О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Физики говорят, что мультивселенная ставит нас перед парадоксом. Космология мультивселенной исходит из представления о космической инфляции: очень краткого этапа очень быстрого расширения Вселенной, который она прошла на самых ранних стадиях своего существования. Инфляционная теория уже довольно долго подкрепляется множеством наблюдательных доказательств, но при этом обладает неудобной особенностью: в этой модели создается не одна, но огромное число вселенных. И так как теория не дает нам возможности понять, в какой из них должны находиться мы – этой информации в ней недостает, – она теряет бо́льшую часть своей способности предсказывать, что именно мы должны наблюдать. Это парадокс. С одной стороны, наша лучшая космологическая теория предполагает, что мы живем в мультивселенной. И в то же время идея мультивселенной во многом разрушает предсказательную способность этой теории.

Стивен не впервые оказывался лицом к лицу с парадоксом. Еще в 1977 году он приложил руку к решению подобной загадки в контексте черных дыр. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что почти вся информация о чем бы то ни было, попадающем в черную дыру, навсегда остается скрытой внутри нее. Но Стивен обнаружил, что квантовая теория вносит в эту историю парадоксальный поворот. Он показал, что квантовые процессы вблизи поверхности черной дыры приводят к тому, что она излучает слабый, но устойчивый поток частиц, в том числе и частиц света. Это излучение – теперь его называют излучением Хокинга – слишком слабое, чтобы его можно было зарегистрировать физическими методами, и само его существование оказывается внутренне противоречивым[27]. Дело в том, что, если черные дыры излучают энергию, они должны съеживаться и в конце концов исчезать. Что же происходит с огромным количеством информации, скрытым внутри черной дыры, когда последний грамм ее массы превращается в излучение? Вычисления Стивена показали, что эта информация будет потеряна навсегда. Черные дыры, утверждал он, это идеальные мусоросборники. Однако такой сценарий противоречит основному принципу квантовой теории, который требует, чтобы в ходе физических процессов информация могла преобразовываться и кодироваться, но никогда бы не могла быть необратимо уничтожена. Мы снова приходим к парадоксу: квантовые процессы заставляют черные дыры излучать и терять информацию, но та же квантовая теория говорит, что это невозможно.

Парадоксы, связанные с жизненным циклом черных дыр и с нашим местом в мультивселенной, стали двумя самыми жгучими и наиболее горячо обсуждаемыми загадками физики последних десятилетий. Так как они имеют прямое отношение к природе и судьбе информации в физике, они попадают в самое сердце любой физической теории. Оба этих парадокса возникают в контексте так называемого полуклассического теоретического описания гравитации, которое впервые предложили Стивен и его кембриджская «банда» в середине 1970-х на стыке классического и квантового подходов. Парадоксы начинают сказываться, когда кто-то применяет такой полуклассический подход либо на слишком длинных временных шкалах (в случае черных дыр), либо на слишком больших расстояниях (в случае мультивселенной). Взятые вместе, они дают самую наглядную на сегодня иллюстрацию глубинных трудностей, которые возникают, когда мы пытаемся заставить две основополагающие физические теории XX века, теорию относительности и теорию квантов, работать в гармонии друг с другом. В этой роли они послужили основой для головокружительных мысленных экспериментов, в рамках которых теоретики проэкстраполировали свое полуклассическое описание гравитации до крайних пределов, чтобы посмотреть, где и как именно оно перестанет работать.

Стивен всегда обожал мысленные эксперименты. Отвергая философию, он любил экспериментировать с некоторыми глубокими философскими вопросами – было ли у времени начало, фундаментально ли понятие причинности и – этот вопрос был самым амбициозным – каким образом мы как «наблюдатели» вписываемся в космическую схему. И делал он это, прибегая к построению хитроумных теоретико-физических экспериментов. Все три великих вклада Стивена в физику были результатом изобретательно задуманных и тщательно спланированных мысленных экспериментов. Первым из них стала его серия теорем о сингулярности Большого взрыва в рамках классической гравитации; вторым – сделанное им в 1974 году в области полуклассической гравитации открытие, что черные дыры излучают; и третьим – «предложение об отсутствии границы» при возникновении Вселенной, также сделанное в рамках полуклассической гравитации.