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

после месяцев проб, ошибок, хождения по ложному следу и отвергнутых идей предложил обратить время вспять и соединить два пространства-времени туннельным эффектом. О чем он говорил?

О том, что может оказаться по ту сторону сингулярности.

В основе его идеи лежала простейшая аналогия. Образование черной дыры представляет собой падение: прекратившая гореть звезда падает на саму себя и оказывается раздавлена собственным весом; вошедший в черную дыру объект падает; пространство – длинная труба на рисунках, приведенных несколькими страницами ранее, – сдавливается, падая само в себя.

Что происходит с объектами при падении? Они доходят донизу и потом… отскакивают. Если уронить баскетбольный мяч на пол, он отскочит и полетит вверх.

Как движется мяч после отскока? Задумайтесь на мгновение: он движется так, словно видеоролик его падения прокручивают в обратном направлении, назад во времени. Отскакивающий мяч – все равно что падающий мяч, съемку которого мы смотрим от конца к началу.

Итак, мы убедились, что сингулярная зона черной дыры находится не в «центре», а в конечной точке падения. Не может ли быть так, что в тот момент, когда черная дыра достигает этой нижней точки – красной области на последних рисунках, – она просто отскакивает и движется обратно подобно мячу, как если бы время повернуло вспять? [18] Траектория падения – это черная дыра. Что же мы увидим, если вообразим это видео, прокрученное в обратном направлении?

Мы увидим белую дыру.

2

Так что такое белая дыра?

Мы знаем множество черных дыр, но, как я уже говорил, еще до того, как мы их увидели, уравнения Эйнштейна рассказали, как они возникли. Многие (как и мой заведующий кафедрой в Марселе) сомневались в их реальном существовании – черные дыры казались слишком экзотичными, – но это были уже хорошо знакомые теоретикам объекты – решения уравнений.

Белые дыры – это тоже решения уравнений Эйнштейна. Так что и их мы хорошо знаем.

Больше того, это даже не какое-то другое решение уравнений Эйнштейна, а все то же, описывающее черную дыру, но записанное с противоположным знаком времени. То же самое решение, которое мы всего лишь рассматриваем в обращенном времени. Белая дыра – это то, как выглядела бы черная дыра, если бы мы могли снять ее и прокрутить пленку от конца к началу.

Как и все уравнения фундаментальной физики, уравнения Эйнштейна не различают направления времени, не различают прошлого и будущего: они говорят, что некий процесс может происходить, и тот же самый процесс, обращенный во времени, тоже может происходить [19].

Падая и достигнув дна, черная дыра «отскакивает» и заново переживает свою историю в обратном времени, подобно отскочившему баскетбольному мячу, – превратившись в белую дыру.

Этот рисунок иллюстрирует продолжение эволюции пространства внутри черной дыры:

После входа в квантовую зону (она обозначена серым цветом) труба перестает вытягиваться и сужаться, отскакивает и возвращается к прежней позиции, укорачиваясь и расширяясь.

В черную дыру можно войти, но из нее нельзя выйти. Из белой дыры, наоборот, можно выйти, но в нее нельзя войти. (Если заснять объекты, входящие в дыру, а потом прокрутить видео в обратном направлении, эти объекты будут выглядеть исходящими из дыры.) Все вошедшее в черную дыру может пересечь красную зону, перейти в белую дыру и потом выйти наружу.

Просто, не правда ли?

•

Но может ли такое произойти? Для перехода из черной дыры в белую пространство и время должны миновать красную зону. И там им придется нарушить уравнения Эйнштейна. Пусть даже на краткое мгновение, в момент отскока.

Нарушение уравнений Эйнштейна вполне ожидаемо: мы уже знаем, что перед достижением сингулярности начинают действовать квантовые эффекты. Но допускают ли они подобный отскок?

Ученые хорошо разбираются в квантовой физике атомов, электронов, света, лазеров… Но здесь речь идет о квантовой физике пространства и времени.

Именно поэтому меня так интересуют черные и белые дыры. Я всю жизнь пытался понять именно квантовые аспекты пространства и времени. Концептуальную структуру, без понимания которой не выйдет сориентироваться в условиях квантованного пространства и времени. Это моя большая любовь. «Следы огня былого узнаю!» [20] Вижу, как он мерцает на дне черной дыры.

Мои отношения с теоретической физикой включали главным образом участие в создании математической структуры для описания квантовых пространства и времени. Построенная нами структура называется петлевой теорией квантовой гравитации и служит для понимания происходящего в тех областях черной дыры, где бал правят квантовые свойства пространства и времени, где наши интуитивные представления о непрерывных пространстве и времени уже не работают. «О благородный разум, гений свой // Запечатлей…» [21].

3

Что значит «квантовое поведение»? [22] Простейшее из квантовых свойств – дискретность. В малых масштабах все процессы оказываются дискретными, и даже свет при малой интенсивности проявляется в виде «крупинок» света – фотонов.

Это фундаментальная идея. Применяя ее к пространству, мы должны предположить существование элементарных пространственных «крупинок» конечного размера. Квантов пространства. «Произвольно малых» вещей не существует – есть нижний предел делимости. Таким образом, сочетание теории Эйнштейна и математического аппарата квантовой теории говорит нам: любая физическая сущность дискретна, а значит, и пространство тоже [23].

Необходимый математический аппарат был разработан Роджером Пенроузом – великим английским релятивистом, удостоенным Нобелевской премии в 2020 году – как раз тогда я писал первый вариант этой книги. И этот математический аппарат тоже родился из простой аналогии – понятия сети. Сеть представляет собой множество узлов, соединенных связями. Узлы – это элементарные «крупинки» пространства. «Кванты пространства», как фотоны – кванты света. Но фотоны движутся по пространству, в то время как из квантов пространства оно соткано.

Связи соединяют соседние узлы в сети и делают множество узлов связной, то есть «пространственной», структурой. Роджер Пенроуз назвал эти структуры «спиновыми сетями», позаимствовав термин из математического описания симметрий пространства. В этой области важную роль играют вращения, которые на английском языке называются «спин» [24].

Схема спиновой сети и ее квантов пространства

В 1958 году англичанин Пенроуз встретился с американцем Финкельштейном – тем самым, который понял, как работают горизонты, и обсуждал гравюры Дюрера. Финкельштейн прибыл в Лондон, чтобы выступить с докладом о горизонте черной дыры, в котором он только что разобрался. Незадолго до этого Пенроуз закончил обучение в Оксфорде и отправился в Лондон, чтобы послушать Финкельштейна. После доклада двое молодых людей основательно побеседовали. Пенроуз уже