало, что можно было разбить лагерь почти в любом месте в окрестностях города. В этом месте было полно довольно странных типов. В любом баре вы могли оказаться между настоящим американским ковбоем и грубым небритым шахтером или между грязным рыбаком и польским пастухом. Вы также могли затеять беседу с одним из представителей элиты американского бизнеса, или с концертмейстером берклевского студенческого оркестра, или с физиком-теоретиком.

На западной окраине города, между Аспен-Маунтин с юга и Ред-Маунтин с севера, расположилась группа невысоких зданий, окруженных большой стриженой лужайкой. Летними днями можно заметить, как десятки физиков, сидя за садовыми столиками, о чем-то спорят, что-то доказывают или просто радуются замечательной Погоде. В главном здании Аспеновского института теоретической физики смотреть особенно не на что, но сразу за ним, на открытом воздухе стоит затененная навесом доска. Именно здесь и происходит все самое интересное, когда некоторые величайшие мировые физики-теоретики встречаются на семинарах, чтобы обсудить свои самые свежие идеи.

В 1964 году я был в этом центре единственным студентом, причем, вероятно, за всю двухлетнюю тогда историю этого института. Но, по правде сказать, я оказался там не благодаря каким-то особым талантам в физике. С проходящего неподалеку континентального водораздела через город бежит речка Роуринг-Форк. Течение в ней быстрое и бурное, вода очень холодная, и, что самое важное, она полна серебра. Не металлического, с серебряных рудников, а живого серебра дикой радужной форели. Мой научный руководитель Питер удил на муху и, узнав, что я тоже этим занимаюсь, позвал на лето с собой в Аспен.

Когда я был мальчишкой, отец учил меня ловить форель на спокойных восточных реках, легендарных Биверкил-Ривер и Эзопус-Крик в Катскилле. Заводи там были совсем тихими, и в них можно было заходить по грудь. Часто видно было не только муху, но и коричневую форель, которая ее клюет. Однако на Роуринг-Форк в июне здравомыслящий рыбак стоял на берегу и делал все возможное, чтобы уследить, где находится его муха. Хотя мне понадобилось некоторое время, чтобы освоиться с этой техникой, я выловил в то лето много форелей и почти ничего не узнал о физике.

Сегодня я уже не так люблю Аспен. Ковбоев сменила элитная публика, и, на мой взгляд, лучше от этого не стала За прошедшие годы я несколько раз возвращался сюда ради физики, а не рыбалки. Однажды, около 1990 года, проезжая через город по пути в Боулдер, я остановился, чтобы прочитать лекцию.

К тому времени черные дыры и загадка о пропавшей информации вновь стали появляться на экранах радаров. Общее мнение склонялось в пользу того, что прав Хокинг, но некоторые (помимо меня и 'т Хоофта) ставили это под вопрос Среди них был неподражаемый Сидни Коулмен.

Сидни был колоритным персонажем и героем целого поколения физиков. С усами, впалыми глазами и длинными нечесаными волосами, он всегда напоминал мне Эйнштейна. У него был невероятно быстрый ум, а способность сразу ухватывать суть дела, особенно при обсуждении сложных и тонких вопросов, стала легендой. Сидни был добрым человеком, но он терпеть не мог дураков. Не один известный докладчик в Гарварде (где Сидни был заслуженным профессором) уходил, поджав хвост, после безжалостного допроса, устроенного Коулменом. В тот день в Аспене его присутствие означало, что докладчик должен держаться высочайших стандартов.

По чистой случайности в аудитории было еще одно знакомое лицо. Как только я вышел на семинарскую площадку во дворе и направился к доске, передо мной выкатилось знакомое высокотехнологичное кресло на колесах, и Стивен Хокинг занял место в первом ряду. Как все знали, моей целью было подорвать аргументы Стивена относительно утраты информации. Моя стратегия состояла в том, чтобы сначала обозначить природу проблемы, повторив умозаключения Стивена. На это планировалось потратить около половины выделенного мне часа. Затем я собирался объяснить, почему эти рассуждения не могут быть правильными. Но я также хотел кое-что добавить к рассуждениям Стивена, чтобы сделать его аргументы еще более убедительными. Ведь чем сильнее его позиция, тем вероятнее, что понадобится смена парадигмы, если в итоге доказать, что он ошибается.

В рассуждениях Стивена я хотел заполнить важный пробел, о котором, по-видимому, никто не задумывался. Вот в чем была идея. Представьте, что область над самым горизонтом заполнена множеством крошечных невидимых ксерокопировальных машин. Когда любая информация, письменный документ например, падает к горизонту, эти машины дублируют ее, порождая две совершенно идентичные копии. Одна из них продолжает без помех двигаться сквозь горизонт во внутренние области черной дыры и, в конце концов, уничтожается в сингулярности. Но судьба второй копии значительно сложнее. Для начала она тщательно перемешивается и перетасовывается вплоть до полной нераспознаваемости (без знания схемы перемешивания). А затем она испускается вовне в виде Кокинговского излучения.

Фотокопирование информации перед самым пересечением горизонта, казалось бы, решает проблему. Рассмотрим сначала наблюдателей, парящих в стороне от черной дыры. Они увидят, как хокинговское излучение возвращает каждый бит информации. И они придут к выводу, что нет надобности менять правила квантовой механики. Грубо говоря, они посчитают, что хокинговские идеи относительно разрушения информации ошибочны.

А что можно сказать о свободно падающем наблюдателе? Сразу после пересечения горизонта он оглянется по сторонам и увидит, что ничего не случилось. Все его биты при нем, составляют ту же личность и продолжают падать в окружении тех же предметов, что и раньше. Горизонт, с этой точки зрения, — это не более чем безобидная точка невозврата, так что эйнштейновский принцип эквивалентности полностью соблюдается.

Может ли быть так, что горизонт черной дыры покрыт идеально надежными миниатюрными (возможно, планковских размеров) копировальными устройствами? Это кажется соблазнительной идеей. Если она верна, то может легко и логично объяснить парадокс Стивена: никакая информация в черной дыре не теряется, и будущие физики могут продолжать использовать принципы квантовой механики. Квантовые ксероксы на горизонте каждой черной дыры могли бы неожиданно положить конец Битве при черной дыре.

Сидни был впечатлен. Он повернулся на своем стуле лицом к аудитории и, в своей характерной манере, объяснил сказанное гораздо более ясно, чем излагал я сам. Стивен, однако, ничего не сказал. Скрючившись, он сидел на своем кресле с широкой улыбкой на лице. Было очевидно, что я знаю нечто, неизвестное Сидни. На самом деле и я и Стивен понимали, что мое объяснение было соломенным чучелом, которое создавалось лишь для того, чтобы его сжечь.

Мы со Стивеном знали, что идеальные устройства копирования квантовой информации противоречат принципам квантовой механики. В мире, управляемом математическими правилами, сформулированными Гейзенбергом и Дираком, идеальная копировальная машина невозможна. Я назвал это утверждение принципом квантовой нексерокопируемости. В новой области физики, называемой квантовой теорией информации, эта же идея называется принципом неклонируемости.

Я торжествующе посмотрел на Коулмена и сказал: «Сидни, квантовый ксерокс невозможен», ожидая, что он немедленно меня поймет. Но в этот раз его огненно-быстрый мозг протормозил, и мне пришлось подробно все растолковывать. Объяснение, которое я дал Сидни и другим участникам семинара, заставило заполнить формулами всю доску и отняло почти все оставшееся время семинара. Вот его упрощенная версия.

Представьте себе машину с одним входом и двумя выходами. Во входной порт можно поместить любую систему в любом квантовом состоянии. Например, в копир можно загрузить электрон. Машина выполняет ввод и выдает два идентичных электрона. Причем объекты на выходах идентичны не только между собой, но и с тем, что первоначально был на входе.

 

На входе один электрон с определенной волновой функцией. На выходе два идентичных электрона

Квантовый ксерокс

Если бы такую машину можно было построить, она позволила бы обойти нерушимый принцип неопределенности Гейзенберга. Допустим, мы хотим узнать одновременно положение и скорость электрона. Все, что нам понадобится, — это скопировать его, а затем измерить положение одного клона и скорость другого. Но, конечно, такое невозможно в силу принципов квантовой механики.

К концу часа я успешно защитил парадокс Стивена и объяснил принцип нексерокопируемости, но у меня не осталось времени, чтобы изложить собственную точку зрения. И перед самым завершением семинара бестелесный механический голос Стивена провозгласил: «Так что теперь вы со мной согласны!» Его глаза озорно блестели.

Было очевидно, что я потерпел поражение. Я был повержен моим собственным дружественным огнем, недостатком времени и особенно быстрым остроумием Стивена. Покидая тем вечером Аспен, я задержался на Диффикалт-Крик и достал было свою нахлыстовую удочку. Однако моя любимая заводь оказалась полна шумных детей, плавающих на резиновой камере.

Часть III
Контратака

15
Сражение в Санта-Барбаре

К концу одного из пятничных рабочих дней в 1993 году все остальные сотрудники уже разошлись по домам. Только мы с Джоном и Ларусом еще сидели в моем стэндфордском офисе, трепались и пили сваренный Ларусом кофе. Исландцы варят самый крепкий кофе в мире. По словам Ларуса, это как-то связано с их традицией засиживаться за выпивкой до глубокой ночи.

Ларус Торласиус, высокий исландский викинг (он говорит, что происходит не от норвежских воинов, а от ирландских рабов), был стэнфордским постдоком, только что защитившим диссертацию в Принстоне. Джон Углум, техасец и республиканец (но не религиозного толка, а либертарианец в духе Айн Рэнд^[94]) был моим аспирантом. Несмотря на политические и культурные различия — сам я либеральный еврей из Южного Бронкса, — мы были приятелями с множеством чисто мужских развлечений: пить кофе (а иногда и что покрепче), спорить о политике, разговаривать о черных дырах. (Немного позже Аманда Пит, студентка из Новой Зеландии, расширит наше маленькое братство до трех братьев и сестры.)

К 1993 году черные дыры не только появились у физиков на экранах радаров, но и оказались в самом центре поля зрения. Отчасти причиной была провокационная статья, написанная примерно полутора годами ранее четырьмя известными американскими физиками-теоретиками. Курт Коллан, принстонский аристократ, ведущий ученый в области физики элементарных частиц, был с 1960-х годов влиятельным членом американского научного истеблишмента. (Он был научным руководителем диссертации Ларуса.) Энди Строминджер и Стив Гиддингс были более молодыми, напористыми профессорами Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB). В то время я различал их по тому, что Гиддингс носил шорты, а Строминджер — подтяжки. Джефф Харви из Чикагского университета был (и остается) великим физиком, талантливым композитором (см. конец главы 24) и эстрадным комиком. Собирательно они были известны как CGHS (по инициалам), а описанную ими упрощенную версию черных дыр называли CGHS-дырами. Их совместная статья на короткое время стала сенсацией, отчасти потому авторы заявили, что наконец решили проблему потери информации при испарении черной дыры.

Что делало CGHS-теорию столь простой — оглядываясь назад, можно сказать обманчиво простой: она описывала вселенную, имеющую лишь одно измерение в пространстве. Их мир был даже проще Флэтландии, воображаемого двумерного мира Эдвина Эббота^[95]. CGHS представили себе мир существ, которые живут на бесконечно тонкой линии. Эти создания были настолько простыми, насколько это возможно: не сложнее отдельных элементарных частиц. На одном конце этой одномерной вселенной находилась массивная черная дыра, достаточно тяжелая и плотная, чтобы захватывать все, что подходит к ней слишком близко.

 

Написанная CGHS статья содержала исключительно элегантный математический анализ хокинговского излучения, но где-то в этом анализе они ошиблись и утверждали, что квантовая механика исключает сингулярность, а с ней и горизонт. Мы с Аарусом и еще одним коллегой, Йоргом Руссо, были среди нескольких человек, указавших на ошибку. Это сделало нас экспертами по CGHS-дырам. (Была даже особая версия CGHS-теории, названная RST-моделью по инициалам Руссо, Сасскинда и Торласиуса.)

Так вот, причиной, заставившей нас с Джоном и Аарусом задержаться в пятницу после работы, была надвигающаяся конференция, специально посвященная загадками и парадоксам черных дыр. Она начиналась через две недели в Санта-Барбаре, где находился Институт теоретической физики (ITP)^[96] при UCSB^[97]. Как оценить ITP в качестве научного учреждения? Если коротко, то очень высоко. К 1993 году он стал активным центром исследований по черным дырам.

Джеймс Хартл был самым уважаемым специалистом по черным 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 ученых, которым предстояло сыграть большую роль в Битве при черной дыре. Все они разменяли четвертый 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 упертой приверженностью ошибочным идеям. Но в конце концов это более чем оправдалось.

Гэри Хоровиц, третий из молодежной сборной UCSB, был релятивистом, то есть специалистом по теории относительности. На ней он сделал себе имя и считался блестящим ученым. Он также работал с Хокингом и знал о черных дырах больше, чем кто-либо другой. Наконец, Джо Полчински недавно перевелся 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 поражен 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 черными дырами, иногда — теорией струн. Огромный талант этой маленькой сплоченной группы сделал ее 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 черным дырам в Санта-Барбаре станет важным событием.

По-видимому, конференцию созывали для того, чтобы отметить эффект, произведенный статьей CGHS. Была надежда, что изобретенная 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 чем мне рассказывать.

Возможно, всему виной повышенный уровень кофеина в кофе, или выброс тестостерона, или просто наше братство трех мушкетеров, но я сказал Джону и Ларусу: «Черт 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 втроем 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.

« Я считаю, что мы втроем должны собрать вместе разрозненные нити нашей полусырой идеи и, даже если мы не можем ее доказать, попытаться сделать ее более точной. Даже акт именования новой концепции может иногда добавить ясности. Предлагаю нам вместе написать статью о дополнительности черных 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 черных 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 черной дыры, — граф, император, его лояльные подданные — видят одно и то же^[99]: Стив разогревается, испаряется и превращается в хокинговское излучение. Но что важно, все эго происходит до того, как он достигнет горизонта.

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 черной дыры подразумевает, что этот слой должен состоять из крошечных объектов, скорее всего, не больше планковского размера. Горячий слой будет впитывать все, 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 черных дыр идею воображаемой мембраны, окружающей черную 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].

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

Растянутый горизонт