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

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