Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной

Я упомянул о квантово-механической революции в физике. Другой крупной революцией начала XX века стала теория относительности Эйнштейна. Некоторые явления зависят от характера движения наблюдателя. Например, мы не можем с абсолютностью утверждать, что два события, разделённые пространственным промежутком, произошли одновременно. Их последовательность может быть разной для разных наблюдателей, движущихся друг относительно друга. Скажем, один наблюдатель увидит две последовательные вспышки света, в то время как другой заявит, что они произошли одновременно.

Принцип дополнительности чёрных дыр является новым и более сильным принципом относительности. Ещё раз: описание событий зависит от состояния движения наблюдателя. Оставаясь в покое снаружи чёрной дыры, вы видите одну картину. Свободно падая внутрь чёрной дыры, вы видите те же события в совершенно другом представлении.

Дополнительность и относительность – плоды величайших умов XX века – объединены теперь в радикально новое видение пространства, времени и информации.

Голографический принцип

Возможно, ошибка, которую допустил Хокинг, состоит в том, что он представлял, что бит информации имеет определённую пространственную локализацию. Простым примером квантового бита является поляризация фотона. Каждый фотон обладает спином, проекция которого на направление движения фотона называется спиральностью. Представьте себе электрическое поле фотона в виде стрелочки, перпендикулярной направлению его движения. Конец этой стрелочки вращается в плоскости, перпендикулярной направлению движения фотона, описывая в пространстве винтовую спираль. Эта спираль может закручиваться как по, так и против часовой стрелки подобно правой или левой резьбе на винте. В первом случае фотоны, составляющие пучок света, называются правыми, а во втором – левыми. Используемые в повседневной жизни винты и шурупы почти всегда имеют правую резьбу, но это не проявление какого-то закона природы, а исключительно следствие того, что в человеческой популяции правши преобладают над левшами. Фотоны могут с равной вероятностью быть как правыми, так и левыми. Это явление носит название круговой поляризации фотонов.

Поляризация одиночного фотона содержит один-единственный квантовый бит информации. Сообщения, передаваемые азбукой Морзе, могут отправляться в виде последовательности фотонов, имеющих различную поляризацию, кодирующую точки и тире.

Итак, каждый фотон может нести с собой один бит информации. Что можно сказать о локализации этого бита информации в пространстве? В квантовой механике местоположение фотона не может быть определённым, потому что нельзя с одинаковой точностью определить местоположение и импульс фотона.

Означает ли это, что бит информации вообще не имеет какого-то определённого места в пространстве?

Вы можете не знать точно, где находится фотон, но способны точно определить его местоположение, если поставите именно такую экспериментальную задачу. Просто нельзя определить одновременно точное местоположение фотона и его импульс. После того как вы точно определите местоположение фотона, вы будете точно знать, где находится бит информации, который он несёт. В рамках обычной квантовой механики и теории относительности любой наблюдатель согласится с вами. В этом смысле квантовый бит информации имеет определённое местоположение. По крайней мере, так всегда считалось.

Но принцип дополнительности чёрных дыр утверждает, что расположение информации не является определённым даже в этом смысле. Один из наблюдателей находит информационные биты где-то глубоко под горизонтом, а другой видит те же биты, излучаемые обратно с поверхности, лежащей над самым горизонтом. Всё выглядит так, будто информация всё-таки не имеет определённого местоположения в пространстве.

Существует альтернативный способ представления этой проблемы. В этом представлении биты информации всё-таки обладают определённым местоположением, но оно находится вовсе не там, где вы думаете. Это – голографический взгляд на природу, порождённый размышлениями о чёрных дырах. Как же работает голографический принцип?