Читаем без скачивания О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус дю Сотой

Странно, что во всех других местах время продолжает идти как ни в чем не бывало. Подобная судьба, видимо, ожидает всех нас. Когда мы умираем, для нас время останавливается, но мы знаем, что для других оно по-прежнему продолжает идти. Я не могу ощутить собственную смерть – и точно так же я не смог бы ощутить достижение пространственно-временной сингулярности.

Мой друг физик дал мне полезный совет на случай падения в черную дыру: как и в случае зыбучих песков, лучше всего не сопротивляться. В свободном падении навстречу неизбежному можно прожить дольше. Кажется, что это противоречит здравому смыслу. Но друг напомнил мне о том, что происходит с часами под действием гравитации и ускорения. Если я буду сопротивляться и пытаться создать ускорение, направленное от черной дыры, окажется, что там, где я нахожусь, время замедляется. Увеличенное ускорение, как и гравитация, замедляет время. И в результате я быстрее попаду в будущее окружающего меня пространства-времени – как моя улетавшая с ускорением дочь Ина попала в будущее своей сестры-близнеца Магали. Поэтому, если я буду сопротивляться, приближаясь к сингулярности, я состарюсь меньше. Но радости от этого будет немного: я просто исчезну в сингулярности, прожив более короткую жизнь. Поэтому лучше всего не сопротивляться, чтобы до попадания в сингулярность осталось как можно больше времени.

Самое интересное, что наблюдатель, находящийся за пределами горизонта событий, никогда не узнает, что происходит внутри его. С его точки зрения, время останавливается, как только я пересекаю горизонт событий, и узнать, что случится потом, невозможно – хотя для меня, растягивающегося в макаронину, такое «потом» существует. Поэтому вопрос о том, что происходит после, не кажется лишенным смысла. Проблема только в том, что законы физики не позволяют получить ответ на него никому, находящемуся вне горизонта событий.

Было высказано предположение, что тот же принцип применим и к проблеме знания того, что происходило до Большого взрыва – если до него вообще что-нибудь происходило. Внутри черной дыры время заканчивается. Но Большой взрыв подобен коллапсу звезды в черную дыру, проигранному задом наперед. Поэтому можно предположить, что при приближении к Большому взрыву время также заканчивается. Другими словами, можно заключить, что у времени есть начало, что само время началось с Большого взрыва.

Сингулярности пространства-времени – это края, точки, в которых мы упираемся в тупик, не пускающий нас дальше. Понять такие края пространства-времени трудно: даже если нам нельзя двигаться дальше, за таким краем все же может существовать что-то еще.

Черные дыры не только ставят под сомнение наше понимание времени, но и, по-видимому, противоречат одному из других открытий современной физики – принципу, согласно которому информация не может быть утрачена.

Абсолютный шредер

У законов квантовой физики есть одно довольно замечательное следствие: они обратимы. Это означает, что информация никогда не может быть утрачена. Такое положение вещей в сильной степени противоречит здравому смыслу. Например, если я подпишусь на журналы Private Eye и Penthouse, а потом сожгу годовые комплекты их обоих, то, казалось бы, невозможно будет определить, какому журналу соответствует та или другая кучка пепла.

Но если иметь полную информацию обо всех атомах и фотонах, содержащихся в таком костре, то теоретически можно запустить процесс сгорания в обратную сторону и восстановить информацию, содержавшуюся в журналах. На практике это, разумеется, было бы чрезвычайно сложно, но наука утверждает, что в этом процессе нет ничего необратимого. Законы физики работают в обе стороны.

Существование черных дыр ставит эту идею под сомнение. Если бросить один из журналов в одну черную дыру, а другой – в другую черную дыру, невозможно будет установить, в какую из черных дыр попал тот или другой журнал. Черные дыры кажутся абсолютным шредером, в котором информация действительно может быть утрачена навсегда.

Черные дыры представляют особенный интерес с точки зрения моих поисков того, чего мы знать не можем, потому что, когда что-нибудь исчезает внутри горизонта событий – границы, за которую не может выйти свет, – информация о том, что пересекло такой горизонт, судя по всему, утрачивается. Если я возьму игральную кость, которая сопровождает меня в поисках того, чего мы не можем знать, и брошу ее в черную дыру, то после того, как она пересечет горизонт событий, я, по-видимому, не смогу узнать, какой стороной она там упадет. С той стороны может стоять стол, на котором на этой кости выпадет шестерка. Некто, находящийся по ту сторону горизонта событий, может увидеть этот результат, но никогда не сможет сообщить о нем, так как все находящееся там заключено в ловушку.

Согласно общей теории относительности, наблюдая черную дыру извне, можно узнать лишь ее массу, угловой момент и электрический заряд. Вся прочая информация утрачена. Эта ситуация известна под ироническим названием «теоремы об отсутствии волос» – считается, что любая другая информация была бы подобна волосам на гладком круглом шаре, представляющем черную дыру. Я могу бросить в черную дыру свою игральную кость, свою виолончель, свои часы, и, как только они пересекут горизонт событий, ничто из внешних свойств такой черной дыры не будет говорить о том, что в нее бросили. Обратить события вспять, чтобы узнать, что именно пересекло горизонт событий, невозможно.

Несмотря на ее название, теорему об отсутствии волос скорее следовало бы считать гипотезой, поскольку неопровержимых доказательств того, что информация действительно утрачивается, нет. Более того, в 1974 г. возникли сомнения в том, насколько горизонт событий скрывает то, что происходит внутри черной дыры. Это связано с тем, что, если верить Стивену Хокингу, черные дыры испаряются.

Не такие уж и черные черные дыры

Бросив игральную кость в черную дыру, по-видимому, невозможно узнать, какой стороной она упадет. По крайней мере, многие полагали, что именно таким должно быть следствие такой концентрации искривленного массой пространства-времени. Но, когда Хокинг применил к черным дырам второе начало термодинамики, оказалось, что эти дыры не столь черны, как предполагалось изначально.

Второе начало термодинамики утверждает, что мы движемся от высокоупорядоченной Вселенной ко Вселенной, содержащей беспорядок. При этом изменяется величина, называемая энтропией системы. Энтропия есть мера беспорядка. По существу, она определяет число различных возможных сценариев реализации данного состояния и тем самым оказывается мерой его вероятности. И второе начало термодинамики гласит, что энтропия Вселенной возрастает.

Вот классический пример увеличения энтропии: рассмотрим газ, заключенный внутри сосуда. Если весь газ сконцентрирован в одном из углов сосуда (предположим, он был сжат внутренними стенками, которые потом убрали), то он со временем распространится по всему его объему. Энтропия определяет число возможных сценариев реализации такого распределения газа. Пока газ заключен в одном из углов, число таких сценариев меньше, чем после исчезновения стенок и распространения газа по всему сосуду. Энтропия возрастает с ростом числа возможных сценариев. Вначале энтропия мала, но впоследствии она увеличивается.

Также можно рассмотреть бытовой пример яйца, которое падает со стола и разбивается об пол. Высокоупорядоченное яйцо превращается в разбросанную массу осколков скорлупы. Разбитую скорлупу можно расположить множеством разных способов, помимо единственного исходного состояния, в котором целая скорлупа окружала яйцо. Если посмотреть видеозапись этого события, проигранную в прямом и обратном направлении, совершенно очевидно, какой из вариантов соответствует реальному течению времени. Увеличение энтропии определяет направление оси времени.

Именно поэтому энтропия тесно связана с понятием времени. Это одна из немногих вещей, которые помогают нам понять, в какую сторону следует крутить это кино. Многие другие физические законы превосходно работают как в прямом, так и в обратном направлении. Хотя физическая возможность восстановления целого яйца на столе и существует, связанное с ней уменьшение энтропии показывает, как мала вероятность такого события.

Однако возникает интересный вопрос: откуда взялся тот исходный порядок, который существовал в яйце изначально? Может показаться, что такое движение от порядка к беспорядку на Земле не проявляется. Мы сами развились из беспорядка доисторических болот и достигли состояния, в котором у нас есть жизнь, яйца и порядок. Но это кажущееся нарушение второго начала термодинамики можно разрешить, потому что Земля получает низкую энтропию из другого источника – речь идет об обмене. Фотоны, прилетающие от Солнца и являющиеся источником жизни на Земле, имеют низкую энтропию. Но Земля под их воздействием не нагревается, а испускает тепло в форме электромагнитных волн более низкой частоты (и, следовательно, энергии), причем число таких волн увеличивается.