Гипотеза белых дыр. Об устройстве Вселенной, гравитации и теории относительности - Карло Ровелли

•

Я пишу для двух типов читателей. Первые – те, кто совершенно не знаком с физикой: до них я хочу донести увлекательность этих исследований. Вторые всё знают – им я хочу предложить новый взгляд. Ради тех и других я ограничиваюсь изложением самого главного. Считаю, что ничего не понимающим в физике интересна лишь суть, а подробности – ненужная обуза. А те, кто уже знаком с деталями, совершенно не нуждаются в их повторении.

Но, поступая так, я вызываю недовольство, а порой и раздражение у промежуточной категории читателей – тех, кто имеет некоторое представление о предмете, но знает его не очень глубоко. Например, студентов-физиков. Самые плохие отзывы я получаю именно от них, и это понятно: бесит, когда автор проскакивает детали, изучение которых стоило большого труда, особенно если он еще и рассказывает иначе, чем в «священных книгах». У этих читателей я, пожалуй, прошу прощения.

Но есть и еще одна причина, по которой я порой раздражаю молодых ученых. Я не использую профессиональный язык, называю вещи не так, как принято у специалистов. Представьте себе матроса, который вместо «Отпустите гика-шкот!» заорет: «Ослабьте канат, привязанный к большому парусу!» Моряки подумают, что у него с головой что-то не в порядке. Но для тех, кто не в теме, «канат, привязанный к большому парусу» будет понятнее, чем «гика-шкот».

При чтении предыдущих страниц читатели, немного изучавшие предмет этой книги, схватятся за голову: «Но черт возьми, Ровелли, почему не назвать вещи своими именами?» Постараюсь исправиться: в длинном примечании, к которому отсылает сноска ниже, я даю перевод сказанного на язык специалистов. Я говорю то же самое, что и на предыдущих страницах, но пользуясь научными терминами. Непосвященным читателям это ничего не даст, а сведущим будет привычнее, и они смогут четче представить себе описанную аргументацию [48].

3

Закончим же отступление о спорах вокруг парадокса «исчезновения информации в черной дыре» (тем более что это никакой не парадокс) и вернемся к основному изложению. Излучение Хокинга необратимо точно так же, как и охлаждение горячей печи. Следовательно, жизнь черной дыры невозможно повернуть назад. Отскок не может быть полным.

Давайте еще раз поразмышляем о мячике, отскакивающем от земли.

Выше я писал, что он отскакивает вверх и движется так же, как при падении, только в обращенном вспять времени. Но это не совсем справедливо. Трение о воздух замедляет и падение, и подъем при отскоке, то есть отскок от земли никогда не бывает идеально упругим: он оставляет след. Это необратимые явления. Из-за них часть энергии мяча рассеивается в виде тепла. Подъем после отскока не бывает в точности таким же, как падение – мяч не поднимается на ту же высоту, с которой начал падать.

Другими словами, отскок мяча обратим только в первом приближении. При внимательном рассмотрении обнаруживаются необратимые явления, из-за которых вся история на самом деле оказывается несимметрична во времени – будущее отличается от прошлого.

Это верно и для планковской звезды. Черная дыра теряет энергию на излучение Хокинга, уменьшается и при отскоке превращается в белую дыру, которая меньше породившей ее черной.

Излучение Хокинга может привести к уменьшению горизонта до крохотных размеров. При этом искривление пространства-времени вокруг горизонта оказывается очень сильным. Значит, мы имеем дело с полностью квантовым режимом, и вероятность перехода из черной дыры в белую становится большой. Переход происходит [49]. Энергии белой дыры недостаточно, чтобы вырасти до прежнего размера черной. Белая дыра остается крохотной и очень слабо излучает на протяжении очень длительного времени [50], пока полностью не исчезнет.

Итак, пути энергии и информации в ходе всего процесса жизни планковской звезды сильно различаются. Почти вся исходная энергия звезды рассеивается в виде излучения Хокинга. Сама звезда теряет энергию весьма любопытным – истинно квантовым – способом: у излучения Хокинга есть составляющая с отрицательной энергией (да, в квантовом мире энергия может быть отрицательной!), которая входит внутрь черной дыры. Она «надкусывает» массу черной дыры и оказывается на звезде, где уничтожает исходную (положительную) энергию. Получаемый белой дырой остаток энергии очень мал. Вот как выглядит переток большей части энергии:

А вот вошедшая под горизонт информация, наоборот, остается запертой вплоть до завершения квантового перехода. Переход освобождает ее и возвращает в белый свет.

Чтобы вывести большой объем информации с малой энергией из-под очень малого горизонта, нужно очень много времени (представьте себе много мелких мячиков, которые должны выйти через маленькую дырочку).

После выхода всей информации вместе с остатком внутренней энергии завершается цикл долгой счастливой жизни отскочившей планковской звезды.

4

Мы приближаемся к концу повествования, но тонкое хитросплетение обратимых и необратимых аспектов времени, позволяющее разобраться в судьбах черных дыр, оставляет открытым ключевой вопрос о направлении течения времени. Я не хочу завершать мой краткий рассказ, оставив этот вопрос без внимания.

Отскок возможен в силу симметрии относительно обращения времени, но время сохраняет свое направление: сам момент отскока симметричен во времени, но весь процесс в целом – не симметричен. Чудовищные искажения времени в черных и белых дырах в корне меняют наши представления о времени, но не затрагивают его направление: прошлое все равно отличается от будущего. Почему же?

Физика говорит нам очень странные вещи про направление времени [51]. Догадливый читатель уже мог это заметить и задаться вопросами: выше я утверждал, что фундаментальные уравнения не отличают прошлого от будущего. Из них не вытекает направление времени. Но потом я говорил об ориентированных во времени явлениях. Откуда же возникает направление времени, если оно не вписано в фундаментальную грамматику мира?

Оно появляется из того, что мы живем в одном из многих возможных решений фундаментальных уравнений, и в этом решении – по крайней мере с нашей точки зрения – прошлое выглядит особенным. Иными словами, различие между прошлым и будущим в чем-то похоже на различие между двумя географическими направлениями для жителей горной местности: в одном направлении – подъем, а в другом – спуск. Не потому, что эти направления различны по своей природе, а лишь в силу сложившихся в этом месте конкретных обстоятельств. На итальянском склоне Монблана «направление подъема» – к северу, а на французском – к югу. Непреодолимое течение времени – это отражение сложившихся обстоятельств.

Точно так же и для планковской звезды. Различие между