Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 62)

Более того, квантовая запутанность оказывается ключом к тому, как вообще работают голограммы Малдасены. Это касается, возможно, и самой очевидной и в то же время самой глубокой словарной статьи в словаре AdS – QFT: гравитация и искривленное пространство-время есть возникающие явления. Годы исследований привели к выводу: для того чтобы в поверхностной голограмме закодировалась искривленная геометрия внутренней области, далеко не достаточно иметь граничную поверхность с огромным числом составляющих, имеющих вид частиц. Нет, искривленная внутренняя область возникает, только если квантовая запутанность связывает друг с другом многочисленные составляющие граничной поверхности. Поразительно, но квантовая запутанность оказывается центральной машиной, которая в голографической физике генерирует тяготение и искривленное пространство-время. Для Малдасены это то же самое, что свет лазера для обычной оптической голограммы.

Это удивительное откровение. Эйнштейн показал, что тяготение есть проявление искривленного пространства-времени. Голография идет дальше и постулирует, что искривленное пространство-время соткано из квантовой запутанности. Как второе начало термодинамики происходит из статистического поведения многих классических частиц или как звуковые волны объясняются синхронизированными колебаниями молекул, так голографический дуализм отражает представление, что эйнштейновская общая относительность обусловлена коллективной запутанностью мириад квантовых частиц, движущихся по граничной поверхности с более низким числом измерений. Соседствующие друг с другом области внутренней части AdS соответствуют сильно запутанным компонентам граничной поверхности; удаленные друг от друга части внутреннего пространства соответствуют менее запутанным частям границы. Если конфигурация поверхности имеет упорядоченную картину запутанности, образуется почти пустая внутренняя область. Если поверхность находится в хаотическом состоянии, и все ее составляющие запутаны друг с другом, внутренняя область содержит черную дыру. И если, надеясь прочесть историю черной дыры, мы выполним над запутанными кубитами исключительно сложную квантовую операцию, то, к своему изумлению, мы получим геометрию внутренней кротовой норы.

Во всем этом есть заметный элемент подхода «сверху вниз». На языке предыдущей главы мы могли бы сказать, что запутанные биты граничной поверхности выполняют функцию наблюдения. В рамках нисходящей космологии данные на поверхности наблюдения отбирают некоторую версию прошлого из океана возможных прошлых. Голография описывает это похожим образом: картины запутанности на сферической граничной поверхности определяют форму измерения внутренней области. Таким образом, и голография, и нисходящая космология демонстрируют разительный переворот обычного принятого в физике порядка вещей: искривленное пространство-время оказывается вторичным по отношению к «заданным вопросам» на некоторой граничной поверхности.

Сейчас нередки конференции по «квантовой гравитации в лаборатории», на которых теоретики гравитации и квантовые экспериментаторы обсуждают пути создания сильно запутанных квантовых систем из захваченных в ловушки атомов или ионов, копирующих некоторые свойства черных дыр. Экспериментируя с этими системами, мы надеемся узнать больше о том, какие именно картины запутанности лежат в основе искривленного пространства-времени и что происходит с геометрией, когда поддерживающая ее квантовая запутанность разрушается. Эти вопросы очень важны и интересны. Кто на заре голографической революции середины 1990-х мог бы представить, что на струнных конференциях 2020-х квантовые экспериментаторы будут читать лекции по упрощенным лабораторным моделям черных дыр?

Как жаль, что Стивен не дожил до этих восхитительных новых открытий и не может им порадоваться! Он бы, конечно, пришел в восторг, увидев, как в испаряющихся черных дырах возникают кротовые норы – неуловимые каналы, по которым ускользает информация. Мы можем только догадываться, какой краткий и убийственный по остроумию афоризм он бы выдал по этому поводу. Думаю, Стивен был бы точно так же восхищен, увидев еще один уровень связи между нашим пониманием черных дыр и ранней Вселенной, – ведь эти две темы всегда были в центре его интересов. На всем протяжении его жизни как исследователя прорывы в области черных дыр обычно давали пищу его очередным работам по космологии – от теоремы Пенроуза о сингулярности черной дыры до его собственного открытия излучения Хокинга. Пришествие голографии привело к еще более тесным взаимосвязям между обоими направлениями: к таким космологическим озарениям, как подход «сверху вниз», который мы начали развивать в 2002 году и который вдохновил его работу по черным дырам в 2004-м.

При всем этом, однако, некоторые струнные теоретики немного растеряны недавними достижениями квантовой теории черных дыр. Они всегда надеялись, что разрешение информационного парадокса черной дыры приведет к замене предложенной Хокингом причудливой полуклассической смеси геометрий чем-то совершенно иным. А вместо этого вышло, что мы должны принимать хокинговскую суперпозицию геометрий всерьез и что результаты этого подхода к квантовой гравитации, когда мы действительно принимаем его всерьез, превосходят все ожидания (кроме, конечно, ожиданий самого Хокинга, которые всегда были недостижимо высокими). И хотя очень многое еще надо узнать, прежде чем мы сможем восстановить историю черной дыры из ее пепла – из излучения Хокинга, – все же многие теоретики ныне уверены, что реального парадокса больше нет. Более того, я смею утверждать, что этот шаг – переход от единичного пространства-времени к возникающим пространствам-временам – есть действительно нечто совершенно новое, что имеет поистине фундаментальное значение.

Начнем с того, что этот сдвиг означает конец старой редукционистской мечты в фундаментальной физике. Редукционизм – исключительно плодотворная идея, состоящая в том, что в науке стрела объяснений всегда направлена сверху вниз, в направлении более низких уровней сложности. Согласно этому воззрению на всех этажах в многоуровневой башне науки, в физике, химии, биологии, явления, происходящие на более высоких уровнях, могут в принципе быть объяснены через явления на уровнях более низких. Редукционизм не означает, что объяснения через переход на более низкий уровень нужны и полезны всегда; на практике они могут даже оказаться вообще недостижимыми. Редукционистский подход не конфликтует и с возникновением новых явлений и «законов» на более высоких уровнях сложности. Все, чего требует редукционизм, – это чтобы законы более высокого уровня не были отделены от их находящихся на более низких уровнях корней. Мы можем качественно объяснить биологические явления в терминах химии, а химические явления – в терминах физики. И будь у нас достаточно мощные компьютеры, позволяющие моделировать сложные биологические системы на микроскопическом уровне молекулярной химии, мы вполне могли бы увидеть, как именно формируется их биологическое поведение.

Но как же быть с самым низким уровнем фундаментальных физических законов? Является ли он абсолютной структурой, непоколебимым гранитным фундаментом, на котором зиждется башня науки со всеми ее более высокими этажами? Голография рисует нам совсем другую картину. Если запутанность – это призрачное явление, которое, как известно, не давало спать Эйнштейну, – и за исследования, связанные с которым, в 2022 году присуждена Нобелевская премия по физике, – является центральным пунктом в строении пространства-времени, то схема «редукционизм против эмерджентности»[194], пожалуй, кажется слишком ограниченным способом видения мира. Голография вводит фундаментальный элемент эмерджентности – возникновения новых свойств – в корни физики, в самую ткань пространства-времени. Голографический дуализм воплощает взгляд, в соответствии с которым физическая реальность и «фундаментальные» законы, которым она подчиняется, возникают из слияния основных строительных кирпичиков материи и способа, которым эти кирпичики запутываются друг с другом. Так возникает некая замкнутая петля взаимозависимостей, которая охватывает всю последовательность: от редукции до возникновения и обратно. Голография утверждает, что даже самые элементарные регулярные закономерности в конечном счете основываются на всей сложности Вселенной вокруг нас. И это подводит нас к вопросу: в чем космологическое значение этого вывода?

После открытия Малдасеной голографической природы анти-де-ситтеровского пространства теоретики быстро сообразили, что и наша расширяющаяся Вселенная тоже может быть голограммой. В блокнотах, куда я записывал некоторые из разговоров со Стивеном, я нахожу относящиеся еще к февралю 1999 года размышления о возможном описании расширяющегося пространства де Ситтера в терминах поверхности. Но только спустя десять лет, когда мы окончательно утвердились в нашем подходе «сверху вниз», мы начали серьезно разрабатывать идею голографической космологии.

К несчастью, к тому времени Стивен стал терять тот слабый контроль над своей мускулатурой, который ему чудесным образом удавалось сохранять на протяжении стольких лет болезни[195]. При этом заболевании, по еще не вполне понятным причинам, длинные нервные клетки, передающие электрохимические сигналы от мозга к позвоночнику и от позвоночника мускулам, истощаются и умирают. Это приводит к атрофии мышц. Ко времени, о котором я пишу, болезнь почти полностью лишила Стивена возможности управлять своими мускулами. Понятно, что это очень серьезно ограничивало его свободу движений. На ранних стадиях нашего сотрудничества Стивен легко мог управлять своим креслом на колесах; он раскатывал по факультету в поисках тех, кто был ему нужен, и, осторожно сжимая в правой руке кликер, вступал в разговоры. Теперь Стивен больше не мог ездить на кресле без посторонней помощи; на практике это значило, что его научное общение ограничивалось гораздо более узким кругом близких сотрудников. Больше того, развитие болезни сделало для Стивена непосильным управление «Эквалайзером» при помощи кликера. Это старомодное устройство, соединительная пуповина, столько лет связывавшая его с внешним миром, позволяя ему разговаривать, отправлять электронную почту, звонить по телефону или гуглить, теперь было заменено сенсором, вмонтированным в оправу его очков, – он мог активировать его слабым подергиванием щекой. Новое устройство оставалось жизненно важной линией связи, но оно не могло вернуть Стивену возможности перемещаться или даже, к примеру, разговаривать за обедом – а ведь совместные застолья были раньше основным местом, где он мог обмениваться мыслями с более широким кругом коллег. (Во времена кликера Стивен любил шутить, что он способен есть и разговаривать одновременно.) Поэтому Стивен постоянно рисковал остаться в изоляции. Пожалуй, именно невозможность обычного беглого общения и была самым большим ограничением в последние годы его жизни как ученого. Он не мог больше полноценно участвовать в жарких спорах обо всем – от минуса в уравнении до особенностей философии, – которые всем нам необходимы, чтобы совершенствовать и тестировать наши мысли. И хотя умственные способности Стивена оставались прежними, на протяжении примерно десяти последних лет своей жизни он был, по крайней мере время от времени, почти полностью заперт в четырех стенах.