Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики

24 Смирение

Мы всего лишь усовершенствованная порода обезьян на малозначительной планете возле самой заурядной звезды. Но мы понимаем Вселенную. И это делает нас чем-то особенным.

Стивен Хокинг

Перепрошить свой мозг релятивистскими идеями весьма непросто, а квантово-механическими представлениями — ещё труднее. Предсказуемость и детерминизм ушли, а не оправдавшие ожиданий классические законы логики были заменены квантовой логикой. Неопределённость и дополнительность были выражены на языке бесконечномерных гильбертовых пространств, математических отношений коммутативности и других странных порождений разума.

Но, несмотря на все перепрошивки XX века, по крайней мере до середины 1990-х годов реальность пространства-времени и объективность событий не подвергались сомнению. Всеми предполагалось, что квантовая гравитация не играет никакой роли, когда речь идёт о крупномасштабных свойствах пространства-времени. Стивен Хокинг со своим информационным парадоксом непреднамеренно и даже против своей воли вынудил нас отбросить это предубеждение.

Новые представления о физическом мире, сформировавшиеся чуть более чем за десятилетие, включали новый тип релятивизма и новый тип квантовой дополнительности. Объективный смысл понятия одновременности (двух событий) был утрачен в 1905 году, но сама концепция события оставалась твёрдой как скала. Если внутри Солнца идёт ядерная реакция, все наблюдатели согласятся, что это происходит именно внутри Солнца. Никто не зарегистрирует, что она протекает на Земле. Но в мощном гравитационном поле чёрной дыры происходит нечто новое, подрывающее саму объективность событий. События, которые падающий наблюдатель сочтёт произошедшими глубоко внутри огромной чёрной дыры, другой наблюдатель зарегистрирует вне горизонта растворёнными в шуме фотонов хокинговского излучения. Событие не может быть сразу и за горизонтом, и перед ним. Одно и то же событие располагается или за горизонтом, или перед ним в зависимости от того, какой эксперимент ставит наблюдатель. Но даже крайняя странность дополнительности теряется рядом с удивительным голографическим принципом. Похоже, что крепкий трёхмерный мир — это своего рода иллюзия, а реальные события происходят на границах пространства.

Для большинства из нас крах таких концепций, как одновременность (в специальной теории относительности) и детерминизм (в квантовой механике), — это какие-то тёмные парадоксы, которыми интересуются лишь немногие физики. Но в действительности верно обратное: это мучительная медлительность человеческих движений и неповоротливость человеческого тела массой 10²⁸ атомов являются странными природными аномалиями. Во Вселенной на каждого человека приходится около 10⁸⁰ элементарной частиц. Большинство из них движется со скоростью, близкой к световой, и крайне неопределенны — если не по своему местонахождению, то по скорости своего движения.

Слабость гравитации, испытываемой нами на Земле, — тоже исключение. Вселенная родилась в состоянии быстрого расширения; каждая точка пространства была со всех сторон окружена горизонтами, находящимися на расстоянии меньше размера протона. Самые заметные объекты Вселенной — галактики — построены вокруг гигантских чёрных дыр, которые постоянно заглатывают звёзды и планеты. Из каждых 10 000 000 000 битов информации во Вселенной 9 999 999 999 связаны с горизонтами чёрных дыр. Должно быть ясно, что наши наивные идеи о пространстве, времени и информации совершенно негодны для понимания большей части природы.

Перепрошивка под квантовую гравитацию ещё далека от завершения. Не думаю, что у нас уже есть подходящая концепция для замены старой парадигмы объективного пространства-времени. Мощная математика теории струн очень полезна. Она даёт нам чёткую структуру для проверки идей, которые в противном случае можно было бы обосновывать лишь философски. Но теория струн— это ещё незавершённая работа. Мы не знаем её первичных принципов, как и того, является она глубочайшим уровнем реальности или же лишь очередной временной теорией на нашем пути. Битва при чёрной дыре преподнесла нам несколько очень важных и неожиданных уроков, но они лишь намекают на то, сколь отлична реальность от наших ментальных моделей, даже после того, как они были перепрошиты релятивизмом и квантовой механикой.

Космические горизонты

Битва при чёрной дыре окончена (это заявление может возмутить небольшую кучку людей, всё ещё продолжающих воевать), но сразу вслед за её завершением природа, будучи великим мастером неожиданностей, совершила новый финт. Примерно в то же время, когда Малдасена сделал своё открытие, физики (с подачи космологов) стали приходить к выводу, что мы живём в мире с не исчезающе малой космологической постоянной. Эта поразительно малая фундаментальная константа [161] намного меньше всех других физических постоянных, но именно она главным образом определяет будущую историю Вселенной.

161

Численное значение космологической постоянной в планковских единицах — примерно 10^{– 123}. Подозрение о том, что она отлична от нуля, возникло в середине 1980-х годов у некоторых космологов, внимательно изучавших астрономические данные. Но более десятилетия эти соображения не привлекали большого внимания физического сообщества. Невероятная малость значения космологической постоянной обманула почти всех физиков, полагавших, что её просто не существует.

Космологическая постоянная, известная также как тёмная энергия, почти столетие вызывала беспокойство в стане физиков. В 1917 году Эйнштейн размышлял о возможности существования особого типа антигравитации, которая будет заставлять всё на свете взаимно отталкиваться, противодействуя обычной притягивающей гравитации. Это ни в коей мере не были досужие домыслы, — они надёжно опирались на математику общей теории относительности. В её уравнениях оставалось место для дополнительного члена, который Эйнштейн назвал космологическим. Величина новой силы была пропорциональна новой фундаментальной константе, так называемой космологической постоянной, обозначаемой греческой буквой лямбда (Л). Если Л положительна, космологический член порождает отталкивающую силу, увеличивающуюся с расстоянием; если она отрицательна, новая сила будет притягивающей; при нулевом значении Л никакой силы нет и космологический член можно игнорировать.

Поначалу Эйнштейн предположил, что Л должна быть положительной, но вскоре эта идея ему разонравилась, он назвал её своей величайшей ошибкой, и это высказывание получило широкую известность. Всю дальнейшую жизнь он во всех своих уравнениях полагал Л равной нулю. Большинство физиков соглашались с Эйнштейном, хотя они и не понимали, почему в уравнениях не должно быть Л. Но в прошлом десятилетии появились убедительные астрономические аргументы в пользу небольшого положительного значения космологической постоянной.

Космологическая постоянная и все связанные с ней загадки и парадоксы стали предметом моей книги «Космический ландшафт». Здесь же я расскажу лишь о самом важном следствии: отталкивающая сила, действующая на космологических расстояниях, заставляет пространство экспоненциально расширяться. В расширении Вселенной нет ничего нового, но без космологической постоянной его скорость должна постепенно снижаться. На самом деле оно даже может обратиться вспять, сменившись сжатием, которое в конце концов, приведёт к гигантскому космическому схлопыванию. Напротив, благодаря космологической постоянной Вселенная, похоже, удваивает свои размеры примерно каждые пятнадцать миллиардов лет, и всё указывает на то, что так будет продолжаться бесконечно.

В расширяющейся Вселенной, или, коли на то пошло, на расширяющемся воздушном шаре, чем больше расстояние между двумя точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Связь между расстоянием и скоростью называется законом Хаббла, согласно которому скорость удаления любых двух точек пропорциональна разделяющему их расстояния. Любой наблюдатель, где бы он ни располагался, видит, что далёкие галактики удаляются, а их скорости пропорциональны расстояниям до них.

Если заглянуть достаточно далеко в такую расширяющуюся Вселенную, то можно найти точку, где галактики удаляются от вас со скоростью света. Одно из самых удивительных свойств экспоненциально расширяющейся Вселенной состоит в том, что расстояние до этой точки никогда не меняется. Похоже, что в нашей Вселенной на расстоянии около пятнадцати миллиардов световых лет объекты удаляются от нас со скоростью света, но что ещё важнее — так будет вечно.

В этом есть что-то знакомое, хотя и в новом ракурсе. Вспоминается озеро с головастиками из главы 2. В определённой точке Алиса, если она плывёт по течению, проходит мимо точки невозрата и удаляется от Боба со скоростью звука. Нечто подобное происходит во вселенском масштабе. Во всех направлениях, куда бы мы ни бросили взгляд, галактики пересекают точку невозврата, за которой они удаляются от нас быстрее света. Каждый из нас окружён космологическим горизонтом — сферой, на которой все предметы удаляются от нас со скоростью света, — и никакой сигнал не может прийти к нам из-под горизонта. Когда звёзды проходят точку невозврата, они исчезают навсегда. Очень далеко, примерно в пятнадцати миллиардах световых лет, наш космологический горизонт проглатывает галактики, звёзды и, возможно, даже жизнь. Как будто каждый из нас живёт внутри своей собственной личной, вывернутой наизнанку чёрной дыры.