Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего

Звездочет и ледолаз

Подавляющую часть ХХ в. необычная синхронность запутанных частиц была единственным видом нелокальности, который заслуживал хоть какого-то внимания. Однако физики постепенно осознали, что и другие явления подозрительно таинственны. Те, кто изучает черные дыры, считают, что вещество в этих космических пылесосах может перепрыгивать из одного места в другое, не преодолевая расстояние между ними, – вот тип нелокальности, вероятно еще более непостижимый, чем та ситуация, которая беспокоила Эйнштейна.

Черные дыры долгое время были для физиков самыми странными явлениями во Вселенной. Рамеш Нараян видел их в действии. Как и Гальвез, Нараян говорит, что пришел к своей научной страсти поздно и практически случайно. Ребенком он не проявлял никакого интереса к астрономии. Нараян один из немногих знакомых мне астрофизиков, кто не припоминает страстной увлеченности черными дырами в детстве. Он обожал кристаллы. Но на своей первой работе, в престижном Исследовательском институте имени Рамана в Бангалоре, в южной Индии, он вдруг оказался в кругу людей, исследующих тайны Вселенной, и вскоре его это увлекло. Нараян стал экспертом по космическим потокам газа. Основной принцип этих потоков прост: то, что падает, должно проявляться. Когда газ обрушивается на поверхность звезды, она разогревается; звезда, в свою очередь, испускает энергию обратно в космос, обычно в виде инфракрасного излучения или видимого света. «Вся энергия, попадающая внутрь, должна выходить наружу», – объясняет Нараян, который теперь преподает в Гарварде. Однако в начале 1990-х гг. астрономы заметили странное исключение из этого правила в центре нашей галактики.

Увидеть центр галактики довольно легко. В следующий раз, когда выйдете из дома посмотреть на ночное небо, найдите созвездие Стрельца. В моем городе его проще всего наблюдать летом и ранней осенью, когда оно висит невысоко над южным горизонтом. Оно должно быть похоже на лучника, но большинство астрономов считают его похожим на гигантский чайник. Его носик указывает на центр Млечного Пути. Для человеческого глаза это всего лишь туманный кусочек неба, но в 1940-е гг. благодаря телескопам там обнаружили завихрение газа. В самом центре газ устремляется в одну точку в области, известной под названием Стрелец А*. Эта область таинственно неярка: менее 1 % энергии, приносимой туда поступающим газом, возвращается обратно. «Прямо на наших глазах энергия направляется к центру и исчезает – пшик», – говорит Нараян.

Это определение черной дыры. Ее тяготение настолько велико, что все попавшее в нее никогда не возвращается обратно. Художники иногда изображают черные дыры в виде гигантской воронки в пространстве, однако снаружи они больше похожи на планету: большую, подозрительно темную планету. Вещество может вращаться вокруг нее, и обычно так и происходит. Но если бы вы попробовали потрогать то, что кажется ее поверхностью, ваша рука просто прошла бы насквозь: этот объект представляет собой пустое пространство. Предполагаемая поверхность, или «горизонт событий», на самом деле является просто гипотетической точкой невозврата, в которой попадающий туда газ или другое вещество могут поменять курс на противоположный, только двигаясь со скоростью больше скорости света. В случае Стрельца А* горизонт событий представляет собой сферу диаметром около 25 млн км. Вещество, пересекающее его, просто продолжает двигаться, как машина, заехавшая на тупиковую улицу с односторонним движением, и несется навстречу какой-то неопределенной и, предположительно, печальной кончине. «Это единственная уникальная особенность черной дыры, – говорит Нараян. – У черной дыры нет поверхности, и это меняет все. Газ и вся энергия, которую он несет, просто проглатываются».

Что же происходит со всем этим веществом? Это загадка. К сожалению, две главные теории в распоряжении физиков – теория тяготения и квантовая теория – приходят к диаметрально противоположным выводам о судьбе поглощенного вещества. Если говорить упрощенно, теория тяготения гласит, что падение в черную дыру необратимо, в то время как квантовая теория утверждает, что нет ничего необратимого. Первая говорит, что вещество не может выбраться оттуда, что оно поглощается черной дырой навсегда. Вторая говорит, что вещество должно выбраться оттуда и снова принять участие в жизни космоса. В чем дело? Это противоречие – красная лампочка, предупреждающая о том, что некоторые принципы современной физики, кажущиеся неотъемлемыми, возможно, неверны.

Наблюдения Нараяна не могут решить этот вопрос. Разрешение противоречий, связанных с черными дырами, требует создания объединенной физической теории, в которой квантовая теория и теория тяготения сливаются в квантовую теорию гравитации. И многие из тех, кто работает над такой теорией, сомневаются в справедливости принципа локальности. Если бы вещество могло перемещаться быстрее скорости света или перепрыгивать изнутри наружу, не проходя через лежащее между этими позициями пространство, у него была бы возможность ускользнуть из неприветливой тюрьмы черной дыры.

Главный поборник этой идеи – Стив Гиддингс. Он преподает в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, хотя, глядя на шорты с накладными карманами, флисовую куртку и незаправленную клетчатую рубашку, его можно принять за инструктора по горному туризму. И это не так уж далеко от правды: он мелькает как в научно-популярном журнале Scientific American, так и в журнале для туристов Climbing. Гиддингс достиг совершенства в скалолазании и ледолазании, в горных и равнинных лыжах, в альпинизме и каякинге. Он считает, что его страсть к науке и увлечение видами спорта на открытом воздухе дополняют друг друга. «Мне кажется, это две грани единения с природой», – говорит он. В детстве он увлекался книгами по физике, в колледже получил грант от Национального научного фонда на исследование гравитации, но при этом не упускал случая покататься на лыжах на природе. Летом после выпуска из колледжа он сам смастерил каяк и спустился на нем по реке Колорадо через Большой каньон. Затем Гиддингс доехал автостопом до Национального парка «Денали», это была первая из его поездок в те края. Он помнит, как северный олень с детенышем перебежал дорогу, не обращая на него никакого внимания. «Оглянувшись, я понял, почему им было не до меня, – говорит Гиддингс. – Они убегали от большого гризли. Медведь же направился ко мне». Вспомнив инструктаж смотрителя парка, Гиддингс не растерялся и кричал на медведя до тех пор, пока тот не отступил в поисках более легкой добычи.

Потом он переехал в Нью-Джерси. Там есть много чудесных мест, за исключением гор и каньонов. Но у Гиддингса не было на них времени. Дни, ночи, будни и выходные он проводил за подготовкой к экзаменам. Казалось, что принстонский курс физики для аспирантов был создан специально, чтобы опрокинуть его каяк. «Поддержка практически отсутствовала, – говорит Гиддингс. – В этой атмосфере студенты чувствовали себя совершенно затюканными». Гиддингс подумывал сбежать, но у него хватило твердости, чтобы сдать экзамены в 1984 г. Это было время большого воодушевления в области теоретической физики. Ученые по всему миру бросали все остальное и переключались на теорию струн, претендовавшую на звание единой теории всего.

Теория струн получила свое название от идеи о том, что субатомные частицы похожи на крошечные резиновые ленты или гитарные струны. То, что мы воспринимаем как разные виды частиц, – это на самом деле просто разные способы колебаний этих струн, что делает мир симфонией немыслимой сложности. Теория томилась в безвестности с конца 1960-х гг., и переломный момент наступил, когда немногочисленным энтузиастам удалось убедить большинство в ее внутренней непротиворечивости. «Это было настоящее дело, и оно захлестнуло меня с головой», – вспоминает Гиддингс. Эдвард Виттен, корифей этой области, попросил его решить ключевое уравнение, и через несколько месяцев упорного труда, пробуя один математический метод за другим, он сделал это. Тем временем Гиддингс познакомился с несколькими любителями каяка и обнаружил, что Штат садов[7] получил свое прозвище не совсем незаслуженно. «Я начал понимать, что это, может быть, и сработает», – говорит он.

Разрешение противоречий с черными дырами было одной из главных причин для поиска единой теории, и в 1990 г. Гиддингс решил заново пройти шаги, приведшие к парадоксу, которые были изложены знаменитым кембриджским теоретиком Стивеном Хокингом в середине 1970-х гг. Хокинг исходил из того, что распад – это закон природы. Практически все в этом мире в конце концов умирает. И черные дыры – не исключение, и не могут им быть, раз они образуются. Разрушение – это создание наоборот. «Если можно сделать черную дыру из случайного мусора, значит, черная дыра может распасться на случайный мусор», – говорит Гиддингс.

Согласно исследованиям Хокинга, распад не означает, что внутреннее содержимое черной дыры просачивается наружу. Да разве такое возможно? Чтобы вырваться за пределы горизонта событий, внутреннее содержимое должно вытекать со сверхсветовой скоростью. Вместо этого дыра разрушается от краев к середине. Горизонт событий выводит из равновесия электрическое, магнитное и другие поля, заставляя их излучать частицы как чешуйки ржавчины. Черная дыра, равная по массе нашему Солнцу, испускает примерно одну частицу в секунду, что слишком мало для того, чтобы такие астрофизики, как Нараян, могли обнаружить это с помощью приборов, но достаточно для того, чтобы за триллионы лет превратить черную дыру в беспорядочное, бесформенное облако частиц. Структура попавшей туда материи, информация, содержавшаяся в ней, все следы того, чем она была раньше, – все утрачивается. Другими словами, попадание в черную дыру необратимо не только в том смысле, что из нее нельзя выбраться обратно. Это было бы не так страшно, поскольку, если вообразить себя богом, можно заглянуть в черную дыру и восстановить, как там оказалось все, что в ней есть. Но попадание в черную дыру необратимо еще и в том смысле, что материя в ней уничтожается с такой тщательностью, что даже богу не удалось бы восстановить оригинал.

Как заметил сам Хокинг, его вычисления были непростыми. Он смог понять, как черная дыра влияет на вылетающие частицы, но не то, как вылетающие частицы влияют на черную дыру: а это взаимное влияние могло бы открыть потайную дверь между пространством снаружи и внутри дыры, позволяющую захваченной материи возвращаться наружу. Если так, то попадание в черную дыру было бы все же обратимо и парадокс исчез. Поэтому Гиддингс и несколько его коллег провели новое исследование, основанное на теории струн, в поисках потайных дверей и лазеек, не учтенных в вычислениях Хокинга. Они ничего не нашли. Хокинг был прав. «С помощью этих простых моделей в самом деле подтверждается первоначальное видение Хокинга», – говорит Гиддингс.

Таким образом, нет простого способа избежать парадокса (не говоря уже о черной дыре). Одно из допущений, используемых при доказательстве, должно быть ошибочно, а таких допущений в действительности всего два: обратимость и локальность. Сначала Хокинг посчитал неверным первое из них. Он предположил, что квантовая теория неверна и падение в черную дыру необратимо. Однако похоже, что в квантовой теории работает правило «все или ничего»: если она не работает в одном месте, то не работает нигде. Если она дает осечку там, где предположил Хокинг, мы должны видеть подобные проколы и в обычных условиях, а мы их не видим. В итоге Хокинг согласился с тем, что черные дыры должны быть обратимы. Тогда, по умолчанию, ошибочным должен быть принцип локальности. «Я продолжаю биться над вопросом о том, как попадает наружу информация: похоже, что этот процесс просто обязан быть нелокальным», – говорит Гиддингс.

Примерно к тому же выводу пришли еще несколько исследователей, но общее настроение было неоднозначным. Нелокальность в черных дырах еще труднее переварить, чем нелокальность в экспериментах с частицами. Если квантовая запутанность – трудноуловимое явление, не противоречащее открыто никаким другим законам физики, то движение со сверхсветовой скоростью через горизонт событий настолько грубое противоречие, что грубее придумать сложно. Это нарушение так же нахально, как езда со скоростью 150 км/ч на виду у патрульного. Гиддингс не мог шага ступить по коридору или выйти за чашечкой кофе, чтобы какой-нибудь коллега не высказался против его готовности серьезно рассматривать нелокальность, и в итоге он забросил эту тему почти на десятилетие. «Это выглядело довольно безумно, – говорит он. – Я не пошел дальше. Я слишком быстро уступил скептикам». На деле Гиддингс просто немного опередил свое время.

Бетономешалка и дочь скульптора

Даже простая возможность существования второго типа нелокальности чрезвычайно существенна. Она указывает на то, что явление, обнаруженное Эйнштейном, лишь один из фрагментов большой мозаики. Это не доказывает, что нелокальность действительно работает или что эти два типа нелокальности как-то связаны, но психологически очень важно. В науке, как и в жизни вообще, именно второй, а не первый случай привлекает внимание людей. Третий случай означает наличие тенденции.

Этот следующий тип нелокальности, о котором я расскажу, не настолько признан, как квантовая запутанность или черные дыры, но если он действительно существует, то все еще серьезнее. Он проявляется в наблюдениях, которые кажутся настолько очевидными, что вы можете даже не воспринимать их как наблюдения. Если вы взглянете на ночное небо, то увидите, что оно темное. Наверное, это вряд ли будет откровением. И все же темнота ночи – одна из основ теории Большого взрыва, поскольку темнота означает, что Вселенная конечна по возрасту, или по размеру, или по тому и другому сразу. Если бы Вселенная была бесконечно большой и древней, то мы бы видели бесконечно далеко во всех направлениях и в поле зрения всегда попадала бы какая-нибудь звезда. Звезды создавали бы непрерывную стену света. Это было бы похоже на жизнь в таком глухом и старом лесу, что, куда бы вы ни посмотрели, вы бы увидели дерево. Так что в следующий раз, когда будете смотреть на ночное небо, представьте, что звезды – это деревья, а чернота между ними – просветы, показывающие, что лес либо настолько маленький, что вы видите сквозь него, либо настолько молодой, что еще не стал густым.

Мало того что ночное небо темное, оно еще и выглядит практически одинаково, куда бы вы ни посмотрели. На конференции, которую я посетил в 1996 г., астрономы показали плакат с самой поразительной демонстрацией однородности, которую я когда-либо видел. Они направили космический телескоп Hubble на темный участок неба рядом с ковшом Большой Медведицы и оставили его в таком положении на 10 дней, чтобы собрать свет для самого чувствительного изображения из когда-либо сделанных: Hubble Deep Field. Три года спустя они сделали то же самое с почти диаметрально противоположной частью неба, в Южном полушарии. Эти изображения не так эффектны, как некоторые другие снимки, сделанные телескопом, – их красота недооценена. На них видны объекты, находящиеся почти на самом пределе нашего зрения, они настолько тусклые, что телескоп получал от них всего один фотон света в минуту. Тысячи небольших красноватых пятен на изображении – это целые галактики, включая такие, которые сформировались самыми первыми. Северные и южные изображения с точки зрения статистики выглядят одинаково, из чего следует парадокс, который профессор Мэрилендского университета Чарльз Мизнер впервые заметил в 1969 г.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

1

В повседневной речи locality переводится как «местность», но в научном контексте используется англицизм «локальность». – Прим. пер.

2

Джон Донн (1572–1631) – английский поэт, воспевавший нераздельность и единство влюбленных. – Прим. ред.

3

Exxon Mobil Corp. – американская нефтяная компания, известная, в частности, тем, что финансировала исследования, результаты которых отрицали влияние парниковых газов на изменение климата. – Прим. пер.

4

Алан Стюарт «Эл» Франкен – американский писатель, комик, радиоведущий и политик. – Прим. пер.

5

Star Trek – популярный американский научно-фантастический телесериал, созданный Джином Родденберри и положивший начало целой вселенной «Звездного пути». – Прим. пер.

6

Руб Голдберг – американский карикатурист, писатель и изобретатель. Известен серией карикатур, изображающих чрезвычайно сложные и громоздкие устройства для выполнения очень простых функций. – Прим. ред.

7

Официальное прозвище штата Нью-Джерси. – Прим. пер.