Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Конечно, в природе и в физических экспериментах в такие игры никто не играет, но аналогия всё равно существует. Роль того, кто раскладывает электроны по коробкам, могут играть атомы или даже далёкие звёзды. Существенным моментом оказывается то, что для наблюдаемой корреляции, даже на, казалось бы, полностью случайном квантовом уровне, есть общая причина. Она должна существовать, как утверждал Эйнштейн, чтобы можно было избежать того, что он называл «жутким дальнодействием»: иначе получается, что электрон из Лос-Анджелеса воздействует на электрон в Нью-Йорке. Но, хоть Эйнштейн и думал, что должна существовать «общая причина», было совершенно непонятно, что это: она не проявлялась ни в лабораторных экспериментах, ни в математическом аппарате. Поэтому «общие причины» квантовых корреляций стали называть скрытыми переменными.

Но тут-то и начинается настоящая жуть! Скрытых переменных не существует. Общей причины для квантовых корреляций не существует. В нашей игре тот, кто разложил электроны по коробкам, не знал – и фактически не мог знать – что именно вы с другом увидите, открыв коробки. Другими словами, возможно создание коррелирущих событий, которые невозможно было предопределить. Мы, тем не менее, знаем, что состояния электронов были скоррелированы прежде, чем были измерены их спины: эта корреляция называется запутанностью

. Насколько можно судить о глубоких концепциях в квантовой физике, квантовая запутанность, вероятно, самая молодая из них.

Только в конце 1960-х Джон Белл предложил экспериментальный тест для доказательства того, что природа действительно ведёт себя так. И только в самое последнее десятилетие было получено убедительное экспериментальное доказательство этого – правда, для фотонов, а не для электронов. Хоть наша маленькая воображаемая игра исходила из противоположных предположений, манипулирование состояниями запутанных фотонов на больших расстояниях и сохранение этих состояний оказывается невероятным, бросающим вызов здравому смыслу фактом реальности. Ничего не поделаешь – в нашем мире мы регулярно производим коррелирующие события, для корреляции которых нет ни одной причины.

Возможно, это покажется не таким неожиданным, если глубоко задуматься над смыслом принципа неопределённости. Он говорит нам, что некоторые параметры квантовой частицы не могут быть определены – другими словами, что их не существует, пока они не измерены. И в научном, и в техническом отношении это звучит нелепо, но никакой нелепости нет! Запутанность лежит в основе доказуемо нераскрываемой криптографии, секретного кода, который невозможно взломать. К тому же она может и кое-что объяснить в физике чёрных дыр! Но, прежде чем мы перейдём к этому вопросу, мы хотим, чтобы вы кое-что сделали… Знаете, что? Бросьте в печку энциклопедию.

Файрволл чёрной дыры

Нет, всё-таки подождите жечь её. Учёный никогда бы не одобрил сжигание книг: это просто лучшая аналогия из всех, которые приходят в голову. Энциклопедия, книга, набитая всевозможной информацией, конечно, сгорит. После того, как её страницы обратятся в пепел, вся хранившаяся в ней информация потеряется. А может быть, нет? В принципе мы могли бы собрать весь дым и пепел, а потом скрупулёзно, атом за атомом, сложить их вместе, восстановив сожжённую энциклопедию. Это ещё один закон сохранения: сохранения информации

. Он вытекает из основной симметрии уравнений квантовой физики относительно обращения хода времени. Даже если бы вы швырнули книгу в чёрную дыру, в принципе, содержащаяся в ней информация осталась бы где-то там – но не исчезла. Да и энциклопедия напечатана не в одном экземпляре. Информация не пропадает!

Рассмотрим трагический сценарий: друг, с которым вы играете в игру из предыдущей секции, падает в чёрную дыру со своей закрытой коробкой, а в ней лежит одна перчатка. Мы не успели заглянуть в коробку – выходит, информация о том, с какой руки эта перчатка, потеряна? Нет. Тот, кто разложил перчатки по коробкам, всё ещё владеет ею. Однако, будь в коробке электрон, перед нами встала бы проблема: раз никто не может узнать, каково было состояние электрона, упавшего в чёрную дыру, то выходит всё-таки, что для Вселенной эта информация потеряна! Это знаменитый информационный парадокс или парадокс исчезновения информации в чёрной дыре: у неё нет памяти, которая хранила бы детальную информацию о том, что в неё упало.[56]

А дальше дело становится ещё хуже.

Допустим, что рассматриваемая запутанная пара частиц – одна из вакуумных флюктуаций «частица-античастица», с которыми мы встречались, когда говорили о начале Вселенной. Пусть античастица падает в чёрную дыру, а частица – нет. Затем античастица встречается с частицей, составляющей часть чёрной дыры. Две этих частицы аннигилируют и – пуф! – крохотная часть массы чёрной дыры исчезает! Значит, чёрные дыры всё же теряют массу – они испаряются[57][58].