Как нас обманывают органы чувств - Дональд Дэвид Хоффман Страница 38

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.

Сейчас идея Сасскинда называется дополнительностью горизонта, потому что применима не только к горизонту черной дыры, но и к любому горизонту событий, включая горизонт, который ограничивает видимую Вселенную.

Дополнительность горизонта кажется радикальной, но она работает. Она позволяет квантовой теории и общей теории относительности сосуществовать без противоречий. Но мы должны оставить мысли о том, что можем описать пространство-время и объекты снаружи горизонта и одновременно внутри горизонта. Предположение, что мы можем видеть и то, и другое, предположение божественного ока, которое на самом деле не может осуществить ни один наблюдатель, является проблемой. Если мы откажемся от божественного ока из ниоткуда, тогда квантовая теория и общая теория относительности могут мирно сосуществовать. Но возможные последствия ошеломительны. Кто-то может отмахнуться от дополнительности положения и скорости электрона, как от странного свойства крошечных частиц. Но это не сработает с горизонтами черных дыр. Они могут быть миллионы миль в диаметре. Безбрежное пространство-время внутри огромного горизонта дополнительно безбрежному пространству-времени снаружи. Если мы настаиваем на едином объективном пространстве-времени внутри и снаружи черной дыры – идея, принятая Эйнштейном и здравым смыслом, – тогда мы противопоставляем квантовую теорию и общую теорию относительности. Если отпускаем объективное пространство-время, то они радуются воссоединению.

Дополнительность горизонта бросает вызов идее, что существует одно объективное пространство-время, в котором находятся все наблюдатели. Но физики Джо Полчински, Ахмед Альмейри, Дональд Марольф и Джеймс Салли (известные как АМПС по своим инициалам) нашли другой способ выпороть эту идею, используя квантовую запутанность{191}. Снова рассмотрим Фолли и черную дыру. Но на этот раз пусть черная дыра испускает излучение Хокинга, пока не уменьшится до половины своего первоначального размера, в этот момент, говорит нам квантовая теория, можно начать расшифровывать информацию в излучении.

Согласно квантовой теории поля, вакуум не просто пустота. Он бурлит па́рами виртуальных частиц. Каждый член недолговечной пары запутан со своим партнером и имеет противоположные параметры. Пара появляется, и сразу же их противоположные параметры уничтожают друг друга, оставляя вакуум, лишенный реальных частиц. Теперь рассмотрим две такие виртуальные частицы, 1 и 2, которые появились возле самого горизонта черной дыры и которые, с точки зрения Фолли до прыжка, не уничтожают друг друга. Вместо этого 2 падает в черную дыру, а 1 становится, для Фолли, реальной частицей излучения Хокинга.

Фолли, до того как прыгнуть в черную дыру, может определить, что 1 запутана с какой-то частицей, 3, излучения Хокинга, которая ранее появилась из черной дыры. Затем она может скользнуть в черную дыру, где обнаруживает, что 1 и 2 запутаны.

Но тогда возникает проблема: квантовая теория требует, чтобы запутанность была моногамной. Частица 1 может быть максимально связана с частицей 2 или частицей 3, но не с обеими.

Дополнительность горизонта не может решить проблему АМПС, потому что эта проблема не двух наблюдателей, разделенных горизонтом. Это один наблюдатель, Фолли, который видит 1 и 3 запутанными, а затем видит 1 и 2 запутанными. АМПС пытались решить эту проблему, предложив поместить возле горизонта файрвол, который сжигает бедняжку Фолли, когда она проходит сквозь него, так что она никогда не увидит 1 и 2 запутанными. Этот файрвол спасает квантовую теорию, но нарушает общую теорию относительности, которая предсказывает, что возле горизонта не должно происходить ничего необычного – Фолли должна проплыть без проблем и уж точно не должна видеть внезапно появившуюся из ниоткуда стену огня.

Парадокс файрвола АМПС вызывает ступор и множество усилий приложено, чтобы решить его. Например, Даниэль Харлоу и Патрик Хайден открыли, что расшифровать излучение Хокинга непросто{192}. Используя лучший из возможных квантовых компьютеров, Фолли потребуется слишком много времени, чтобы выяснить, что 1 и 3 были запутаны. Черная дыра уже станет ничем, так что Фолли не сможет также наблюдать, что 1 и 2 были запутаны. Ни один наблюдатель не сможет обнаружить обе запутанности.

Некоторые физики рекомендуют избегать божественного ока, заключив физику в «причинный алмаз» наблюдателя – часть пространства-времени, которая может взаимодействовать с