Глава шестая. Гравитация. Пространство-время обречено.

Эйнштейн никогда не прекращал обдумывать смысл квантовой теории… Мы часто обсуждали его соображения по поводу объективной реальности. Помню, как однажды на прогулке Эйнштейн неожиданно остановился, повернулся ко мне и спросил, правда ли я верю, что Луна существует, только когда я смотрю на нее. Абрахам Пайс «Эйнштейн и квантовая теория» Пристегни ремень, Элли, и скажи Канзасу прости-прощай. Сайфер, «Матрица»

Если наши органы чувств сформированы естественным отбором, тогда теорема ППИ говорит нам, что мы не видим реальность такой, какая она есть. ИТВ говорит нам, что наше восприятие образует интерфейс специфичный для каждого вида. Он скрывает реальность и помогает нам растить детей. Пространство-время – рабочий стол этого интерфейса, а физические объекты – иконки на нем.

ИТВ делает смелые и экспериментально проверяемые предсказания. Она предсказывает, что ложки и звезды – все объекты в пространстве-времени – не существуют вне восприятия и наблюдения. Что-то существует, когда я вижу ложку, и это что-то, что бы оно ни было, провоцирует мою систему восприятия создать ложку и наделить ее координатами, формой, движением и другими физическими параметрами. Но когда я отвожу взгляд, я больше не создаю эту ложку, и она перестает существовать вместе со своими физическими параметрами.

Например, ИТВ предсказывает, что фотон, который не наблюдают, не имеет определенной поляризации. Она предсказывает, что электрон, который не наблюдается, не имеет спина, положения или скорости. Эксперимент, который опровергнет эти предсказания, опровергнет ИТВ.

Объекты, которые я вижу, – мои иконки. Объекты, которые видите вы, – ваши иконки. Когда мы сравниваем записи, выясняется, что часто наши иконки совпадают: я вижу кота и вы тоже; я вижу огонь и вы тоже. Мы часто соглашаемся, потому что взаимодействуем с одной и той же реальностью, чем бы она ни была, и используем похожие интерфейсы с похожими иконками. Но ИТВ предсказывает, что у нас могут быть разногласия. Я могу видеть огонь и готовить ужин, а вы ничего не видите, и ваш ужин остается холодным; я вижу кота живым, а вы мертвым.

ИТВ предсказывает, что пространство-время не существует вне наблюдения. Мое пространство-время – рабочий стол моего интерфейса. Ваше пространство-время – ваш рабочий стол. Пространство-время различается у разных наблюдателей, и некоторые параметры пространство-времени не обязательно всегда совпадают у всех наблюдателей. Реальность, чем бы она ни была, избегает рамок пространства-времени.

Это, как я сказал, смелые предсказания. Но правда ли они проверяемы? Может ли современная физика их опроверг-нуть? Я могу смело предсказать, что, когда никто не смотрит, луна превращается в швейцарский сыр, если знаю, что мое предсказание никак не проверить. Фраза, что у электрона нет спина, когда он не подвергается наблюдению, может прозвучать смело, но как проверить подобное утверждение? Можем ли мы провести эксперимент, тщательное наблюдение, которое скажет нам, что происходит, когда никто не наблюдает? Если это звучит для вас невозможно, тогда, как я упоминал в четвертой главе, вы в хорошей компании, поскольку это также казалось невозможным гениальному физику Вольфгангу Паули. Эйнштейн поинтересовался, следует ли из квантовой теории, что «Луна существует, только когда я смотрю на нее». Паули ответил: «Существует ли что-либо такое, чего мы не знаем, по этому поводу следует ломать голову не больше, чем по старому вопросу о том, сколько ангелов уместится на острие иглы. Но мне кажется, что вопросы Эйнштейна в конечном итоге относятся к тому же типу»{153}.

Эйнштейн верил, что пространство-время и объекты существуют и обладают определенными параметрами независимо от того, наблюдает их кто-то или нет. Точнее говоря, он верил в локальный реализм. Реализм – это утверждение, что физические объекты обладают определенными значениями физических параметров – таких как координаты, импульс, спин, заряд и поляризация, – даже когда их никто не наблюдает. Локальность – это утверждение, что физические объекты не могут влиять друг на друга быстрее скорости света. Локальный реализм гласит, что и локальность, и реализм истинны. В своем письме физику Максу Борну Эйнштейн настаивал, что физика должна придерживаться «требования о независимом существовании имеющихся в различных областях пространства физических реальностей»{154}[14]. Эйнштейн считал, что квантовая теория, которая нарушает это требование, не дает полного представления физической реальности. В своем письме Борну он отмечал: «Я все же нигде не нахожу факта, который казался бы мне достаточно основательным, чтобы отказаться от этого требования»{155}.

Это было правдой, когда Эйнштейн писал это в 1948 году. Но в 1964 году физик Джон Белл открыл факт, который ошеломил бы Эйнштейна: существуют эксперименты, для которых квантовая теория предсказывает результаты, противоречащие локальному реализму{156}. Независимо от того, является ли квантовая теория, как утверждал Эйнштейн, неполной, она противоречит локальному реализму. Теперь эксперименты Белла проводятся в различных вариациях, и каждый раз предсказания квантовой теории подтверждаются. Теперь у нас есть превосходное доказательство, что локальный реализм эмпирически ошибочен, даже если квантовая теория ошибочная или неполная. Это значит, что реализм ошибочен или локальность ошибочна, или ошибочны оба. Здесь для Эйнштейна нет удачного выбора, или для нашей обыденной интуиции.

Одна экспериментальная проверка локального реализма, вдохновленная Беллом и осуществленная в Делфтском технологическом университете в Нидерландах, измерила спины запутанных электронов{157}. Спин электрона странная штука. Фрисби, волчки и фигуристы могут вращаться медленно, быстро и в диапазоне между. Но не электрон. Если измерить проекцию его спина на любую ось, вы обнаружите, что есть только два возможных ответа – вверх или вниз. Как будто электрон может вращаться или по часовой стрелке, или против, но только с одной скоростью.

Запутанность тоже странная. Поставьте два вращающихся волчка бок о бок, и вы можете описать каждый волчок и его спин (момент импульса) по-отдельности. Но для двух запутанных электронов это невозможно. Их надо описывать, как будто это один неделимый объект независимо от того, насколько далеко они друг от друга. Например, физик может запутать спины двух электронов таким образом, что если спин одного электрона вдоль какой-то оси устремлен вверх, то спин другого электрона по этой оси всегда стремится вниз. Это справедливо независимо от того, какую ось вы выберете. Также это справедливо независимо от того, насколько далеко электроны друг от друга. Они могут находиться на расстоянии в миллиард световых лет. И тем не менее, если вы измерите спин электрона рядом с вами, то мгновенно узнаете, что обнаружили бы, измерив спин электрона, который находится за миллиард световых лет. Если реализм прав и если ваше измерение спина здесь мгновенно влияет на спин электрона за миллиард световых лет, то этот эффект нарушает принцип локальности – о том, что никакое влияние не может распространяться быстрее скорости света.

Во время делфтского эксперимента создали запутывание спинов двух электронов на расстоянии 1280 м{158}. Свет преодолевает это расстояние за четыре миллионных секунды. Спины двух электронов измеряли по случайно выбранным осям. Принципиально важно, что два спина измерили в одно и то же время. Это гарантировало, что одно измерение не могло повлиять на другое никаким локальным процессом, то есть процессом, который распространяется не быстрее скорости света. Делфтский эксперимент, как и все другие, подтвердил предсказания квантовой теории и опроверг локальный реализм. Измерения спинов двух электронов были связаны таким образом, который, как показал Белл, был бы невозможен, если бы локальный реализм был верным. Либо реализм неверен и электроны не обладают определенными значениями спина до того, как их измерят, либо неверна локальность и электроны влияют друг на друга со скоростью, превышающей скорость света. Или неверны оба: и реализм, и локальность.

Физики пытаются разгадать, какое из предположений ошибочно, реализм или локальность. Эксперименты Антона Цайлингера и его коллег с запутанными фотонами опровергли большой класс теорий, утверждавших, что реализм верен, а локальность ошибочна{159}. Они делают вывод: «Мы убеждены, что наши результаты обеспечивают сильную поддержку мнению, что любые будущие дополнения квантовой теории, которые согласуются с экспериментами, должны отвергнуть конкретные параметры при описании реальности»{160}. Хотя присяжные еще совещаются, защищать реализм стало труднее, благодаря экспериментам Цайлингера.

ИТВ предсказывает, что реализм ошибочен, и физика не опровергает это предсказание. Наоборот, каждая проверка локального реализма, наперекор нашей интуиции, подтверждает предсказания ИТВ. Эксперименты вроде проведенных Цайлингером затягивают петлю на шее реализма.

Как и еще одна теорема, которая вытекает из квантовой теории и не делает предположений насчет локальности. Она была доказана Беллом в 1966 году и Саймоном Кохеном и Эрнстом Спекером в 1967 году и называется теоремой Кохена-Спекера (КС). Она гласит, что никакой параметр, такой как координаты или спин, не имеет определенного значения, независимого от метода измерения{161}. Противоположное утверждение, что параметр может иметь определенное значение, независимое от метода измерения, называется «неконтекстуальный реализм». Теорема КС гласит, что неконтекстуальный реализм ошибочен.

Но неконтекстуальный реализм – это именно то, что мы отстаиваем, говоря, что Луна существует, даже когда на нее никто не смотрит. Это реализм, который подразумевал Фрэнсис Крик, когда писал, что Солнце и нейроны существуют, когда никто не смотрит. Именно этот реализм ошибочен – независимо от любых проблем, связанных с локальностью.

Теорема КС разбивает и другое убеждение Эйнштейна о реальности. В 1935 году в известном издании вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он заявил: «Если без какого-либо нарушения системы мы можем с уверенностью предсказать (то есть с вероятностью, равной единице) значение физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине»{162}.

Это утверждение может показаться правдоподобным. Предположим, вы можете сказать мне с полной уверенностью до того, как проведете измерения, что спин электрона по одной из осей во время наблюдения наверняка будет направлен вверх – нет шанса, заверите вы меня, что он будет направлен вниз. И предположим, что каждый раз во время тысяч наблюдений вы будете правы. Тогда я могу заключить, что ваша уверенность оправдана и ваше предсказание всегда верно, потому что электрон действительно все время обладает этим спином.

Но я буду неправ. Физики Адан Кабельо, Хосе М. Эстебаранц и Гильермо Гарсия-Алкайн сформулировали умный случай теоремы КС. В их примере квантовая теория предсказывает измеренное значение физической величины с уверенностью, «с вероятностью, равной единице». Но они доказывают, что это значение не может существовать независимо от измерения{163}. Это значит, что я могу быть уверен, какое значение я найду, и тем не менее это значение не является элементом объективной реальности. Уверенность в том, что вы увидите, не означает, что оно уже существует. Эйнштейн, Подольский и Розен просто ошибались, утверждая обратное.

Большинство из нас глубоко верят в физическую реальность, состоящую из объектов в пространстве-времени, которая существовала до жизни и наблюдателей; мы верим, что не нужны никакие наблюдатели, чтобы наделить любой объект координатами, спином или любым другим физическим параметром. Но по мере лучшего понимания и экспериментальных проверок выводов квантовой теории, это убеждение может выжить, только цепляясь за возможные дыры в экспериментах, и эти дыры закрываются. Например, эксперимент в Фермилаб[15] показывает, что нейтрино – субатомные частицы, почти не обладающие массой, – не имеют значений физического параметра лептонного аромата, пока не подвергнутся наблюдению{164}.

Некоторые физики делают вывод, что квантовая теория объясняет абсолютно новый взгляд на мир. Как говорит Карло Ровелли: «Я стараюсь не изменить квантовую механику, чтобы она согласовывалась с моим взглядом на мир, а изменить свой взгляд на мир, чтобы он согласовывался с квантовой механикой»{165}. Способ, которым Ровелли корректирует свое мировоззрение, – отвергнуть «представление об абсолютном, или независимом от наблюдателя, состоянии системы; а равно, представление о независимых от наблюдателя значений физических величин»{166}. Ровелли отрекается от неконтекстуального реализма.

Он объясняет почему: «Если разные наблюдатели дают разные сообщения об одной и той же последовательности событий, тогда каждое квантовомеханическое описание должно пониматься как связанное с конкретным наблюдателем. Таким образом, квантовомеханическое описание конкретной физической системы… невозможно принять за «абсолютное» (независимое от наблюдателя) описание реальности, а скорее за формализацию, или упорядочение, параметров системы относительно данного наблюдателя. В квантовой механике «состояние», так же как «значение переменной» – или «результат измерений» – понятия относительные»{167}.

Физик Крис Филдс отказывается от неконтекстуального реализма на другом основании. Он демонстрирует, что если ни один наблюдатель не видит всю реальность целиком и если на наблюдение затрачивается энергия, тогда неконтекстуальный реализм должен быть ошибочным{168}. Физики Крис Фукс, Дэвид Мермин и Рудигер Шак утверждают, что из квантовой теории следует, «что реальность отличается у разных агентов. Это не так странно, как может показаться. Что реально для одного агента, полностью опирается на опыт этого агента, а у разных агентов разный опыт»{169}. Они объясняют: «Измерение, как неудачно предполагает термин, не открывает уже существующее положение дел. Это действие над миром, совершаемое агентом, которое приводит к результату – новому опыту для этого агента. Лучшим термином стало бы «вмешательство»{170}.

В интерпретации квантовой теории Фукса, известной как квантовое байесианство (или кьюбизм), квантовые состояния описывают не объективный мир, а уверенность агентов в последствиях своих действий. Разные агенты могут иметь разную степень уверенности. Ни одно квантовое состояние не является универсально истинным. Каждое индивидуально. Мое квантовое состояние описывает, как формулирует Крис Фукс: «Последствия (для меня) моих действий над физической системой! Это все „Я, мне, моё”, как пели „Битлз”»{171}.

Это согласуется с интерфейсной теорией восприятия. Мое восприятие пространства-времени и объектов – интерфейс, сформированный естественным отбором не чтобы отображать реальность, а чтобы направлять мои действия с целью увеличить приспособленность. Мою приспособленность. То, что выгодно для меня, может навредить другому. Шоколадный батончик, повышающий мое здоровье, может убить моего кота. Естественный отбор формирует восприятие индивидуальным образом, чтобы сообщать мне последствия для меня моих действий над миром. Мир существует, даже когда я не смотрю: солипсизм ошибочен. Но мое восприятие, как наблюдения в квантовой теории, не отражает этот мир. Оно советует мне – неидеально, но достаточно хорошо – как действовать, чтобы быть приспособленным.

Квантовая теория и эволюционная биология в такой интерпретации вместе сплетают поразительно логичную историю. Квантовая теория объясняет, что измерения не отражают объективную истину, только последствия для агентов их действий. Эволюция говорит нам почему: естественный отбор формирует органы чувств так, чтобы показывать агентам последствия их действий для приспособленности. Нас удивляет, что измерения и восприятие настолько индивидуальны. Мы ожидаем, что они будут сообщать объективную и обезличенную истину, пусть даже не исключающую ошибки и частичную. Но когда два столпа науки соглашаются друг с другом и противоречат нашей интуиции, приходит время пересмотреть интуицию.

Это совпадение физики и эволюции не было очевидным. В 1987 году Уильям Бартли описывал конференцию, на которой физик Джон Уилер представил свое видение квантовой теории. Сэр Карл Поппер, известный философ науки, «повернулся к нему и тихо сказал: „Ваши слова противоречат биологии”. Это был драматический момент… А потом биологи… разразились восторженными аплодисментами. Как будто кто-то наконец сказал то, что они думали»{172}.

Бартли говорит нам, что думали биологи: «Чувственное восприятие или чувства сами по себе более-менее точные символические представления внешней реальности, сформированные путем взаимодействия между этой внешней реальностью и органами чувств. Человек видит внешнюю реальность более-менее точно»{173}. Это убеждение не удивительно. Эволюционная биология, как мы обсуждали, предполагает объективную реальность объектов, таких как ДНК и организмы. Не очевидно, что кислота универсального дарвинизма – в форме теоремы ППИ – растворяет это лишнее предположение и демонстрирует, что «более-менее точные символические представления внешней реальности» не бывают более приспособлены, чем представления, которые скрывают внешнюю реальность и кодируют выгоды приспособленности.

Что же такое предложил Уилер, что так прогневало биологов? Уилер заявил: «То, что мы называем «реальностью», хитроумная конструкция папье-маше из воображения и теории, втиснутая между несколькими железными столбами наблюдений»{174}. Согласно Уилеру, мы не пассивно наблюдаем предсуществующую объективную реальность, мы активно участвуем в создании реальности своими действиями наблюдения. «Квантовая механика свидетельствует, что не существует простого „наблюдателя (или регистратора) реальности”. Наблюдательное оборудование и регистрирующие устройства „участвуют в определении реальности”. В этом смысле Вселенная не сидит „где-то там”»{175}.

Уилер проиллюстрировал это своим экспериментом с отложенным выбором, вариацией известного двухщелевого эксперимента, впервые проведенного физиками Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером в 1927 году{176}. Вспомним, что в двухщелевом эксперименте фотонная пушка выстреливает по одному фотону в сторону фотографической пластины, которая записывает, куда попадает каждый фотон. Но между пушкой и пластиной стоит металлический экран с двумя узкими щелями – назовем их А и Б, – сквозь которые могут проходить фотоны.

Если открыта только одна щель, то фотоны попадают, как и ожидалось, на часть фотографической пластины позади этой щели. Но если открыты обе щели, то фотоны попадают, в противовес ожиданиям, серией полос, напоминающей интерференционную картину, которая получается при столкновении двух волн – с примечательным результатом, что некоторые области на пластине, получающие много фотонов, когда открыта только одна щель, получат меньше фотонов, или даже вовсе ни одного, когда открыты обе щели. В этом случае на первый взгляд кажется, что каждый фотон каким-то образом прошел сквозь обе щели А и Б одновременно. Для волны это не проблема. Но фотон – частица; и, если мы проведем такой же эксперимент с электронами, которые также частицы, мы получим такую же интерференционную картину.

Как же частица проворачивает такой трюк? Расщепляется на половинки? Если мы попробуем внимательно понаблюдать за щелями, то видим, что фотон всегда проходит только через одну щель, никогда через обе. Более того, если мы наблюдаем, через какую щель он проходит, то интерференционная картина разрушается.

Никто на самом деле не знает, что делает фотон или электрон, когда открыты обе щели. Это нерешенная загадка квантовой теории. Кажется некорректным говорить, он проходит через А, через Б, через обе или ни через одну. Физики просто говорят, что его траектория – это суперпозиция А и Б. Это значит, что мы не знаем, что происходит, даже если можем записать простые формулы, включающие линейные комбинации, называемые суперпозициями, которые точно моделируют результаты экспериментов. И подобную магию в двухщелевых экспериментах демонстрируют не только крохотные частицы, как фотоны и электроны. В 2013 году Сандра Эйбенбергер и ее коллеги обнаружили такой же магический трюк в исполнении большой молекулы – любовно называемой C284.H190.F320.N4.512 – состоящей из 810 атомов, общая масса которых превышает 10000 протонов или 18 миллионов электронов. Она чуть меньше вируса{177}. Квантовая странность не ограничивается субатомным уровнем.

Уилеровская вариация этого эксперимента с отложенным выбором умная: подождать, когда фотон минует металлический экран, и только тогда решать, что измерять – траекторию А, траекторию Б или суперпозицию. Его словами: «Давайте подождем, пока частица пройдет экран, прежде чем – по своему свободному выбору – решать, должна ли она была пройти „через обе щели” или „через одну”{178}. Эксперимент Уилера проводился с фотонами (и атомами гелия!), и он сработал{179}. Что мы выбираем измерять после того, как фотон миновал экран, определяет, что делал фотон или, по крайней мере, что мы можем сказать о том, что он делал, до момента измерения. «В эксперименте с отложенным выбором мы, путем принятия решения здесь и сейчас, оказываем необратимое влияние на то, что захотим сказать о прошлом – странная инверсия нормального хода времени»{180}. Прошлое зависит от нашего выбора в настоящем. Не удивительно, что Поппер и биологи растерялись.

Позже Уилер расширил свой эксперимент до космического масштаба{181}. Вместо фотонной пушки рассмотрим далекий квазар – сверхмассивную черную дыру, которая поглощает вещество из окружающей галактики, формируя аккреционный диск, и в процессе испускает астрономическое количество света и излучения, возможно в сотню раз превышающее суммарную мощность звезд нашей галактики Млечный Путь. Предположим, что этот квазар находится позади массивной галактики. Согласно теории гравитации Эйнштейна, такая галактика искажает пространство-время. Его теория также предсказывает, что, если все пойдет как надо, мы можем видеть два изображения этого квазара, потому что его свет может путешествовать по двум разным траекториям через искаженное пространство-время – космическая оптическая иллюзия, вызываемая огромными гравитационными линзами. Рис. 8 демонстрирует пример на сделанной космическим телескопом «Хаббл» фотографии двойного квазара QSO 0957+561, находящегося на расстоянии почти 14 миллиардов световых лет от земли.

Благодаря ей мы имеем конфигурацию, необходимую для проведения эксперимента с отложенным выбором в космическом масштабе. Используя телескоп, чтобы уловить фотоны из двойного квазара, мы можем выбрать измерять ли, какую траекторию через гравитационную линзу выбирает фотон – верхнюю или нижнюю часть изображения Хаббла, – или измерять суперпозицию. Если мы решаем измерять траекторию и обнаруживаем фотон, скажем, в верхней части, значит, почти 14 миллиардов лет этот фотон двигался по этой траектории из-за выбора, который мы сделали сегодня. Если же мы решили бы измерять суперпозицию, тогда этот фотон имел бы другую историю на протяжении прошедших 14 миллиардов лет. Наш сегодняшний выбор определяет миллиарды лет истории. Большинство из нас не может выжать лежа сотню килограммов. Но мы можем дотянуться за триллионы километров и на миллиарды лет назад, чтобы переписать прошлое – подвиг, достойный Геракла.

Рис. 8. Изображение двойного квазара QSO 0957+561, полученное космическим телескопом «Хаббл». Источник: ESA/NASA.

Это поднимает ставки. Квантовая теория разбивает наши интуитивные представления об объектах, отрицая, что они обладают определенными значениями физических параметров, которые не зависят от того, подвергаются ли они наблюдению и как. Теперь она разбивает пространство и время. Как говорит Уилер: «Нет пространства. Нет времени. Слово «время» не ниспослано свыше. Его изобрел человек. Если существуют проблемы с концепцией времени, мы сами их создали… как говорил Эйнштейн „Пространство и время являются принципами нашего мышления, а не условий, в которых мы живем”»{182}.

Эйнштейн показал, что разные наблюдатели, двигающиеся с разной скоростью, не согласны в своих измерениях времени и пространства. Но они согласны насчет скорости света и насчет интервалов в пространстве-времени – объединении пространства и времени в единое целое, где пространство и время могут взаимно изменяться. Это породило надежду, что пространство-время является объективной реальностью, даже если пространство и время по отдельности ею не являются. Уилер, пользуясь своим экспериментом с отложенным выбором как оружием уничтожения здравого смысла, убил эту надежду. «Что мы должны сказать о спайке пространства и времени в пространство-время, которое дал нам Эйнштейн в 1915 году, и о до сих пор общепринятой классической геометродинамике?.. ничего сущее не может надеяться считаться фундаментальным, если оно не переводит всю физику континуума в язык битов»{183}. Он настаивал, что пространство-время и его объекты не фундаментальны. Вместо этого он предложил принцип «всё из бита»: фундаментальна информация, а не материя; материя возникает из битов информации. Скачок Уилера от пространства-времени к битам информации более чем шокирующий. Почему эти два понятия должны быть связаны? И почему биты должны заменить пространство-время? Пространство-время кажется таким реальным – действительно, краеугольный камень и основа реальности. Безусловно, пространство-время существовало до появления битов и безусловно биты существуют внутри пространства-времени, а не наоборот?

Но снова наша интуиция ошибается. Пример показывает насколько. Предположим, я работаю на производителя компьютеров и должен разработать память для их нового суперкомпьютера. Я хочу запихнуть как можно больше памяти в как можно меньший объем. Конкуренция жесткая, так что я хочу сделать все правильно. По сарафанному радио я узнаю, что мой главный конкурент планирует запихнуть память в шесть одинаковых сфер, как показано на рис. 9. Я улыбаюсь. Глупая ошибка. Эти шесть сфер четко помещаются в бо́льшую сферу с бо́льшим объемом – на самом деле больше, чем в два раза. В эту бо́льшую сферу должно поместиться в два раза больше памяти. Мой конкурент зря теряет все ценное пространство между шестью сферами. Я использую его, чтобы впихнуть больше памяти. Я с гордостью говорю отделу маркетинга готовить рекламу – наш компьютер имеет в два раза больше памяти, чем компьютер конкурентов.

Но я ошибаюсь. Если мы с конкурентом впихнем в наши проекты как можно больше памяти, в итоге в моей сфере памяти окажется меньше – примерно на 3 %. Несмотря на то что моя большая сфера по объему в два раза больше, чем шесть более мелких вместе, несмотря на то что в нее могут поместиться все шесть более мелких сфер, все-таки в ней помещается меньше памяти. Если вас это беспокоит, то вы понимаете проблему.

Яков Бекенштейн и Стивен Хокинг показали, что количество информации, которое можно поместить в область пространства, пропорционально площади поверхности, окружающей это пространство{184}. Верно, площади – не объему.

Рис. 9. Шесть сфер, помещенных внутрь большой сферы. Шесть меньших сфер могут содержать больше информации, чем более крупная сфера, окружающая их.

Сначала они открыли это правило для черных дыр, но потом поняли, что оно справедливо для любой области пространства-времени, а не только областей, содержащих черную дыру. Это правило называется «голографическим принципом».

Хокинг выяснил, сколько бит информации может содержаться в области. Чтобы понимать его результат, для начала вы должны знать, что пространство-время, как рабочий стол вашего компьютера, состоит из пикселей – мельчайших частиц пространства-времени. Меньше них пространства-времени просто не существует. Каждый пиксель пространства-времени имеет одинаковую длину, называемую планковской длиной{185}. Он крошечный – примерно настолько крошечный по отношению к протону, как Соединенные Штаты ко всей видимой Вселенной. У пространства-времени также есть самая маленькая площадь, называемая планковской площадью, которая является квадратом дины Планка. Это минимально возможные пиксели пространства-времени. И Хокинг открыл, что именно количество этих пикселей на границе области, а не количество вокселей в объеме внутри, определяет, сколько битов она может содержать.

Все мы имеем устойчивые представления о пространстве и времени. Мои были огорошены голографическим принципом. Но я скоро понял, что этот результат хорошо вписывается в ИТВ, которая гласит, что пространство-время в вашем восприятии похоже на рабочий стол интерфейса. Если вы посмотрите на рабочий стол своего компьютера через увеличительное число, то увидите миллионы пикселей – мельчайших возможных участков рабочего стола. Меньше, чем они, рабочий стол просто не существует. Сделайте шаг назад, и поверхность выглядит сплошной. Если вы играете на своем компьютере в игры, например «Дум» или «Анчартед», вы видите захватывающие трехмерные миры с трехмерными объектами. И тем не менее, информация полностью двумерна, ограничена количеством пикселей на экране. То же верно и когда вы переводите взгляд от компьютера на окружающий мир. У него тоже есть пиксели, и вся информация двумерна.

Физики Леонард Сасскинд и Герард’т Хоофт помогли исследовать голографический принцип. Сасскинд говорит: «Вот заключение, к которому мы с ’т Хоофтом пришли: трехмерный мир нашего обыденного опыта – Вселенная, заполненная галактиками, звездами, планетами, домами, камнями и людьми, – это голограмма, образ реальности, закодированной на далекой двумерной поверхности. Это новый закон физики, называемый голографическим принципом, утверждает, что все находящееся внутри некоторой области пространства можно описать посредством битов информации, расположенных на ее границе»{186}. Сейчас этот принцип охотно принят в теоретической физике. Наблюдатели не имеют доступа к «объектам» в «пространстве». Наблюдатели имеют доступ только к информации – битам – записанной на границе, которая окружает пространство.

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.

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 наблюдателем.

Например, физик Рафаэль Буссо предлагает принцип дополнительности наблюдателя: «Эксперименты каждого наблюдателя признают непротиворечивое описание, но одновременное описание двух наблюдателей противоречиво. Это подразумевает увлекательный вывод, который я называю дополнительность наблюдателя… Дополнительность наблюдателя – это утверждение, что для фундаментального описания природы надо только описать эксперименты, которые согласуются с причинностью. Дополнительность наблюдателя подразумевает, что должна существовать теория для каждого причинного алмаза, но не обязательно для областей пространства-времени, в которых не содержится ни одного причинного алмаза{193}.

Физик Том Бэнкс сделал похожее заявление в интервью научному журналисту Аманде Гефтер: «Относительность говорит нам, что нет особенных наблюдателей. Между причинными алмазами должна быть оценочная равнозначность, так что все снаружи моего горизонта – это оценочная копия физики, которую я наблюдаю здесь. Поэтому, если вы думаете обо всех возможных причинных алмазах, у вас есть бесконечно дублирующее описание одной и той же квантовой системы, увиденной разными наблюдателями… и пространство-время появляется, когда вы складываете вместе все эти описания»{194}.

Это совпадает с утверждением Фукса, Мермина и Шака, обсуждаемым ранее, «что реальность отличается у разных агентов. Это не так странно, как может показаться. Что реально для одного агента, полностью опирается на опыт этого агента, а у разных агентов разный опыт»{195}. Квантовые состояния различаются у разных наблюдателей. Как и само пространство-время.

Что поднимает ставящий в тупик вопрос: а как же Большой взрыв? Разве он не произошел 13 миллиардов 799 миллионов лет назад, до появления каких-либо наблюдателей? Разве это не факт объективной реальности, а не просто описание интерфейса наблюдателя? Если ИТВ гласит, что пространство-время – свойство моего рабочего стола, а не постижение реальности, тогда она гласит то же самое и про Большой взрыв. Конечно, ни один физик с этим не согласится.

По крайней мере один физик утверждал, что Вселенная не имела истории без наблюдателей, что «истории Вселенной… зависят от того, что наблюдается, вопреки обычной идее, что Вселенная обладает уникальной, не зависимой от наблюдателя историей»{196}. Этим физиком был Стивен Хокинг, который в сотрудничестве с физиком Томасом Хертогом придерживался взгляда «сверху вниз» на космологию, которая начинается с наблюдателя, а не «снизу вверх», предполагающего всевидящее божественное око.

Они объясняют: «В нашем прошлом есть эпоха ранней Вселенной, когда квантовая гравитация была важна. Остатки этой ранней фазы повсюду вокруг нас. Центральная проблема космологии – понять, почему эти остатки такие, какие есть, и как отличительные характеристики нашей Вселенной появились из Большого взрыва»{197}. Их мнение состоит в том, что колоссальная энергия и плотность зарождающейся Вселенной требуют квантовомеханического описания, с суперпозициями состояний. Классический подход уникального первозданного состояния для Вселенной неуместен: «Если кто-то принимает подход к космологии «снизу вверх», он моментально ведет к, по сути, классическим рамкам, в которых теряет способность объяснить центральный вопрос космологии – почему наша Вселенная именно такая»{198}.

Итак, хотя ход радикальный, они отказываются от основы «снизу вверх». «Таким образом, основа, которую мы предлагаем, больше подход к космологии «сверху вниз», где истории Вселенной зависят от точности задаваемых вопросов»{199}. Измерения, которые мы проводим сегодня, – скажем, плотность энергии вакуума или скорость расширения Вселенной – ограничивают истории Вселенной, которые мы можем рассматривать.

Космология Хокинга находится в согласии с экспериментом Уилера, который мы обсуждали ранее, в котором миллиардолетняя история, которую я приписываю фотону из древнего квазара, зависит от моих сегодняшних измерений. Если я измеряю, по какой траектории вокруг гравитационной линзы он двигался, тогда я вправе приписать миллиарды лет, в течение которых он двигался, скажем, по верхней траектории. Но я уже не вправе, если вместо этого я измеряю интерференционную картину. Уилер хорошо это формулирует. «Каждый элементарный квантовый феномен является элементарным актом «создания факта». Это неоспоримо. Но является ли этот механизм единственным необходимым, чтобы создать все это? Является ли произошедшее во время Большого взрыва следствием миллиардов и миллиардов этих элементарных процессов, этих элементарных «актов наблюдатель-участие», этих квантовых феноменов? Был ли все это время механизм творения перед нашими глазами, а мы не понимали правды?»{200}.

Подход Хокинга согласуется с космологией кьюбизма, в которой квантовые состояния есть уверенность наблюдателя, а не срезы реальности. То, что я вижу сейчас, сообщает состояния, которые я приписываю прошлому, включая Большой взрыв. Как говорит Фукс: «Заметив, как Большой взрыв сам по себе есть момент творения с некоторым сходством с каждым субъективным квантовым измерением, человек начинает задумываться, неужели даже он «может быть внутри». Конечно, кьюбизм считает, что творение продолжается все время и повсюду; квантовое измерение это лишь агент, поймавший попутку и участвующий в этом вездесущем процессе»{201}.

Эта глава началась с предсказания ИТВ, что пространство-время и объекты не существуют вне восприятия; они не фундаментальная реальность. Я спросил, опровергает ли это предсказание современная физика в своем поиске теории всего. У нас есть ясный ответ: нет. Наоборот, оно получает впечатляющую поддержку.

Краткий экскурс в физику в этой главе, конечно, далек от исчерпывающего. В него не включены интерпретации квантовой теории – Бома, Эверетта и других, – которые пытаются наделить реальность объектами и пространством-временем{202}. Однако моей целью было не краткое изложение физики, которое потребовало бы отдельного тома, а краткого резюме о физике, которое показывает, что ИТВ не стоит вне закона.

Примечательно, что ключевое предсказание ИТВ – что пространство-время должно уйти, прежде чем появится теория всего – близко к согласию среди физиков. Например, Нима Аркани-Хамед во время лекции в Институте теоретической физики «Периметр»[16] в 2014 году заметил: «Почти все из нас верят, что пространства-времени не существует, что пространство-время обречено и должно быть заменено некими более элементарными строительными блоками»{203}.

Если пространство-время обречено, то обречены и физические объекты. Их место должны занять более элементарные строительные блоки. Но если пространство-время не краеугольный камень реальности, не заранее существующая сцена для драмы жизни, тогда что это? Я полагаю, что это сжимающий данные и исправляющий ошибки код для приспособленности.