Таким образом, не получится сделать энтропометр, который будет измерять величину беспорядка, или энтропии, в системе.
За исключением черных дыр.
Черные дыры — это завораживающее следствие теории гравитации и теории относительности, в которой ученик Эйнштейна Джон Уиллер является ведущим специалистом. Именно Уиллер в 1968 году дал этому странному феномену название «черные дыры». Черная дыра — это объем пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто не может ее избежать. Вся материя удерживается на месте мощным гравитационным полем — как и весь свет. Чтобы уйти от черной дыры, придется двигаться со скоростью большей, чем скорость света — а это невозможно. Таким образом, черная дыра окружена мембраной, которая обеспечивает проход только в одну сторону — в дыру.
Подобные черные дыры могут появляться как финальная фаза жизни звезд, когда излучения энергии больше не достаточно для продолжения жизни звезды и она просто гибнет под действием огромных сил, вызванных ее гравитацией. Черные дыры могут также возникать в центре молодых галактик, когда несколько звезд сходятся вместе.
В 60-е годы черные дыры изучались с позиций теории, а в 70-е годы стало ясно, что они действительно существуют во Вселенной. Сегодня мы предполагаем, что они играют очень важную роль в очень многих космических явлениях.
Но в каком-то смысле совершенно неважно, из чего сделаны черные дыры. Они просто черные. Все, что мы можем сказать о черной дыре — это какая масса находится внутри ее. Все остальное практически недоступно со стороны тех, кто находится снаружи дыры. Все, что осталось — это гравитационное поле. Остальное исчезло. Ушло в забвение. Прочь.
То, что находится внутри черной дыры, в каком-то смысле находится вне нашей Вселенной — это нам недоступно.
Мембрана черной дыры имеет поверхность, которая определяет предел — точку невозврата. Когда вы ее достигаете — вы уже никогда не сможете вернуться. И поверхность черной дыры может только расти: она может засасывать в себя новую материю и никогда ничего не выпускает. Чем больше масса, тем большей будет поверхность мембраны — а масса всегда увеличивается.
Таким образом, и поверхность черной дыры всегда увеличивается. Она не может уменьшиться. Если две дыры соединяются вместе и поглощают друг друга, поверхность их будет по меньшей мере в два раза больше, чем поверхность этих двух дыр по отдельности. Этот закон был открыт Роджером Пенроузом (вместе с Р. М. Флойдом, Стивеном Хоукингом и другими).
В 1970 году один из студентов Уиллера в Принстоне, Якоб Бекенстайн, сделал выдающееся наблюдение: постоянно растущая поверхность черной дыры напоминает другую величину, совершенно из другой области физики, которая также только растет и никогда не уменьшается — энтропию.
Бекенстайн решил исследовать эту аналогию между черными дырами и термодинамикой и пришел к эпохальному заключению: у черных дыр есть энтропия. 12 Их энтропия просто выражается поверхностью односторонней мембраны, которая окружает дыру. Чем больше дыра, тем больше энтропия — и она может только расти.
Объяснение заключается как раз в том, что мы не можем знать, из чего состоит черная дыра. Огромные количества материи разрушаются, и мы не можем их видеть. Все, что мы видим — это гравитационное поле. Мы не имеем знаний о том, что создало дыру. Неважно, что в ней — мы никогда не сможем узнать о ней больше, нежели сам факт, что она есть — и вырабатывает поле гравитации. Снаружи неважно, что находится внутри. Для мира, который находится снаружи, информация просто потеряна.
Неважно, какое микросостояние привело к возникновению дыры — все явление выражается тем же макросостоянием в форме поля гравитации. Черная дыра представляет собой огромное количество информации, которое недоступно внешнему миру. Спрятанная история.
«В этом веке мы осознали, что энтропия представляет собой недоступную информацию»15, - пишет Джон Уиллер в поэтическом обзоре современных знаний о гравитации и пространстве-времени. К этому осознанию физик пришел не в последнюю очередь через теоретическое изучение черных дыр в свете теории Бекенстайна.
Энтропия черной дыры выражается через ее размер. Но размер — это чисто геометрическая величина, которая включает в себя структуру пространства. Изумительно, что нечто, включающее в себя пространство, имеет характеристики, полученные из термодинамики, которая представляет собой науку о правилах построения паровых двигателей.
Но еще более интересно то, что черные дыры обладают однозначно определяемой энтропией: нет необходимости спрашивать, кто спрашивает об их энтропии, чтобы ее определить. Нет нужды спрашивать о точности наблюдателя по той простой причине, что все наблюдатели вне дыры находятся в абсолютно одинаковом положении. Никто не может знать, что находится внутри черной дыры, если только сам там не находится. Таким образом, у черной дыры имеется точно определенная энтропия для каждого, кто наблюдает ее со стороны. Количество отсутствующего знания будет одинаковым вне зависимости от того, кто исследует дыру.
Исторически идея Бекенстайна привела к важному результату: черные дыры также обладают температурой, что означает, что через процессы квантовой механики они могут излучать в пространство. Но это излучение, открытое Стивеном Хоукингом, никоим образом не относится к тому, что создало дыру. Оно зависит только от поверхности дыры. История по-прежнему забыта, информация по-прежнему утеряна.
Самое важное в идее Бекенстайна заключается в том, что она привела к появлению первого энтропометра — первой системы, для которой мы однозначно можем определить энтропию и спросить: «Сколько информации здесь утеряно?». К примеру, мы можем взять черную дыру с массой видимой Вселенной в ее начале, в планковском времени, и спросить: «Сколько энтропии тогда было у Вселенной? Сколько информации содержит подобная Вселенная?»
Задать этот вопрос — это то же самое, что спросить, сколькими способами может быть образована эта молодая вселенная. Сколько микросостояний соответствуют макросостоянию, описываемому как новая вселенная?
Сегодня видимая Вселенная имеет очень обширный информационный контент: очень большую энтропию. Мы считаем энтропию Вселенной как энтропию фоновой радиации, которая ее наполняет — равномерно распределенное эхо Большого взрыва.
В сегодняшней Вселенной объем энтропии очень велик: требуется колоссальное количество информации, чтобы описать Вселенную в каждой ее детали. В конце концов, применение второго закона термодинамики относится к периоду в 15 миллиардов лет, так что за это время создалось огромное количество беспорядка, который необходимо отслеживать.
Число, которое описывает энтропию видимой Вселенной — количество бит во Вселенной — записывается как единица с 88 нулями (1088). Если мы сожмем всю Вселенную в черную дыру, энтропия будет еще больше: количество бит в ней будет описываться единицей с 120 нулями. А насколько велика была энтропия в планковское время?
Этот вопрос был задан в конце 80-х годов. Ответ был шокирующим, даже если вспомнить, что второй закон термодинамики в планковское время только начал создавать энтропию, описание которой потребует информации. Если мы будем рассматривать эту только что родившуюся вселенную как черную дыру, ее энтропия, то есть скрытый информационный контент, будет равняться одному биту.
Мир начался с того, что можно описать, используя всего один-единственный бит. Это вся скрытая информация, которая в нем содержалась. Весь беспорядок начался позже.
В принципе астрономам удалось описать Вселенную до ее самого первого бита — и не дальше. А дальше законы не работают.
Один бит — это информация, достаточная, чтобы ответить на вопрос «да» или «нет». Но не задать вопрос.
А какой вопрос?
В 1973 году американский физик Эдвард Трион предложил странную идею: подобная крошечная ранняя Вселенная, подобная той, которая существовала в планковское время, могла, возможно, появиться из ничего — ex nihilo.Объяснение этому таково: неопределенность принципов законов квантовой механики действительно позволяет чему-то крошечному появляться из ничего — если оно будет существовать только мгновение. И чем оно меньше, тем дольше сможет существовать.
Трион указал, что если все во Вселенной сложить вместе — материю, энергию, гравитацию, скорость расширения и все промежуточные вычисления — сумма будет равняться нулю. Во Вселенной существуют равные количества позитивной и негативной энергии: в материи связано столько же энергии, сколько и в движении материи, вызванном расширением. Если выражаться строгими техническими терминами, сумма всего — это ничто. 15 Это предполагает определенные теоретические допущения, но с 1973 года степень их обоснованности возрастает.
Но если все складывается в один большой круглый 0, появляется интересное следствие законов квантовой механики. Ведь они утверждают, что ничто — пустое пространство — иногда делится и на долю секунды становится чем-то. И чем меньше это «что-то», тем дольше ему позволено существовать. Нулю могут позволить существовать сколько ему угодно. А потому если Вселенная равняется нулю, она может существовать вечно.
Идея Триона заключалась в том, что ничто иногда переживает определенные потрясения, которые превращают его в полную Вселенную. Да, очень маленькую на самом деле — но быстро расширяющуюся. Если говорить технически, эта Вселенная представляет собой один большой ноль — но разве это важно, если она может существовать вечно?
С тех пор космолог Александр Виленкин усовершенствовал теорию Триона, которая сегодня воспринимается более чем серьезно: Вселенная появилась ex nihilo. Исследования, которые ведутся в последние несколько лет также фокусируются на идее того, что все — это один большой ноль. 16
Определенная почва для серьезного восприятия идеи Триона есть: все появилось из ничего благодаря случайным возмущениям, которые выросли во Вселенную, которая, может, и равна нулю, зато может жить вечно. А в вечности нет ничего зыбкого.
В 19 веке немецкий философ Г.В.Ф. Гегель предложил идеи бытия и ничто (которые также можно обнаружить во многих восточных философиях и в работах ранних греческих философов, к примеру, Гераклита). Гегель писал: «Становление — это переход чистого бытия в ничто и ничто в чистое бытие».
Это заставило Серена Кьеркегора, который весьма критически относился к Гегелевскому стилю жонглирования концепциями, описать идею всего, начинающегося в ничто, как это: «Идея «начала с Ничто» — это не более и не менее чем новое переписывание самих «Начал диалектики», — писал он. — «Начало начинается с Ничто». Это просто новое утверждение и даже не шаг вперед. «Начало — это нет» и «Начало начинается с Ничто» — это абсолютно идентичные утверждения, и они не продвигают меня ни на шаг вперед». Кьеркегор немедленно ставит на обсуждение свое собственное предложение: «Что если вместо того, чтобы говорить или мечтать об абсолютном начале, мы будем говорить о Скачке?»18
Скачок! В своей работе «Заключительное ненаучное послесловие» (1846) Кьеркегор предвосхищает теорию Триона и Виленкина о том, что Вселенная началась как квантовая флуктуация, как возмущение Ничто, как квантовый скачок.
В 1983 году физик Педер Воэтманн Кристиансен показал, как формула квантового скачка Нильса Бора нашла свое вдохновение в работах Кьеркегора. 19 Но космологи вряд ли читали Кьеркегора. Да философ и намекал вовсе не на физический скачок, а на акт воли, на экзистенциальный выбор. Его точка зрения — это результат концептуального анализа, и он подчеркивает, что когда мы провозглашаем «все началось с ничто», это ни о чем нам не говорит.
Но точка зрения Кьеркегора тем не менее представляет интерес в связи с идеей создания ex nihilo: чего мы на самом деле достигаем, говоря, что все началось с ничто? Началось как возмущение ничто — скачок?
Возможно, лучше будет сказать, что это было именно так: возмущение в ничто, in nihilo,80 а не ex nihilo. Вселенная не возникла из ничего: Вселенная появилась внутри ничто. Все — это ничего, каким оно видится изнутри. Мир снаружи на самом деле — это ничто, наблюдаемое изнутри. Мы находимся внутри ничто.
Если смотреть снаружи — это ноль, ничего. Если смотреть изнутри — это все, что мы знаем. Вся Вселенная.
Но может возникнуть вопрос: откуда мы знаем, что возможно забраться внутрь ничто?
Технически ответ очень прост: так как все, что мы видим вокруг себя, складывается в сумме в один большой ноль, то мир — это есть ничто. Вопрос, можем ли мы проникнуть в это ничто, не слишком разумный, так как стоит нам его произнести, мы уже знаем ответ.
«Там нет никакого «там», — таким был вывод Джона Уиллера по поводу того, что известно человечеству в свете знаний, которые дает нам квантовая механика. Он любит иллюстрировать эту свою идею наброском,21 который описывает что мы являемся участниками Вселенной, а не просто наблюдателями. Мы — участники-наблюдатели, как описывает это Уиллер. Наши наблюдения помогают создавать Вселенную, которую мы наблюдаем. Набросок представляет собой большую букву U, где на одном конце находится глаз, смотрящий в другой конец. Идею Уиллера можно выразить по-другому:
Вселенная началась, когда ничто увидело себя в зеркале.
Физик Фред Алан Вульф в своей книге по квантовой механике излагает это так, перефразируя знаменитую строчку из «Гамлета»:
«Быть или не быть — это не вопрос: это ответ». Но каков же тогда вопрос?
Глава 14. На грани Хаоса
«Чем дальше, тем больше отличий» — таким было название статьи, опубликованной в «Science» в 1972 году, в которой американский физик твердых тел и нобелевский лауреат П.В. Андерсон изложил то, что в 80-е годы должно было стать противостоянием холизма против редукционизма в научной точке зрения.
Холизм — это точка зрения, что мир состоит из целостных единиц, которые не могут быть описаны исключительно в рамках их составных частей, в то время как редукционизм — доминирующая точка зрения среди практиков естественных наук — утверждает: многосторонние явления Вселенной лучше всего описываются, если свести их к небольшому количеству составных частей, которые затем можно изучать по отдельности. В 80-е годы преобладала точка зрения, что редукционизм потерпел банкротство, так как его фокусировка на отдельных компонентах и аспектах реальности привела мир к экологическому кризису, который постепенно стал одной из доминирующих проблем современной цивилизации.
Холизм даже преподносился как новая парадигма в науке: новый научный взгляд на мир, который уделяет внимание целостностям и их связями, в противоположность одержимости официальной науки отдельными составными частями. 2
Критика редукционизма имела множество оправданий, так как ученые, занимающиеся естественными науками, стали слишком надменными по отношению к собственному пониманию мира: в конце концов редукционизм говорит нам, что когда мы создаем абстрактное описание мира, мы уменьшаем, упрощаем, урезаем и отсеиваем информацию. Но многие ученые в области естественных наук, особенно инженеры, на волне технологического оптимизма 60-70-х годов вели себя так, как будто естественнонаучный взгляд на мир был синонимом самого этого мира. С тех пор в области технологий получено много нового опыта, к примеру, применение ядерной энергии, и как ученые, так и непрофессионалы стали намного мудрее.
Естественнонаучный взгляд на мир — это не более и не менее чем карта территории: описание, которое отсеивает большую часть информации, воспринимаемой нами, когда мы наблюдаем мир, поддерживающее определенные несложные базовые характеристики, о которых затем можно говорить уже однозначно. С другой стороны холизм уделяет внимание предчувствиям и ассоциациям, о которых говорить сложно: взаимодействие со Вселенной, которая настолько богата информацией, что не может стать объектом разговора на низкой пропускной способности сознания.
В течение десятков лет редукционизм символизировал не слишком разумную веру в то, что если мы сможем понять, мы сможем охватить все целое: невежественная слепота к отсутствию знания, присущая вере, что изучения частей достаточно для понимания целого. Как исследовательская идеология — забудем сейчас о более широком контексте — редукционизм являлся реакционным и не слишком любопытным. Но это не изменяет того факта, что спор холизма и редукционизма сегодня — это противостояние, которое можно считать делами давно минувших дней: ложные противоположности.