Хоукинг contra Хоукинг

Черные дыры непрерывно поглощают материю: газ, пыль, целые звезды. В семидесятые годы британский физик Стивен Хоукинг заявил, что вся информация, попадающая в недра черной дыры, теряется безвозвратно. В 2004 году он отказался от этой идеи.

Как же выглядят теперь черные дыры в представлении Хоукинга? Многие физики по-прежнему сомневаются в доказательствах, приведенных британским ученым.
Мы говорим «стрела времени», «ось времени», а две тысячи лет назад могли бы сказать «свиток времени». И сразу иной образ. Так и видишь огромный свиток, что медленно разворачивается, и с каждым его оборотом открывается новый рисунок. Это рождается история.


А вот верхний край свитка не виден. Как ни вглядывайся, все его скрывает какая-то пелена. И тут приходит на помощь образное мышление наших современников. Начальная точка оси времени «выколота», она — за пределами нашей истории. В этой особой — сингулярной — точке не соблюдаются основные физические законы.
И пространство — тот же свиток, что медленно разворачивается перед нами, чем дальше мы заглядываем в космос. Но что это? Свиток вселенской дали явно «потрачен молью». Мы замечаем на нем все новые выколотые точки. Посредине каждой галактики зияет пробел — странный провал в пространстве, будто какой-то безумец методично расстреливал свиток из пистолета. Пробелы эти назвали «черными дырами». В них понемногу падает, исчезает вся окружающая материя. Она вылетает куда-то за пределы нашего пространства? Ее уже невозможно вернуть?
Тридцать лет назад Стивен Хоукинг сказал: «Да».

Точное выражение невозможного
«Если бы аргументы Хоукинга были верны, мы оказались бы перед ужасной необходимостью заново строить теоретические основы физики, — подчеркивает видный американский космолог Джон Прескилл. — С помощью традиционных физических законов невозможно было бы достоверно описать Природу».
Пару веков назад вот так затрещал, раскололся фундамент классической математики, возводимый от Евклида до новых времен. И первые трещины пролегли — кто бы мог подумать? — в стенах скромного Казанского университета, где молодой ректор (всего-то 36 лет!) Николай Лобачевский опубликовал статью «О началах геометрии». Сто лет назад тяжелый кризис пережила классическая физика. Новой опорой науки стала теория относительности. Ее основные положения сформулировал молодой немецкий ученый (всего-то 26 лет!) Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1905 году работу «К электродинамике движущихся тел».
И вот в 1975 году новый кризис. Его виновником стал молодой (всего- то 33 года!) физик из Кембриджа Стивен Хоукинг (см. о нем «ЗС», 2003, № 2). По вине его аргументов фактически утрачивали свою силу закон сохранения энергии, квантовая теория и некоторые другие основные положения физики. Многие ученые отказывались принимать выводы Хоукинга. Не случайно в последние годы так велик интерес к квантовой гравитации. Полагают, что она поможет опровергнуть эти выводы.
Научные споры побудили трех ведущих космологов мира — Джона Прескилла, с одной стороны, и Стивена Хоукинга и Кипа Торна — с другой, заключить особое пари. Спорили о судьбе информации, угодившей в черную дыру.
И тут череда многоточий — так много кругом неведомого, неясного, что не выразить ни формулой, ни тезой, лишь обозначить (временно, конечно!) россыпью точек, — сменяется четким пунктиром фактов. Словно в диком поле кто-то проложил дорогу. Попробуем совершить по ней прогулку. Вот основные ориентиры нашего пути.
6 февраля 1997 года — день заключения пари. На|рада победителю: какая-нибудь энциклопедия. Что за пятно красуется рядом с росчерками Прескилла и Торна? Отпечаток пальца Хоукинга — его оригинальная подпись.
Новая дата: 21 июля 2004 года. Подпись на обороте фотографии, где три пожилых человека смотрят на какой-то фолиант: Дублин, семнадцатая международная конференция по общей теории относительности и гравитации. Звуковая дорожка: «Теперь я готов признать себя проигравшим пари, пусть даже Кип Торн продолжает упорствовать». Этот механический, компьютерный голос нельзя не узнать. Ему вторят голоса десятков журналистов, съехавшихся в Дублин: «Хоукинг признал себя побежденным». Через полчаса, когда доклад отзвучит, картина будет ясна. Останется лишь, наведя лупу на снимок, прочитать красно-белую надпись на книге: «Total Baseball», «Весь бейсбол в одном томе». На следующий день газеты сообщат, что том весит семь килограммов.
Линия пунктира резко обрывается. На сцене стоит герой дня, Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института, и к удивлению журналистов, уже осмысливших сказанное, говорит: «Я хочу честно признаться: я не понял доклада. Но мне это и не нужно. Ведь уговор был таков: победитель получает энциклопедию, когда другая сторона признает свое поражение. Понимать при этом не обязательно».
Многоточие. Большинство ученых, присутствовавших на слушании, внесли свою лепту, поставили несколько точек в знак того, что эта вязь из формул теории струны и квантовой физики не во всем понятна и им. Попробуем и мы покинуть дорожку и перенесемся туда, где точки разрослись, как чертополох.

В поисках пропавшей информации
Еще в шестидесятые годы ряд физиков пришли к выводу, что почти вся информация о теле, угодившем в черную дыру, теряется. Могут уцелеть лишь сведения о его массе, моменте количества движения и электрическом заряде.
«Эта потеря информации отнюдь не представляла собой проблему для классической физики, — вспоминает Стивен Хоукинг. — Согласно классическим представлениям, черная дыра живет вечно, и можно предполагать, что информация сохранится в ее недрах, хотя и останется не очень-то доступной. Ситуация изменилась, когда я открыл, что черная дыра вследствие квантовых эффектов испускает излучение. Делая допустимое приближение, можно предположить, что это излучение является полностью тепловым, а значит, не может нести в себе никакой информации. Что же случится с информацией, которая заключена в недрах черной дыры, когда та испарится и перестанет существовать? Похоже, единственный способ, позволяющий вновь выудить информацию, так это предположить, что излучение не является строго тепловым; иными словами, существует некая хитроумная корреляция».
Если же информация безвозвратно уничтожается внутри черной дыры, этого «великого уравнителя», тогда нарушается так называемая унитарность квантовой теории и всякие корреляции невозможны. Иными словами: не всякое конечное физическое состояние объекта однозначно соотносится с начальным состоянием. Судьба любого объекта, старательно сшиваемая пунктиром фактов, разрывается, подменяется несусветным множеством точек. Или, говоря уж совсем простецким наречием: если сегодня вечером вы, журналист А* 3*, занесенный судьбой черт знает в какую чернейшую дыру, сидите и пишете статью о Стивене Хоукинге, то вполне может быть, что десять лет назад вы Хоукингом и были, а в вашем обличье жил какой-то другой человек. Так что развязная болтовня Хлестакова о книгах, которые он написал, не пустая похвальба лжеца, а... ниспосланное ему понимание «истин физики в последней инстанции».
Как бы то ни было, квантовая теория оказывалась негодной. Мир — в новейших прозрениях физиков — превращался в коварный хаос, где произойти могло что угодно, вопреки всяким правилам. Мир становился непознаваем. Или, перефразируя цитату, навеки сросшуюся с именем Эйнштейна: «Бог не только играет в кости, но еще и бросает их так, что не разглядишь выпавших чисел». Все растворяется в тумане. Все подменяется многоточиями. «Не разглядишь!» Ироничная острота Хоукинга звучит как высший закон мироздания.

Союз тривиального с нетривиальным
В Дублине звучали другие слова. Хоукинг стремился доказать обратное. В его мысленном эксперименте фотоны, излучаемые черной дырой, улетали в бесконечность — туда, гае на их поведении никак не скажутся флуктуации пространства-времени, создаваемые черной дырой. Ведь описать их можно лишь весьма приблизительно, с помощью разрабатываемой сейчас теории квантовой гравитации. Бесконечность же, в рассуждениях Хоукинга принимавшая все, что вырвалось из недр черной дыры, тем и хороша, что в ней можно было не учитывать влияние самой черной дыры. Там классическая теория сохраняла свои права. «Это позволяет нам сделать вывод, что сохраняется и информация, попавшая в недра черной дыры; она оказывается на бесконечно далеком расстоянии от черной дыры». С такой же убедительностью можно сказать, что и человек — сгусток информации, исчезающий в черной дыре смерти, — сохраняется на бесконечно далеком расстоянии от нее, от себя прежнего.

В принципе, после «математической гимнастики», проделанной Хоукингом в Дублине, прав оказался каждый из участников спора. «Информация исчезает в топологически нетривиальном пространстве-времени, — сказал Хоукинг в своем заключительном слове, — но, с другой стороны, она сохраняется в топологически гривиальном пространстве-времени. Странности и смятение возникали, когда принимались мыслить классически, сводя все к одной-единственной топологии мироздания: либо к четырехмерному пространству-времени, либо к черной дыре. Однако идеи Фейнмана (расчеты, проделанные Хоукингом, во многом основаны на „методе интегральных троп“ Ричарда Фейнмана; подробнее смотрите статью „Новое откровение Хоукинга“. — А.З.) допускают, что одновременно имеет место то и другое. Сказать же, какой именно топологией наблюдатель должен пользоваться в тот или иной момент времени, так же проблематично, как и в квантовой физике сказать, через какую именно из двух щелей электрон проникает во время проводимого эксперимента. Единственное, что может констатировать наблюдатель, находящийся в бесконечности, так это то, что информация не исчезает».
Итак, к концу доклада Хоукинга расшатанные было основы физики вновь укрепились, зато разительно переменилось все мироздание. Прежде оно было усеяно особыми «выколотыми» точками, где безвозвратно скрывалась материя. Кто-то называл их ловушками, которые будут хранить добытое ими вечно; кто-то (сам Хоукинг в том числе) — «вратами в иной мир», в мир иных Вселенных; кто-то (например, Прескилл) считал черные дыры «великими шифровальщицами»: да, их излучение несет информацию, но мы не можем ее расшифровать. Теперь эти провалы в пространстве затянуло водянистой рябью. Туда все так же исправно ссыпались газ, пыль, целые звезды, чтобы — подобно обломку, затянутому в водоворот,— вынырнуть несусветно далеко от этой пучины. Вынырнуть, оставшись все в той же Реке пространства, в той же Реке времени.
«Дочерняя Вселенная при этом не отпочковывается, вопреки тому, что я думал раньше. Информация неизменно остается в нашей Вселенной, — вот еще один часто цитируемый фрагмент дублинской речи. — Мне жаль разочаровывать любителей научной фантастики, но если информация сохраняется, значит, нет никакой возможности совершать при помощи черных дыр путешествие в другие Вселенные. Все, что попадет внутрь черной дыры, разумеется, исказится, но возвратит свою массу и энергию в нашу Вселенную; будет сохраняться пусть в неузнаваемом виде и информация о том, что произошло».
— В чем значимость открытия? — спрашивает Хоукинга корреспондент.
— Результат показывает, что во Вселенной все подчиняется законам физики.

Хоукинг и другие
Пунктир выводов превращается в жирную прямую линию, перечеркивающую многие прежние выводы Хоукинга и его коллег. Линия, продолженная в зал, где сидят 800 известных физиков (никого из российских ученых, кстати, нет), вдруг обрывается, распадается на множество точек. Слова Хоукинга безвозвратно исчезают, будто свалившись в классическую черную дыру.
«Он все опроверг. Но я думаю, что это ошибка», — говорит Роджер Пенроуз из Оксфордского университета, давний соратник Хоукинга. Именно он в конце 1960-х годов убедительно показал, что Большой Взрыв был сингулярным событием.
«Хоукинг полностью пересмотрел свои прежние воззрения, — отмечает Роберт Уолд из Чикагского университета, один из ведущих знатоков общей теории относительности. — Теперь он полагает, что можно проследить происхождение всего того, что побывало в черной дыре и было излучено ей (можно восстановить сгоревший том „Мертвых душ“, к такому сравнению прибегали российские журналисты. — А.З.). Он порывает с тем, что мы все еще считаем истинным».
«Для меня это звучит неубедительно» — отмечает Джон Фридман из Висконсинского университета. «Лично мне кажется более убедительной гипотеза Прескилла» — полагает российский космолог, академик Валерий Рубаков.
И наконец, слово еще одному участнику «большого пари», Кипу Торну: «Хоукинг, наверное, прав. Похоже, он нашел подходящий аргумент. Но мне хотелось бы ознакомиться с его идеей подробнее».
А это значит, что к теме «черных дыр» мы непременно будем возвращаться в ближайшие годы. Именно в образе черной дыры — чего-то бесформенного, невидимого — завелась трещина в основах классической физики. Она разрастается, она непрерывно поглощает материю физической науки: квантовую теорию, закон сохранения энергии...
Удастся ли залатать ее заверениями Хоукинга? Подкрепят ли пошатнувшийся фундамент семь килограммов «Total Baseball»?