Помоги проекту - поделись книгой:
У черной дыры в несколько солнечных масс температура составляет около миллионной доли градуса над абсолютным нулем, а у более массивных — еще ниже. Так что квантовое излучение от таких черных дыр будет с большим запасом перекрыто 2,7-градусным излучением, оставшимся от Большого взрыва, — космическим микроволновым фоном, обсуждавшимся в главе 2. Зарегистрировать можно было бы только излучение гораздо менее крупных и более горячих черных дыр, однако не похоже, чтобы вокруг нас было много таких. А жаль. Если бы нашли хоть одну, я получил бы Нобелевскую премию. Тем не менее у нас есть косвенное свидетельство существования этого излучения, пришедшее из ранней Вселенной.
Как описано в главе 3, в самые ранние моменты истории наша Вселенная прошла период инфляции, в течение которого она расширялась с постоянно растущей скоростью. Расширение в тот период должно было быть чрезвычайно быстрым, и некоторые объекты оказались столь далеко, что их свет никогда до нас не дойдет. Для идущего к нам света Вселенная расширялась слишком сильно и слишком быстро. Так что во Вселенной должен быть горизонт, подобный горизонту черной дыры, отделяющий область, из которой свет может дойти до нас, от области, откуда он не дойдет (рис. 4.18).
Очень похожие аргументы показывают, что от этого горизонта должно исходить тепловое излучение, как от горизонта черной дыры. В тепловом излучении, как мы знаем, следует ожидать характерного спектра флуктуаций плотности. В данном случае эти флуктуации будут расширяться вместе с самой Вселенной. Когда их линейный масштаб становится больше размеров горизонта событий, они замирают, так что мы можем наблюдать их сегодня как небольшие вариации температуры космического микроволнового излучения, оставшиеся с эпохи ранней Вселенной. Наблюдаемые вариации с поразительной точностью согласуются с предсказаниями тепловых флуктуаций.
И хотя наблюдения лишь косвенным образом подтверждают существование излучения черных дыр, каждый, кто изучил проблему, согласится, что оно должно иметь место, чтобы не возникало противоречий с другими, проверенными путем наблюдений теориями. Это имеет важные следствия для детерминизма. Излучение черной дыры уносит энергию, а следовательно, она теряет массу и становится меньше. Значит, ее температура будет возрастать, а интенсивность излучения — увеличиваться. В конце концов черная дыра уменьшится до нулевой массы. Мы не знаем, как рассчитать, что случится в тот момент, но, по-видимому, имеется только одна естественная и разумная возможность, состоящая в том, что черная дыра полностью исчезнет. Так что же случится тогда с той частью волновой функции, которая находится в черной дыре, и с той информацией, которую она несет о том, что упало в черную дыру? На первый взгляд эта волновая функция и содержащаяся в ней информация должны выйти наружу после окончательного исчезновения черной дыры. Однако информация не передается даром, в чем вы могли убедиться, получая телефонные счета.
Для переноса информации требуется энергия, а на последних стадиях существования черной дыры энергии очень мало. Единственный правдоподобный способ, которым информация могла бы выбраться из черной дыры наружу — это не дожидаясь финальной стадии, постепенно выходить вместе с излучением. Однако в рамках картины, где один член пары виртуальных частиц падает, а другой улетает, нельзя ожидать, что улетевшая частица будет связана с той, что упала, или вынесет какую-то информацию о ней.
Так что единственным ответом будет, по-видимому, утверждение, что информация, содержащаяся в части волновой функции внутри черной дыры, пропадет (рис. 4.19).
Такая потеря информации должна иметь принципиальное значение для детерминизма. Для начала заметим, что, даже если знать волновую функцию после исчезновения черной дыры, невозможно прогнать уравнение Шрёдингера назад и вычислить, какой она была до того, как черная дыра образовалась. То, какой она была, отчасти зависит от того фрагмента волновой функции, который пропал в черной дыре. Мы привыкли считать, что прошлое можно знать точно. Однако, если информация теряется в черных дырах, то это не так. Могло происходить что угодно.
В целом, однако, люди — как астрологи, так и те, кого они консультируют, — больше интересуются предвидением будущего, чем ретроспекцией прошлого. На первый взгляд может показаться, что потеря части волновой функции в черной дыре не препятствует предсказанию волновой функции вовне. Но, как мы увидим из рассмотрения мысленного эксперимента, предложенного Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1930-х гг., эта потеря, оказывается, мешает таким предсказаниям.
Представьте, что радиоактивный атом распадается и испускает в противоположных направлениях две частицы с противоположными спинами. Наблюдатель, который видит только одну частицу, не может предсказать, будет она вращаться вправо или влево. Но если наблюдатель определит, что она вращается вправо, то он сможет с уверенностью предсказать, что другая частица вращается влево, и наоборот (рис. 4.20). Эйнштейн думал, что это доказывает нелепость квантовой механики: ведь вторая частица может к этому моменту оказаться на другом краю галактики. Однако большинство ученых считают, что запутался Эйнштейн, а не квантовая теория. Мысленный эксперимент Эйнштейна — Подольского — Розена не говорит о возможности передавать информацию быстрее света. Это было бы противоречием. Нельзя до измерения выбрать свою частицу пары, таким образом чтобы после измерения оказалось, что она вращается вправо, а значит, невозможно и заставить частицу у далекого наблюдателя вращаться влево.
Фактически этот мысленный эксперимент в точности соответствует тому, что происходит с излучением черной дыры. Волновая функция пары виртуальных частиц как раз такова, что оба ее члена будут обязательно иметь противоположные спины (рис. 4.21). Нам хотелось бы предсказать спин и волновую функцию улетающей частицы, что можно сделать, если мы пронаблюдаем частицу, падающую в черную дыру. Но эта частица теперь находится внутри черной дыры, где ее спин и волновую функцию нельзя измерить. По этой причине нельзя предсказать спин и волновую функцию улетающей частицы. Она может с той или иной вероятностью иметь разные спины и разные волновые функции, но у нее не будет строго определенного спина или волновой функции. Это, по всей видимости, ограничивает нашу способность предсказывать будущее.
Классическая идея Лапласа о возможности предсказать положения и скорости частиц была модифицирована, когда появился принцип неопределенности, не позволяющий одновременно точно определять и положения, и скорости. Однако по-прежнему можно было определять волновую функцию и использовать для предсказания будущего уравнение Шрёдингера. Оно дает возможность с уверенностью предсказывать некую комбинацию положения и скорости, то есть половину того, что позволялось согласно идее Лапласа. Мы можем надежно предсказать, что частицы имеют противоположные спины, но если одна частица падает в черную дыру, то об остающейся частице мы ничего не можем сказать с уверенностью. Это означает, что никакие результаты измерений вне черной дыры не могут быть предсказаны совершенно надежно: наша способность делать такие предсказания падает до нуля. Так что, быть может, астрологи предсказывают будущее не хуже, чем законы физики.
Многим физикам не нравится такое ограничение детерминизма, и они предполагают, будто информация о том, что находится внутри, каким-то образом выходит из черной дыры. Долгие годы это предположение питалось лишь благими надеждами на то, что будет найден какой-то способ спасти информацию. Однако в 1996 г. Эндрю Стромингер и Камран Вафа добились существенного прогресса. Они стали рассматривать черную дыру как объект, составленный из набора строительных блоков, называемых р-бранами.
Напомним, что р-браны можно представлять себе как листы, движущиеся в трех измерениях нашего пространства и одновременно в семи дополнительных измерениях, которых мы не замечаем (рис. 4.22).
В некоторых случаях удается показать, что число волн на р-бранах совпадает с количеством информации, которая, как ожидается, содержится в черной дыре. Когда частицы сталкиваются с р-бранами, в них возбуждаются новые колебания. Аналогично, если волны, движущиеся в разных направлениях по р-бране, сходятся в некоторой точке, они могут породить столь большой пик, что кусочек р-браны отделится и улетит в виде частицы. Таким образом, р-браны могут поглощать и испускать частицы, подобно черным дырам (рис. 4.23).
Идею с р-бранами можно считать эффективной теорией. Хотя и не требуется верить в то, что маленькие листочки действительно летают вдоль и поперек плоского пространства-времени, черные дыры могут вести себя так, будто они составлены из таких листков. Здесь уместна аналогия с водой: то обстоятельство, что она состоит из миллиардов и миллиардов сложно взаимодействующих между собой молекул Н2О, нисколько не мешает представлению о непрерывной жидкости оставаться для нее очень эффективной моделью. Математическая модель черных дыр, сложенных из р-бран, по результатам похожа на описанную выше модель с парами виртуальных частиц. Поэтому с позитивистской точки зрения это одинаково хорошие модели, по крайней мере для некоторых классов черных дыр. Для этих классов модель р-бран предсказывает в точности такую же интенсивность излучения, как и модель виртуальных пар. Но есть одно важное отличие: в модели р-бран информация о том, что падает в черную дыру, будет сохраняться в волновой функции колебаний самих р-бран. Эти р-браны рассматриваются как поверхности в плоском пространстве-времени, и по этой причине на них время течет равномерно, траектории лучей света не изгибаются, и информация, заключенная в волнах, не будет потеряна. Наоборот, информация в конце концов покинет черную дыру в форме излучения р-бран. Поэтому, следуя модели р-бран, мы можем использовать уравнение Шрёдингера для расчета того, какой станет волновая функция в будущем. Ничто не пропадет, и время будет идти вперед гладко. Полный детерминизм в квантовом смысле сохраняется.
Так какая же из этих картин верна? Теряется ли часть волновой функции в глубинах черных дыр или вся информация выходит наружу, как предполагает модель р-бран? Это один из самых глубоких вопросов современной теоретической физики. По мнению многих, недавние работы показали, что информация не теряется. Мир безопасен и предсказуем, и ничего неожиданного не случится. Но это не очевидно. Если всерьез относиться к общей теории относительности Эйнштейна, то приходится допустить возможность, что пространство стягивается в узел, а информация теряется в его складках. Когда звездолет «Энтерпрайз» проходит через кротовую нору, случается что-то неожиданное. Я это знаю, поскольку был на борту и играл в покер с Ньютоном, Эйнштейном и лейтенантом Дэйтой[14]. Все это было большой неожиданностью — взгляните, что стало с моими коленями.
Глава 5
Защищая прошлое
О том, возможны ли путешествия во времени
и способна ли высокоразвитая цивилизация,
вернувшись в прошлое, изменить его
Поскольку Стивен Хокинг (который проиграл предыдущее пари поданному вопросу, выставив требования в недостаточно общем виде) по-прежнему твердо уверен, что голые сингулярности прокляты и должны быть запрещены законами классической физики, и поскольку Джон Прескилл и Кип Торн (выигравшие предыдущее пари) по-прежнему считают, что голые сингулярности как квантовые гравитационные объекты могут существовать, не будучи укрыты горизонтом, в наблюдаемой нами Вселенной, Хокинг предложил, а Прескилл/Торн приняли следующее пари:
Коль скоро любая форма классического вещества или поля, неспособная стать сингулярной в плоском пространстве-времени, подчиняется классическим уравнениям общей теорий относительности Эйнштейна, динамическая эволюция из любых начальных условий (то есть от любого открытого набора начальных данных) никогда не сможет породить голую сингулярность (неполную нулевую геодезическую из T+ с конечной точкой в прошлом).
Проигравший вознаграждает победителя одеждой, дабы тот мог прикрыть свою наготу. На одежде должно быть вышито соответствующее случаю сообщение.
Стивен У. Хокинг
Джон П. Прескилл и Кип С. Торн
Пасадена, Калифорния, 5 февраля 1997 г.
Мой друг и коллега Кип Торн, с которым у меня было заключено немало пари (еще действующих), не из тех, кто следует общепринятой линии в физике только оттого, что все так поступают.
Поэтому он стал первым серьезным ученым, кто осмелился обсуждать путешествия во времени как практическую возможность.
Открыто говорить о путешествиях во времени — весьма щекотливое дело. Вы рискуете сбиться либо на громкие призывы вложить бюджетные деньги в какую-нибудь нелепость, либо на требование засекретить исследования в военных целях. В самом деле, как мы можем защититься от кого-то имеющего в своем распоряжении машину времени? Ведь он способен изменить саму историю и править миром. Лишь немногие из нас достаточно безрассудны, чтобы работать над вопросом, который в среде физиков слывет настолько неполиткорректным. Мы маскируем этот факт при помощи технических терминов, в которых зашифрованы путешествия во времени.
Основа всех современных дискуссий о путешествиях во времени — общая теория относительности Эйнштейна. Как следует из предыдущих глав, уравнения Эйнштейна делают пространство и время динамичными, описывая, как те искривляются и искажаются под действием материи и энергии во Вселенной. В общей теории относительности чье угодно персональное время, измеряемое по наручным часам, всегда будет увеличиваться, так же как и в теории Ньютона или в плоском пространстве-времени специальной теории относительности. Но быть может, пространство-время окажется настолько закрученным, что вам удастся улететь на звездолете и вернуться раньше своего отправления (рис. 5.1).
Например, это может случиться, если существуют кротовые норы — упоминавшиеся в главе 4 трубки пространства-времени, которые соединяют различные его области. Идея состоит в том, чтобы направить звездолет в одно устье кротовой норы и появиться из другого в совершенно иных месте и времени (рис. 5.2).
Кротовые норы, если они существуют, могли бы решить проблему предельной скорости в космосе: согласно теории относительности, чтобы пересечь Галактику, требуются десятки тысяч лет. Но через кротовую нору можно слетать на другой край Галактики и вернуться обратно за время ужина. Между тем легко показать, что, если кротовые норы существуют, ими можно воспользоваться для того, чтобы оказаться в прошлом. Так что стоит подумать, что получится, если вы сумеете, например, взорвать свою ракету на стартовой площадке, чтобы не допустить собственного же полета. Это вариация известного парадокса: что случится, если вы отправитесь в прошлое и убьете собственного дедушку, прежде чем он успеет зачать вашего отца (рис. 5.3)?
Конечно, парадокс тут получается только в том случае, если считать, что, оказавшись в прошлом, вы сможете делать что хотите. Эта книга не место для философских дискуссий о свободе воли. Вместо этого мы сконцентрируемся на том, позволяют ли законы физики так скрутить пространство-время, чтобы макроскопическое тело вроде космического корабля могло вернуться в свое прошлое. Согласно теории Эйнштейна космический корабль всегда движется со скоростью, которая меньше локальной скорости света в пространстве-времени, и следует вдоль так называемой времениподобной мировой линии[15]. Это позволяет переформулировать вопрос в технических терминах: могут ли в пространстве-времени существовать замкнутые времениподобные кривые, то есть такие, которые снова и снова возвращаются к своей начальной точке? Я буду называть подобные траектории «временными петлями».
Искать ответ на поставленный вопрос можно на трех уровнях. Первый — это уровень общей теории относительности Эйнштейна, которая подразумевает, что у Вселенной есть четко заданная история без всякой неопределенности. Для этой классической теории мы имеем законченную картину. Однако, как мы видели, такая теория не может быть абсолютно точной, поскольку согласно наблюдениям материя подвержена влиянию неопределенности и квантовых флуктуаций.
Поделиться книгой: