Покидая Кембридж, я уже понимал, что проблема связана не со Стивеном или релятивистами. Часы, проведенные в дискуссиях, особенно с Гэри Хоровицем (Н из CGHS), ярко выраженным релятивистом, убедили меня в обратном. Будучи настоящим волшебником в области уравнений общей теории относительности, Гэри еще и глубокий мыслитель, который любит во всем дойти до самой сути. Потратив немало часов на обдумывание парадокса Стивена, он ясно понимал опасность потери информации, но все же заключил, что Стивен прав, — он не видел, как избежать вывода о том, что информация должна пропадать при испарении черной дыры. Когда я объяснил Гэри дополнительность черных дыр (не в первый раз), он очень хорошо понял суть дела, но счел этот шаг слишком радикальным. Ему казалось неестественным утверждение о том, что квантово-механическая неопределенность может сказываться на таких больших масштабах, как огромная черная дыра. Это определенно не было связно с интеллектуальной леностью. Все сводилось к одному вопросу: каким принципам вы доверяете?

В самолете по пути из Кембриджа я понял, что настоящей проблемой было отсутствие у дополнительности черных дыр надежного математического фундамента. Даже Эйнштейн долго не мог Убедить большинство других физиков в том, что его теория света корректна. Прошло около двадцати лет, был поставлен решающий эксперимент и созданы абстрактные математические теории Гейзенберга и Дирака, прежде чем вопрос был закрыт. Очевидно, предположил я, поставить эксперимент для проверки дополнительности черных дыр никогда не удастся. (Тут я ошибался.) Но, вероятно, более строгую теоретическую базу создать можно.

По дороге из Англии я еще не знал, что менее чем через пять лет математическая физика взлелеет одну из самых тревожных философских идей всех времен: в некотором смысле, основательный трехмерный мир нашего опыта — не более чем иллюзия. И я не представлял, как этот радикальный прорыв изменит ход Битвы при черной дыре.

До свидания, старая добрая Англия. Привет, ветряные мельницы и высоченные голландцы. Я пересек Северное море, чтобы навестить своего друга Герарда 'т Хоофта. После короткого перелета в Амстердам мы с Энн поехали в Утрехт, еще один город с каналами и узкими домиками, где Герард был профессором физики (или Профессором физики, как подчеркивают некоторые). В 1994 году он еще не получил Нобелевскую премию, но никто не сомневался, что она не за горами.

Среди физиков имя 'т Хоофта — синоним научного величия, а в Голландии, стране, где число великих физиков в расчете на душу населения больше, чем где бы то ни было, он является национальным достоянием. Так что, прибыв в Утрехтский университет, я был удивлен скромным кабинетом, который занимал Герард. В то лето Европа походила на влажную теплицу, и Голландия, несмотря на свою репутацию прохладного сырого места, была непереносима. Тесный кабинет 'т Хоофта был таким же, как и у других, — даже без кондиционера. Как я помню, он находился на солнечной стороне здания, и я удивлялся, каким чудом в этой смертельной жаре выживают его большие зеленые экзотические растения. Как гостя, меня усадили за углом в тенистом офисе, но и здесь было слишком жарко, чтобы работать или даже просто обсуждать нашу общую страсть — черные дыры.

В выходные мы с Энн и Герардом отправились на его машине в поездку по небольшим городкам в окрестностях Утрехта, где воздух был чуть прохладнее. Как и многим великим ученым, 'т Хоофту присуще громадное любопытство в отношении окружающего мира — по части не только физики, но и всей природы. Его интерес к вопросу о том, как животные могут измениться в мире, полном городских загрязнений, привел к появлению целого бестиария футуристичных созданий. Вот одно из его творений. Другие можно найти на его домашней странице: http://www.staff.science.uu. nl/ ~hooftl01/evolve.html.

Het Wijndiefje (винный вор) Bacchus dellriosus. Этого паразита можно встретить вблизи пабов. Он полностью приспособлен для открывания бутылок и банок всех типов. Будет очень неприятно, если он проникнет в ваш винный погреб.

’т Хоофт еще и живописец-любитель, и музыкант. Энн тоже пишет картины и играет на фортепьяно, так что в машине и за ланчем в местной деревушке — голландские оладьи, холодная минералка и огромное количество мороженого — мы разговаривали обо всем: от формы морских раковин и будущей эволюции жизни на загрязненной планете до голландских живописцев и фортепьянной техники. Но только не о черных дырах.

В течение рабочей недели мы мало говорили о физике. Герард— противник, который любит поспорить, и наши диалоги часто протекали примерно так: «Герард, — начинал я, — я совершенно согласен с тобой». — «Да, — отвечал он, — но я с тобой совершенно не согласен».

Был один конкретный вопрос, который я хотел обсудить. Эта вещь, о которой я размышлял почти двадцать пять лет, относилась к теории струн. Но Герард не любил теорию струн, и убедить его в ней копаться было непростым делом. Вопрос, который я хотел обсудить, касался местоположения отдельных битов информации. В 1969 году я впервые обнаружил в теории струн нечто потрясающее и в то же время столь сумасбродное, что струнные теоретики не хотят даже думать об этом.

Теория струн утверждает, что все в мире состоит из микроскопических одномерных эластичных струн. Элементарные частицы вроде протонов и электронов — это чрезвычайно маленькие закольцованные струны, каждая по величине не больше планковского масштаба. (Не тревожьтесь, если вам не все понятно. В следующей части я поясню основные идеи. А пока просто примите сказанное в качестве отправной точки.)

Принцип неопределенности даже в отсутствие дополнительной энергии заставляет эти струны вибрировать и флуктуировать за счет нулевых колебаний (см. главу 4). Различные части одной струны находятся в непрерывном движении друг относительно друга, отчего их крошечные части растягиваются и раздвигаются на некоторое расстояние. Само по себе это раздвижение не представляет проблемы; электроны в атомах распределены по значительно большему объему, чем ядро, и причина этого тоже в нулевых колебаниях. Все физики принимают как данность то, что элементарные частицы — это не бесконечно малые точки в пространстве. Все мы ожидаем, что электроны, протоны и другие элементарные частицы по крайней мере не меньше планковского размера, а возможно, и крупнее. Проблема в том, что математика теории струн приводит к абсурдно сильной квантовой дрожи, при которой флуктуации столь свирепы, что кусочки электрона разнесло бы на самые края Вселенной. Большинству физиков, включая струнных теоретиков, это кажется сумасшедшим до немыслимости.

Как это возможно, чтобы электрон был столь велик, как Вселенная, а мы этого не замечали? Вы можете спросить, что удерживает струны вашего тела от столкновений и запутывания со струнами моего тела, даже если мы разделены сотнями миль. Ответ не так прост. Во-первых, эти флуктуации невероятно быстры даже в сравнении с неизмеримо малым планковским временем. Но вдобавок они еще и так тонко настроены, что флуктуации одной струны в точности соответствуют флуктуациям другой и как раз так, что все нехорошие эффекты гасятся. Тем не менее если бы удалось пронаблюдать самые быстрые внутренние нулевые колебания элементарной частицы, то можно было бы обнаружить, что ее части колеблются от края до края Вселенной. Так, по крайней мере, говорит теория струн.

Это дико странное поведение напомнило мне шутку Ааруса Торласиуса (см. с. 238) о том, что мир внутри черной дыры может быть подобен голограмме, причем реальная информация находится далеко на горизонте. Теория струн, если относиться к ней серьезно, идет еще дальше. Она помещает каждый бит информации — будь он в черной дыре или в черной краске на газетном листе — на внешнюю границу Вселенной или на «бесконечность», если у Вселенной нет конца.

Каждый раз, когда я затевал разговор с 'т Хоофтом об этой идее, обсуждение сразу стопорилось. Но незадолго до моего возвращения из Утрехта домой Герард сообщил мне нечто поразительное. А именно, что если рассмотреть в планковском масштабе стены его офиса, то, в принципе, они бы содержали все биты информации о том, что находится внутри комнаты. Я не упоминал при нем слово «голограмма», но он, очевидно, думал о том же, о чем и я: каким-то непонятным образом каждый бит информации в мире записан очень далеко на самых отдаленных границах космоса. Фактически он меня опередил: он сослался на свою статью, вышедшую несколькими месяцами ранее, в которой рассуждал об этой идее.

На этом замечании наш диалог прервался, и в оставшиеся два Аня моего пребывания в Голландии мы больше не говорили о черных дырах. Но, вернувшись в тот вечер в отель, я подробно проработал Доказательство следующего утверждения: максимальное количество Информации, которое может содержаться в любой области пространства, не превышает того, что можно записать на границе области, сохраняя не более четверти бита в одной планковской площади.

Позвольте теперь мне дать пояснение относительно вездесущей, постоянно повторяющейся одной четверти. Почему четверть бита на планковскую площадь, а не один бит на планковскую площадь? Ответ тривиален. Исторически планковская-единица была плохо определена. На самом деле физикам следовало бы вернуться и переопределить планковскую единицу так, чтобы четыре планковские площади стали одной. И я возглавлю это движение; отныне закон будет звучать так:

Вернемся к Птолемею, с которым мы встретились в главе 7. Там мы предположили, что он так боялся заговора, что разрешил хранить в библиотеке лишь ту информацию, которая видна снаружи. Поэтому она была записана только на внешних стенах. При плотности записи один бит на планковскую площадь Птолемей мог бы хранить максимум 10⁷⁴ битов. Это колоссальное количество информации, много больше, чем может вмещать любая реальная библиотека, но тем не менее оно меньше 10¹⁰⁹ битов планковского размера, которые можно затолкать внутрь библиотеки. О чем догадывался 'т Хоофт и что я доказал, сидя в номере отеля, — это то, что воображаемый закон Птолемея соответствует истинному физическому ограничению на количество информации, которое может содержаться в области пространства.

Современной цифровой камере не нужна пленка. У нее есть двумерная «сетчатка», заполненная микроскопическими светочувствительными клетками-ячейками, которые называются пикселами. Все изображения, сделаны ли они современным цифровым фотографом или древним живописцем на холсте, — это иллюзии; они вводят нас в заблуждение, заставляя видеть то, чего нет, — порождают трехмерные образы, хотя сами содержат лишь двумерную информацию. На картине «Урок анатомии» Рембрандт обманывает нас, заставляя видеть тело, разрезы и глубину, хотя в действительности есть лишь тонкий слой краски на двумерном холсте.

Почему эта хитрость срабатывает? Все происходит в мозгу, где специальные цепи создают иллюзию, основываясь на прежнем опыте: вы видите то, что ваш мозг натренирован видеть. В действительности ли на холсте недостаточно информации для того, чтобы определить, действительно ноги мертвеца находятся ближе к вам или они просто слишком велики по отношению к остальному телу. Укорочено ли его тело перспективой или оно в самом деле очень короткое? Органы, кровь и кишки под его кожей — все это в вашей голове. Возможно, этот человек — вовсе не человек, а гипсовый манекен или даже двумерная картина. Хотите увидеть, что написано на свитке за головой самого высокого врача? Попробуйте обойти вокруг картины, чтобы найти более удобный ракурс Увы, этой информации здесь просто нет. Изображение на пиксельном экране вашей камеры тоже не сохраняет реальную трехмерную информацию; оно тоже является иллюзией.

Можно ли построить электронную систему для сохранения истинно трехмерной информации? Конечно, можно. Вместо того чтобы заполнять поверхность двумерными пикселами, представьте себе заполнение пространства микроскопическими трехмерными Клеточками, или, как их иногда называют, вокселами. Поскольку массив вокселов истинно трехмерен, нетрудно понять, что закодированная информация может точно воспроизводить определенный кусок трехмерного мира. Так и подмывает выдвинуть гипотезу: двумерная информация может сохраняться в двумерных массивах пикселов, а трехмерная информация — только в трехмерных массивах вокселов. Дадим этой гипотезе какое-нибудь условное название, например инвариантность размерности.

Кажущаяся правильность этой гипотезы как раз и делает голограммы такими удивительными. Голограмма — это двумерный лист пленки или двумерный массив пикселов, способный сохранить все детали трехмерной сцены. Это не иллюзия, созданная мозгом. Информация действительно присутствует на пленке.

Принцип обычной голограммы первым открыл в 1947 году венгерский физик Деннис Габор. Голограммы — это необычные фотографии, состоящие из беспорядочно пересекающихся полосатых интерференционных узоров, подобных тому, что создает свет, когда проходит через две щели. В голограмме узор создается не щелями, а светом, рассеивающимся от разных частей снимаемых объектов. Фотографическая пленка заполнена информацией в виде микроскопических темных и светлых пятнышек. Внешне они не имеют ничего общего с реальным трехмерным объектом; под микроскопом вы увидите лишь беспорядочный оптический шум примерно такого вида.

Трехмерные объекты разнимаются и складываются во внешне безнадежно перемешанное двумерное изображение. И только за счет такого перемешивания частей трехмерный мир можно точно представить на двумерной поверхности.

Это перемешивание можно обратить, но только если знать как. Информация находится на пленке, и она может быть воспроизведена. Свет, падающий на этот перемешанный узор, рассеиваясь, будет восстанавливать плывущее в воздухе реалистичное трехмерное изображение.

Голографическое изображение, при всей его призрачной реальности, можно рассматривать со всех сторон, и оно выглядит убедительно. Обладая подходящей технологией, Птолемей мог бы покрыть стены своей библиотеки пикселами, содержащими перемешанное голографическое изображение тысяч свитков. И тогда, при правильном освещении, эти свитки появлялись бы как трехмерные изображения внутри библиотеки.

Возможно, вы заметили, что я завел вас на довольно странную территорию, но все это часть того процесса интеллектуальной перепрошивки, который в очередной раз происходит с физикой. 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. Этот новый закон физики, называемый голографическим принципом, утверждает, что всё находящееся внутри некоторой области пространства можно описать посредством битов информации, расположенных на ее границе.

Рассмотрим для определенности кабинет, в котором я работаю. Я в кресле, компьютер передо мной, беспорядочные горы статей, возвышающиеся на столе, которые я опасаюсь выкинуть, — вся эта информация в деталях закодирована планковскими битами, слишком малыми, чтобы их увидеть, но плотно покрывающими стены комнаты. Или рассмотрим все, что находится в пределах миллиона световых лет от Солнца. У этой области есть граница — не физическая стена, а воображаемая математическая оболочка, — и она содержит все, что заключено внутри нее: межзвездный газ, звезды, планеты, людей и все остальное. Как и прежде, всё находящееся внутри такой гигантской оболочки — это образ, созданный микроскопическими битами, распределенными по оболочке. И к тому же битов потребуется не более чем по одному на каждую планковскую площадь. Все так, как если бы граница — стены офиса или математическая оболочка — была сделана из крошечных пикселов, занимающих по одной квадратной планковской длине каждый, и все, что происходит внутри области, было голографическим изображением, создаваемым этой пикселизированной границей. Но, как и в случае обычной голограммы, информация, закодированная на далекой границе, — это очень сильно перемешанное представление трехмерного оригинала.

Голографический принцип поразительно отличается от всего, что встречалось нам прежде. То, что информация распределена в объеме пространства, кажется столь интуитивным, что трудно поверить в ошибочность этого представления. Но мир не вокселизирован; он пикселизирован, и вся информация сохраняется на границе пространства. Но что такое граница и что такое пространство?

В главе 7 я поставил вопрос: где находится информация о том, что Грант похоронен в мавзолее Гранта? Отвергнув несколько ложных ответов, я пришел к выводу, что эта информация находится в мавзолее Гранта. Но действительно ли это так? Начнем с области пространства, ограниченной гробом Гранта. Согласно голографическому принципу, останки Гранта — это голографическая иллюзия, образ, восстановленный по информации, записанной на стенках его гроба. Кроме того, останки и сам гроб находятся в стенах огромного монумента, называемого мавзолеем Гранта.

Так что останки Гранта, его жены Джулии, их гробы и туристы, пришедшие на них посмотреть, — все это образы информации, записанной на стенах мавзолея.

Но почему надо на этом останавливаться? Представьте огромную сферу, заключающую в себе всю Солнечную систему. Грант, Джулия, гробы, туристы, мавзолей, Земля, Солнце и остальные восемь планет (Плутон все-таки планета!) — всё это закодировано информацией на огромной сфере. И так можно продолжать, пока мы не достигнем границ Вселенной или бесконечности.

Очевидно, что вопрос о том, где находится конкретный бит информации, не имеет однозначного ответа. Обычная квантовая механика вносит некоторую неопределенность в такие вопросы. Пока кто-то не посмотрит на частицу или, в нашем случае, на любой объект, имеет место квантовая неопределенность его положения. Но как только объект подвергся наблюдению, все придут к согласию о том, где он находится. Если объектом окажется атом тела Гранта, обычная квантовая механика делает его положение немного неопределенным, но она не поместит его за границами пространства или даже за стенками гроба. Однако если спрашивать о том, где находится бит информации, неправильно, то как надо ставить этот вопрос?

Пытаясь достичь все большей и большей точности, особенно при одновременном учете гравитации и квантовой механики, мы приходим к математическим представлениям, включающим узоры из пикселов, танцующих на далеком двумерном экране, и о секретном коде, преобразующем перемешанные узоры в целостные трехмерные образы. Но, конечно, не существует экрана, покрытого пикселами и окружающего все области пространства. Гроб Гранта — это часть мавзолея Гранта, который является частью Солнечной системы, содержащейся в галактической сфере, охватывающей Млечный Путь… и так, пока не будет охвачена вся Вселенная. На каждом уровне все, что мы охватили, может быть описано как голографический образ, но когда мы ищем саму голограмму, она всегда оказывается на следующем уровне.

При всей своей странности — а он очень странный — голографический принцип уже стал частью общепринятой теоретической физики. Это больше не догадка из области квантовой гравитации; он стал повседневным рабочим инструментом, отвечающим на вопросы не только о квантовой гравитации, но и о таких прозаических вещах, как атомные ядра (см. главу 23).

Хотя голографический принцип радикально перестраивает законы физики, его доказательство не требует изощренной математики. Все начинается со сферической области пространства, которая выделена воображаемой математической границей. Эта область содержит всевозможные «вещи»: водород в виде газа, фотоны, сыр, вино — все что угодно, лишь бы оно не переливалось за границу. Я буду называть все это вещами.

Самая массивная вещь, которую можно запихнуть в нашу область, — это черная дыра, горизонт которой совпадает с границей. Вещи не должны быть массивнее ее, в противном случае они не поместятся внутри границы, но существует ли какой-то предел, ограничивающий число битов информации в этих вещах? Нас интересует определение максимального числа битов, которое можно запихнуть внутрь сферы.

Теперь представьте себе материальную сферическую оболочку— Уже не воображаемую границу, а сделанную из настоящего вещества, — окружающую всю рассматриваемую систему. Эта оболочка, будучи сделанной из реальной материи, имеет собственную массу. Из чего бы она ни состояла, ее можно сжимать внешним давлением Или гравитационным притяжением находящегося внутри вещества, Пока она идеально не совпадет с границей области.

Исходные вещи, которые были у нас с самого начала, содержат некоторое количество энтропии — скрытой информации, — значение которой мы уточнять не будем. Однако нет сомнений в том, что окончательная энтропия — это энтропия черной дыры, то есть ее площадь, выраженная в планковских единицах.

Для завершения доказательства остается лишь напомнить, что второе начало термодинамики требует, чтобы энтропия всегда возрастала. Поэтому энтропия черной дыры должна быть больше, чем у любых исходных вещей. Сводя всё воедино, получаем доказательство удивительного факта: максимальное число битов информации, которое может при каких угодно условиях поместиться в области пространства, равно числу планковских пикселов, которые можно уместить на площади ее границы. Неявно это означает, что существует «граничное описание» всего, что происходит внутри области пространства; поверхность границы — это двумерная голограмма трехмерной внутренней области. Для меня это самый лучший тип доказательства: пара фундаментальных принципов, мысленный эксперимент и далеко идущие выводы.

Существует другой способ описания голографического принципа. Если граничная сфера очень велика, любая небольшая ее часть будет очень похожа на плоскость. В прошлом люди заблуждались, считая Землю плоской, из-за большого ее размера. Пусть наша сфера во много раз больше, скажем, миллиард световых лет в диаметре. При взгляде из точки, находящейся внутри такой сферы, но всего в нескольких световых годах от границы, сферическая поверхность будет казаться плоской. Это означает, что обо всем происходящем в пределах нескольких световых лет от границы можно думать как о голограмме плоского листа пикселов.

Конечно, не надо думать, будто я имею в виду обычную голограмму. Нечего и говорить о том, что зернистость обычного листа фотографической пленки намного больше, чем у листа из пикселов планковского размера. Более того, этот новый тип голограммы может с течением времени меняться; это голографическое кино.

Но самое большое отличие состоит в том, что эта голограмма квантово-механическая. Она мерцает и колеблется из-за неопределенности квантовых систем так, чтобы трехмерные образы испытывали квантовую дрожь. Мы все состоим из битов, включенных в сложные квантовые движения, но если приглядеться к этим битам поближе, то обнаруживается, что они находятся на самых дальних рубежах космоса. Я не знаю в мире ничего менее интуитивного, чем это. Добиться общего понимания голографического принципа — это, вероятно, самый большой вызов физикам со времен создания квантовой механики.

Каким-то образом статья 'т Хоофта, опередившая мою на несколько месяцев, прошла в основном незамеченной. Отчасти это связано с ее названием: «Размерная редукция в квантовой гравитации». Выражение «размерная редукция» оказалось узкоспециальным термином, которое физики применяют в совершенно ином смысле, нежели вкладывал в него 'т Хоофт. Я постарался, чтобы мою статью не постигла та же судьба, и назвал ее «Мир как голограмма».

По дороге из Голландии домой я начал все это записывать. Меня очень взбудоражил голографический принцип, но я также знал, что будет очень трудно убедить в нем кого-либо еще. Мир как голограмма? Я почти явственно слышал скептическую реакцию: «Он был хорошим физиком, но совершенно спятил».

Дополнительность черных дыр и голографический принцип могут относиться к той категории идей вроде представления о существовании атомов, которые обосновываются физиками и философами на протяжении сотен лет. Создать и изучить черную дыру в лаборатории — дело для нас столь же трудное, как для древних греков — увидеть атомы. Но на деле понадобилось менее пяти лет, чтобы сформировался консенсус Как случился это сдвиг парадигмы? Оружием, которое привело к окончанию битвы, стала в основном строгая математика теории струн.