Как нас обманывают органы чувств

Черные дыры, которые привели к голографическому принципу, привели к еще одной атаке на наше интуитивное понимание пространства-времени. Хокинг открыл, что черные дыры излучают энергию, теперь называемую излучением Хокинга, температура которой растет с уменьшением размера черной дыры. Излучение Хокинга уносит энергию из черной дыры, заставляя ее сжиматься и со временем испаряться совсем. Хокинг утверждал, что во время этого процесса черная дыра уничтожает всю информацию о любом объекте, которая попала в нее{187}. Если туда попадет кот, то он исчезнет в черной дыре и вся информация о нем навечно уничтожится.

Это плохо для кота, но также и для квантовой теории, которая предполагает, что информация никогда не уничтожается. Это не пустяковое допущение. Если его убрать, квантовая теория рассыплется в бессмыслицу. Утверждение Хокинга представляет серьезную угрозу.

Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что черная дыра засасывает и поглощает не только объекты, но даже само пространство. По мере того, как пространство притягивается ближе к черной дыре, оно движется быстрее, со временем достигая, а потом и превышая скорость света. Ничто не может перемещаться в пространстве быстрее скорости света. Но это ограничение скорости не применимо к самому пространству. Там, где пространство вливается в черную дыру на скорости света, больше нет возможности для света или информации грести в обратную сторону достаточно быстро, чтобы сбежать. Это горизонт событий черной дыры, граница между внешним, откуда свет может уйти, и внутренним, побег откуда невозможен.

Согласно Эйнштейну, кот, пересекший горизонт событий, если черная дыра достаточно массивна, не почувствует ничего необычного. По мере продвижения к центру черной дыры кот «спагеттифицируется», растянется до неузнаваемости быстро меняющейся силой гравитации. Но у горизонта он будет просто парить, не осознавая, что его судьба предрешена.

Согласно Эйнштейну, после пересечения горизонта событий кота и всю его информацию больше никогда не увидят. Потом, когда черная дыра испарится, испарится и вся информация о коте.

Квантовая теория гласит, что информация никогда не уничтожается. Общая теория относительности гласит, что она может пересечь горизонт событий и исчезнуть. Это серьезный парадокс.

Хуже того. Рассмотрим двух любительниц кошек, Пруденс и Фолли. Пруденс наблюдает кота с безопасного расстояния от черной дыры. Она видит, что кот приближается к горизонту событий (но никогда не пересекает), медленно растягивается и деформируется до неузнаваемости и постепенно зажаривается излучением Хокинга – жуткая судьба. Фолли погружается в черную дыру вместе с котом. Она видит нечто более приятное: кот благополучно пересекает горизонт событий без искривлений и возгораний. С точки зрения Пруденс, кот и его информация искажаются снаружи горизонта, но, с точки зрения Фолли, кот и его информация благоденствуют внутри горизонта.

Но наличие информации кота в двух местах – снаружи и внутри черной дыры – нарушает другое правило квантовой теории: квантовую информацию невозможно скопировать. Квантовую информацию нельзя не только уничтожить, ее невозможно размножить. Это контринтуитивно. Я могу скопировать информацию на жесткий диск. Я могу потерять или уничтожить этот диск. Но мои файлы состоят из классических битов, которые записывают классическую информацию. Однако квантовая информация отличается от классической, и это повышает ставки в конфликте между общей теорией вероятности и квантовой теорией{188}.

Можем ли мы разрешить этот конфликт, не нарушая ключевых принципов этих столпов науки? Физик Леонард Сасскинд нашел способ, используя понятие из квантовой теории – дополнительность{189}. В классической физике вы можете определить положение и скорость объекта в одно и то же время. Вы можете сказать в момент, когда футболист бьет по мячу, что его положение на поле такое-то, а скорость к цели такая-то. Но не в квантовой физике. Если вы выстрелите электроном из электронной пушки, вы можете точно измерить его положение или его скорость, но не и то, и другое одновременно. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем больше вы знаете о положении, тем меньше вы можете узнать о скорости, и наоборот. Теорема Кохена-Спекера говорит нам, как мы обсуждали ранее, что положение и скорость электрона на самом деле не имеют реальных значений, не зависимых от способа измерения – положения или скорости, – который вы применяете.

Сасскинд поднял дополнительность на новый уровень, который назвал «дополнительностью черных дыр»{190}. В случае с котом он гласит, что описание кота внутри черной дыры дополнительно описанию снаружи черной дыры. Вы можете наблюдать, как кот снаружи горизонта событий черной дыры превращается в пепел, или вы можете наблюдать кота без огня внутри горизонта. Оба описания справедливы, но дополнительны. И вот ключевой момент: ни один наблюдатель не может видеть оба описания кота, как ни один наблюдатель не может видеть и положение, и скорость электрона.