Инфо-космо-логия

Энтропия… Я тоже знал, что это такое. Но забыл. Хотя в наше время такого понятия не было.
Военно-математический фольклор

Информация: степень непредсказуемости сообщения; грубо говоря, информация — это то, что вы не ожидаете услышать. Информация
в этом смысле может быть «истинной» или «ложной», но всегда непредсказуемой.
По степени сопротивления новой информации судят о степени фундаментализма в культуре, субкультуре или отдельном человеке…
Роберт А. Уилсон. «Новая инквизиция»

Всё — это информация

Физикам свойственно чувство юмора. Вот, к примеру, как выглядит оценка крайне некомфортной ситуации в физической науке, когда две основополагающие теории XX века — квантовая теория, описывающая микромир элементарных частиц, и общая теория относительности (ОТО), описывающая макромир звезд и планет в терминах гравитационного искривления пространства-времени, — на протяжении всего столетия так и остались несогласованными, взаимно исключающими взглядами на природу. Как говорится в одной старой шутке, всякий приличный физик по понедельникам, средам и пятницам является сторонником квантовой теории, по вторникам, четвергам и субботам — сторонником ОТО. А по воскресеньям он просто кающийся грешник, истово молящий у всевышнего ниспослать хоть кому-то (лучше всего, конечно, именно ему) так нужный ключ к «теории всего», то есть красивый и непротиворечивый способ объединения нестыкующихся картин мира.
Многим интуитивно понятно, что чересчур затянувшийся кризис — это признак какого-то очень важного упущения, чего-то принципиально недопонятого нами в природе вселенной.
Все больше теоретиков считают, что ключевой идеей, ведущей к «великому объединению» гравитации и квантовой теории, может стать переформулирование взглядов на природу не в терминах материи и энергии, а в терминах информации.

Одним из первых об этом заговорил патриарх американский физики, великий Джон Арчибальд Уилер (подаривший миру, среди прочего, любопытный термин «черная дыра»). Вот как он пишет о роли информации в своей автобиографии¹, опубликованной несколько лет назад:

Моя жизнь в физике представляется мне разделенной на три периода. В первый из них, растянувшийся с начала моей карьеры и до начала 1950-х годов, я был захвачен идеей, что «Всё — это частицы». Я искал способы выстроить все базовые элементы материи (нейтроны, протоны, мезоны и т. д.) из самых легких, наиболее фундаментальных частиц — электронов и фотонов.

Второй период я называю «Всё — это поля». С тех пор как я влюбился в общую теорию относительности и гравитацию в 1952 году и вплоть до недавнего времени я придерживался взгляда на мир, как на состоящий из полей. Мир, в котором то, что представляется нам частицами, — это в действительности проявления электрических и магнитных полей, гравитационных полей и самого пространства-времени.

Теперь же я захвачен новой идеей: «Всё — это информация». Чем больше я размышляю о квантовых тайнах и о нашей странной способности постигать тот мир, в котором мы живем, тем больше вижу фундаментальное, вероятно, значение логики и информации как основы физической теории.

Взгляд Уилера на информацию как на первооснову нашего мира порождает и новый взгляд на интересные вопросы. Например, как много информации требуется для того, чтобы описать всю вселенную целиком? И можно ли уместить это описание в память компьютера? И какова, вообще говоря, предельная информационная емкость устройства, которое весит, скажем, около грамма и вмещается в один кубический сантиметр (иными словами, размером примерно с компьютерный чип)?

Истина в дыре

Довольно необычным и даже странным может показаться место, в котором теоретическая физика отыскала ответы на некоторые из этих и им подобных вопросов. Изучая загадочные свойства черных дыр, ученые вывели абсолютные пределы того, как много информации может содержаться в некоторой области пространства или же в некотором количестве материи и энергии. И сегодня уже достаточно отчетливо видно, что исследование черных дыр и, в частности, их энтропии (см. врезку) способно дать ученым очень важные ключи к созданию окончательной теории реальности.

Почему энтропия черной дыры так интересна? Главным образом потому, что она оказалась очень удобным тестовым полигоном для нашего понимания квантовой гравитации. (А подавляющее большинство физиков сегодня уверены, что для сведения воедино квантовой теории поля и общей теории относительности надо создать теорию квантовой гравитации.)
Черные дыры — прямое следствие ОТО, геометрической теории тяготения, сформулированной Эйнштейном к 1915 году. Согласно этой теории, гравитация возникает из-за искривления пространства-времени, что вынуждает объекты двигаться так, будто их влечет некая сила. Искривление же, в свою очередь, вызвано присутствием материи и энергии. По уравнениям Эйнштейна, достаточно высокая концентрация материи или энергии искривляет пространство-время так сильно, что оно разрывается, порождая черную дыру.

В рамках классического (неквантового) описания физики любой объект, падающий в черную дыру, в некотором смысле можно считать навсегда утраченным. Совокупность точек невозвращения именуется горизонтом событий. В простейшем случае он представляет собой сферу, поверхность которой тем больше, чем массивнее черная дыра. Горизонт событий принципиально важен потому, что как только любой объект минует его, то ни сам объект, ни свет, излучаемый им, ни данные о его энтропии уже никогда и никак не вернуть. Но такое заключение приводит к парадоксу относительно второго начала термодинамики, а это очень серьезно, потому что второе начало принято чтить как физический закон, имеющий наиболее фундаментальное значение вне собственно науки физики.

Второе начало термодинамики обобщает хорошо знакомые нам по жизни наблюдения, согласно которым большинство процессов в природе являются необратимыми: чашка падает со стола и разбивается, но никто никогда не видел, чтобы осколки сами прыгали на прежние места и собирались в целую чашку. Второй закон термодинамики запрещает такие обратимые процессы. Он утверждает, что энтропия изолированной физической системы не может уменьшаться. Этот закон является центральным для физической химии, множества прикладных наук и основанных на них технологий. Но еще Джон Уилер впервые отметил, что когда материя исчезает в черной дыре, то получается, что ее энтропия, по сути, исчезает навсегда, а значит, второй закон термодинамики оказывается фактически преодоленным, становится несущественным.

Наглядно проиллюстрировать эту идею можно метафорой рабочего стола, беспорядок и слой пыли на поверхности которого день ото дня растут. Уборка (стирание пыли, укладывание бумаг в аккуратные стопки и т. д.) может сократить энтропию, однако в процессе уборки человек пачкается, потеет, вдыхает пыль, то есть увеличивает свою собственную энтропию. Так что с неубыванием энтропии здесь все в порядке. Но вот если отправить стол в черную дыру, то второй закон вроде бы можно обмануть. Черная дыра, правда, станет более массивной, однако никто уже не сможет сказать, затолкнули туда чистый стол или же захламленный. То есть его энтропия в некотором смысле «исчезает», тем самым уменьшая общую энтропию вселенной…