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

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 твердой как скала. Если внутри Солнца идет ядерная реакция, все наблюдатели согласятся, что это происходит именно внутри Солнца. Никто не зарегистрирует, что она протекает на Земле. Но в мощном гравитационном поле черной дыры происходит нечто новое, подрывающее саму объективность событий. События, которые падающий наблюдатель сочтет произошедшими глубоко внутри огромной черной дыры, другой наблюдатель зарегистрирует вне горизонта растворенными 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 трехмерный 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 темные 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 черных дыр, которые постоянно заглатывают звезды и планеты. Из каждых 10 000 000 000 битов информации во Вселенной 9 999 999 999 связаны с горизонтами черных дыр. Должно быть ясно, что наши наивные идеи о пространстве, времени и информации совершенно негодны для понимания большей части природы.

Перепрошивка под квантовую гравитацию еще 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 дает нам четкую структуру для проверки идей, которые в противном случае можно было бы обосновывать лишь философски. Но теория струн— это еще незавершенная работа. Мы не знаем ее первичных принципов, как и того, является она глубочайшим уровнем реальности или же лишь очередной временной теорией на нашем пути. Битва при черной 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.

Битва при черной дыре окончена (это заявление может возмутить небольшую кучку людей, все еще продолжающих воевать), но сразу вслед за ее завершением природа, будучи великим мастером неожиданностей, совершила новый финт. Примерно в то же время, когда Малдасена сделал свое открытие, физики (с подачи космологов) стали приходить к выводу, что мы живем 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.

Космологическая постоянная, известная также как темная энергия, почти столетие вызывала беспокойство в стане физиков. В 1917 году Эйнштейн размышлял о возможности существования особого типа антигравитации, которая будет заставлять все на свете взаимно отталкиваться, противодействуя обычной притягивающей гравитации. Это ни в коей мере не были досужие домыслы, — они надежно опирались на математику общей теории относительности. В ее 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 ее 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, приведет к гигантскому космическому схлопыванию. Напротив, благодаря космологической постоянной Вселенная, похоже, удваивает свои размеры примерно каждые пятнадцать миллиардов лет, и все 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 далекие 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 еще важнее — так будет вечно.

В этом есть что-то знакомое, хотя и в новом ракурсе. Вспоминается озеро с головастиками из главы 2. В определенной точке Алиса, если она плывет 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 окружен 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 звезды проходят точку невозврата, они исчезают навсегда. Очень далеко, примерно в пятнадцати миллиардах световых лет, наш космологический горизонт проглатывает галактики, звезды и, возможно, даже жизнь. Как будто каждый из нас живет внутри своей собственной личной, вывернутой наизнанку черной дыры.

Существуют ли на самом деле миры, подобные нашему, которые давным-давно пересекли горизонт и потеряли всякую связь с тем, что мы когда-либо сможем наблюдать? Хуже того: неужели большая часть Вселенной навсегда останется недосягаемой для нашего познания? Это очень тревожит некоторых физиков. Есть философская позиция, согласно которой, если нечто ненаблюдаемо — ненаблюдаемо в принципе, — это не может быть предметом науки. Если не существует способа опровергнуть или подтвердить гипотезу, то она принадлежит сфере метафизических спекуляций наряду с астрологией и спиритизмом. По таким стандартам придется признать, что большая часть Вселенной не обладает научной реальностью — это лишь порождение нашего воображения.