Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2004 № 12
ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Стивен Хокинг: «Информация в черной дыре все-таки сохраняется…»
Многим из вас, наверное, еще памятны споры времен детского сада: «А кто сильнее — слон или кит?» И никому в то время как-то было невдомек; что ответа на этот вопрос нет хотя бы потому; что слон с китом никогда не встретятся, чтобы побороться и таким образом выяснить, кто же из них сильнее. Слишком уж разные у них сферы обитания…
Еще более странно бывает слышать, когда подобными «детскими» вопросами задаются люди вполне взрослые. Тем не менее, такое порой тоже случается. Выходит же из этого вот что…
В 1997 году известные ученые-физики — англичанин Стивен Хокинг, профессор Кембриджского университета, и американец Джон Прескилл, профессор Калифорнийского технологического института и в то же время директор Института квантовой информации, — заключили пари на полное издание Британской энциклопедии, которое проигравший должен купить выигравшему.
Суть спора состояла в следующем: что будет, если эту самую энциклопедию уронить в черную дыру? Пропадет вся заключенная в многотомнике информация или хоть что-то останется?..
Спор, начатый, можно сказать, в шутку, неожиданно для самих участников вылился в яростную научную дискуссию, которая продолжается более пяти лет и в которой на стороне каждого из участников пари выступили уже десятки физиков со всего мира.
Чтобы понять, почему так получилось, придется оглянуться в историю почти на сто лет назад. И вспомнить, что сам по себе феномен черных дыр чисто теоретически был предсказан немецким физиком Карлом Шварцшильдом в 1916 году. Ученый предположил, что где-то во Вселенной может существовать объект, который втягивает в себя все: и материю, и излучение, и, наверное, информацию тоже…
В общем, что в такую дыру упало, то пропало.
Сколько-нибудь весомо подтвердить свое предположение Шварцшильд не успел, поскольку был призван в армию и вскоре погиб на фронте (шла ведь еще Первая мировая война).
А его гипотеза, оставшаяся без защитника, подверглась критике многих теоретиков того времени. В частности, Альберт Эйнштейн до самой смерти не соглашался поверить в такую шутку природы и вообще относился с большим подозрением к самой концепции существования черных дыр.
Со временем в возможность существования таких объектов в космосе стало верить все больше специалистов. Согласно последним утверждениям астрономов, им удалось к настоящему времени обнаружить свыше 300 черных дыр. Обладая сверхмощным тяготением, дыры эти, словно вселенские пылесосы, втягивают из окружающего пространства не только пыль, газ, материю окружающих небесных тел, но даже свет и прочее электромагнитное излучение. И не выпускают назад ровным счетом ничего.
Так, во всяком случае, полагали до недавнего времени два крупнейших специалиста по черным дырам, доктор Кип Торн и доктор Стивен Хокинг. Ну а поскольку носителем информации обычно является какой-либо материальный носитель (книжная, журнальная или газетная страница, дискета или диск) или радиоволна (электромагнитное излучение), то и информация, по идее, должна исчезать в черной дыре безвозвратно.
Казалось бы, логично. Однако доктор Джон Прескилл взглянул на проблему иначе. Он утверждает, что информация никуда пропасть в природе не может. Потому как есть, мол, такой закон — сохранения информации, подобный закону сохранения энергии. Да и вообще в природе ничто ниоткуда не возникает и никуда бесследно не исчезает…
В общем, дело дошло до пари…
Если вы думаете, что космологи занимаются за счет налогоплательщиков всякими глупостями, то не торопитесь с выводами. За шуточной формой пари скрывается серьезное содержание. Ведь от того, каков окажется на самом деле исход спора, может зависеть будущее физики, да и науки вообще.
Дело в том, что ныне лучшие умы планеты бьются над объединением теории гравитации и квантовой теории в некую «теорию всего». Если такое объединение удастся, одним из следствий этого может стать появление на свет неких антигравитаторов и прочих устройств, которые встречаются сейчас только в фантастических романах.
Так что давайте присмотримся для начала к аргументам доктора Прескилла. Свое убеждение, что информация должна сохраняться, он основывает на таком факте. Уравнения квантовой теории, описывающие движение микрочастиц, обратимы во времени. Если происходит реакция, в ходе которой одна такая частица превращается в несколько других, то обратимость уравнений означает, что, рассматривая реакцию, обратную данной, можно по конечным продуктам распада восстановить исходную картину.
Понятно, если природа допускает утрату информации, такое восстановление окажется не всегда возможным: будет недоставать данных о каких-то промежуточных этапах. По мнению Прескилла, такая «утечка информации» в одном каком-то месте (пусть и в черной дыре) обязательно должна вызвать появление провалов и в других местах. Это превратилось бы в некую «информационную эпидемию», и мы давно должны были бы ее заметить.
Профессор Прескилл также связывает сохранение информации с сохранением энергии. На ранних этапах становления квантовой теории — в 20-е годы XX века — было много разговоров о том, что в микромире закон сохранения энергии, возможно, нарушается. Такие толки были вызваны результатами исследования так называемого бета-распада, в ходе которого часть энергии действительно как будто бы исчезала. Позже, однако, удалось установить: недостающую энергию уносит с собой трудноуловимая частица нейтрино. Как только ее «засекли», справедливость закона была восстановлена. А поскольку всякая передача информации неизбежно связана с затратой энергии, бесследное исчезновение информации повлекло бы за собой исчезновение соответствующей энергии. То есть, говоря иначе, «отсюда следует, что аналогично закону сохранения энергии должен существовать и закон сохранения информации», — полагает Прескилл.
На первый взгляд, против рассуждений профессора можно выдвинуть сразу несколько возражений. Ну, например, такое: все мы свидетели, что информацию можно уничтожить. В свое время сгорела, например, бесценная библиотека в Александрии. Сгорела вторая часть рукописи «Мертвых душ», уничтоженная самим автором. Горели на кострах, разведенных нацистами, лучшие произведения мировой литературы…
Тем не менее, доктор Прескилл берет на себя смелость утверждать, что даже в этом случае информация на самом деле не исчезает, а лишь превращается в языки пламени. Их форма, цвет и другие особенности зависят от сжигаемой рукописи, даже от вида и расположения букв и прочих знаков на ней. «В принципе, — говорит он, — информацию можно восстановить именно по этим языкам пламени»…
К сожалению, пока у доктора Прескилла нет конкретных рецептов, как выловить написанное из огня. Тем не менее, он утверждает, что информация, в принципе, не исчезнет бесследно даже «в конце времен», когда Вселенная умрет «тепловой смертью», достигнув максимума энтропии, когда все упорядоченные виды движения превратятся в хаотическое тепловое движение атомов и частиц. Даже в этом случае, полагает Прескилл, информация всего лишь перейдет в «иную форму».
Все это так, соглашались с Прескиллом Стивен Хокинг и его сторонники, пока дело не касалось черных дыр. Такая дыра благодаря своей огромной массе так искривляет пространство около себя, что на ее «горизонте» (той воображаемой границе, из-под которой ничто уже не может вернуться наружу) спонтанно и непрерывно возникают пары «частица — античастица». Причем если одна из частиц такой пары возникнет над «горизонтом», то она может улететь в космос, оставив своего «партнера»-неудачника «под горизонтом». Этот процесс и ведет к постепенному «испарению дыры», то есть к ее исчезновению.
Казалось бы, что это меняет? Если, как говорит доктор Прескилл, информацию можно восстановить по языкам пламени, почему бы не восстановить ее по испарению частиц? «Тут не за что зацепиться, — утверждал Хокинг. — Черная дыра не имеет волос».
Это загадочное утверждение надо понимать так: «горизонт» такой дыры абсолютно гладок, как череп лысого человека. Там нет ни одной «волосинки», которая позволила бы догадаться, что тут раньше было. Выражаясь точнее, «испарение», выходящее из черной дыры (или, как говорят, ее «хокинговская радиация»), — абсолютно бессмысленный шум, лишенный каких бы то ни было признаков логики. Уронили б мы в дыру первый том «Британики» или двадцать первый, понять это по хокинговской радиации принципиально невозможно.
Вот такие каверзы устраивают нам черные дыры. Такой вот возник «информационный парадокс». Или, говоря иначе, в поведении этих загадочных объектов Вселенной проявляется та еще не известная физикам единая теория «квантовой гравитации», в которой должны когда-нибудь объединиться обе вышеназванные составляющие. Не зная же законов этой теории, невозможно решить, кто прав.
