Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Кротовые норы
Когда я был ребенком, мы с родителями жили в большом многоквартирном доме. На заднем дворе, в садике, окруженном глухой стеной, была песочница и маленькая лужайка. Мне всегда хотелось знать, что там, с другой стороны, и в какой‐то момент ногтями и палочкой я начал проделывать в стене дырочку. Для моих детских слабых ручек это была тяжелая и кропотливая работа. Тайком от взрослых я несколько месяцев кряду проковыривал эту дырочку. Она становилась все больше и больше, но все же осуществить задуманное до конца мне не удалось: стена была для меня слишком прочной.
Когда я подрос и пошел в школу, у меня появилась возможность исследовать то, что находилось по другую сторону стены: здание школы располагалось именно там. Вместо того чтобы проходить сквозь стену, надо было просто выйти из двора, обогнуть забор, пройти квартал и, зайдя в большие ворота, попасть в то самое, казавшееся прежде таинственным место. Иногда следует просто проявить терпение. Надо вырасти и повзрослеть, и тогда ты поймешь, что прямой путь сквозь стену неправилен, а правильный путь ведет за угол.
Когда дело касается стен и границ, меня по‐прежнему мучает любопытство. Что там, по другую сторону? Удастся ли нам когда‐нибудь вырваться за пределы доступного? Можем ли мы обойти вокруг темных стен черных дыр? Нет ли в горизонте событий какой‐либо щелочки, куда можно заглянуть, или нам придется идти окольным путем?
  
13
 
За пределами теории Эйнштейна?
 
Этот же вопрос ставил в 1935 году и Альберт Эйнштейн, когда обсуждал со своим ассистентом Натаном Розеном, что происходит внутри черных дыр. Математическое решение уравнений Эйнштейна допускает существование белой дыры – противоположного черной дыре объекта, откуда материя и свет могут только выходить и куда извне попасть ничего не может. Ситуацию усложняет то, что теоретически белая и черная дыры могут быть связаны друг с другом с помощью моста, а значит, оказавшись внутри черной дыры, можно выйти из нее через белую дыру на другом конце.
В физике подобная конструкция стала известна как “мост Эйнштейна-Розена”. Однако в 50‐е годы принстонский профессор Джон Арчибальд Уилер сделал удачный рекламный ход и, к радости целого поколения писателей-фантастов, переименовал эти гипотетические структуры в кротовые норы. Согласно построению Эйнштейна и Розена, выбраться из черных дыр невозможно, однако кротовые норы могли бы соединить две далекие области Вселенной, что позволило бы передвигаться со скоростью, превышающей скорость света. Гипотетически даже есть возможность путешествовать во времени и посещать другую вселенную.
Но реально ли то, что допустимо с точки зрения математики? Математика – мифология науки. Это абстрактный метод описания, отображающий реальный опыт столь же хорошо, как и фантастические, воображаемые конструкции. То, что существует математически, может, но не обязано, существовать в реальности. Физики зарабатывают свой хлеб, устанавливая четкое различие между возможным и фактически существующим.
Что касается белых дыр и кротовых нор, то перед нами встает этот же вопрос: с точки зрения математики и дыры, и норы представляются возможными, но имеют ли они смысл с точки зрения физики? Нам еще предстоит обнаружить какое‐либо указание на то, что во Вселенной действительно существуют кротовые норы. Строя изображение M87*, мы, как один из вариантов, выдвинули предположение, что это может быть кротовая нора. Однако быстро стало ясно, что наше предположение неверно: размер M87* не соответствовал результатам моделирования [204].
Еще больше усложняет ситуацию то, что “математические” кротовые норы нестабильны: при прохождении через них вещества они коллапсируют. Так, по крайней мере, следует из теории. Это можно предотвратить, вводя новую форму материи, создающую антигравитацию. Просто антиматерия не подойдет, поскольку она подчиняется тем же законам гравитации, что и обычная материя. Антиматерия, подброшенная вверх, упадет вниз на землю [205], если только прежде, в процессе аннигиляции с обычной материей, сама не будет уничтожена, так что после нее останется только яркая вспышка.
 
Еще одна проблема состоит в том, что мы понятия не имеем, как именно могли бы образоваться в природе кротовые норы, через которые можно было бы двигаться. Нам остается только соорудить такую нору самим. Для некоторых креативных теоретиков это не проблема: “Поскольку мы ничего не знаем о технологиях и материалах, доступных развитым цивилизациям, мы, физики, абсолютно свободны в построении моделей преодолимых кротовых нор”, – утверждает Нобелевский лауреат по физике Кип Торн в газете New York Times [206]. Я настроен более скептично. Даже если кротовые норы и могут существовать, хотя бы теоретически, то нет гарантии, что они оправдают все возлагаемые на них надежды. Но право мечтать у нас есть.
Излучение Хокинга
Вероятно, в истории науки квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна являются самыми новаторскими теориями. Обе они фундаментальны, и обе описывают самый сущностный смысл нашего мира. Однако при попытке их объединить нам приходится преодолевать некий психологический барьер. И черные дыры, как никакие иные небесные объекты, демонстрируют этот неразрешимый конфликт.
Общая теория относительности описывает самое большое из всего большого – пространство-время. Жизнь каждого начинается и кончается в пространстве-времени; драма всей Вселенной проходит в пространстве-времени. Это театр, где разыгрывается эволюция нашей Вселенной. В пространстве-времени у всего есть свое место, свои точные координаты. Но, вспоминая сравнение пространства-времени с растянутой простыней, мы видим, что сцена этого театра не статична. Пространство-время больше напоминает гибкий фон – подыгрывающий, реагирующий, меняющийся в зависимости от действий актеров. Черная дыра – радикал на этих космических подмостках, она – тот персонаж, который разрывает декорации и ставит перед нами самые важные вопросы.
Все имеет время и место? Это верно? Нет! Ведь есть еще вторая, настолько же фундаментальная квантовая теория. Если теория относительности описывает очень большое, то квантовая теория рассказывает нам о самом малом из малого – о составе материи: о молекулах, атомах и элементарных частицах. При этом именно “строительные кирпичики” света – фотоны – делают пространство-время измеримым. Эти кванты света “вытягивают” пространство-время из мрака абстрактного математического описания на яркий свет данной нам в ощущениях реальности. Именно здесь встречаются теория относительности и квантовая механика.
Но, в отличие от теории Эйнштейна, в квантовой физике не у всего есть собственное место или собственное время. На протяжении очень коротких отрезков времени процессы могут идти и в одном, и в противоположном направлении. До тех пор, пока никто не видит частицу, она может одновременно находиться сразу в двух или в нескольких местах. В предельных случаях – на очень малых расстояниях и на очень коротких отрезках времени – квантовая теория открывает перед нами микроскопический мир, который чужд нам так же, как и макроскопический мир на краю черных дыр. Тем не менее обе теории, мирно уживаясь друг с другом, например, в смартфонах, вошли в нашу повседневную жизнь. Каждый чип, каждый полупроводник в нашем телефоне – это прикладная квантовая механика. Без квантовой механики не было бы интернета и процессоров компьютеров. Ну, а навигационная система телефона, с помощью которой мы определяем свой маршрут, использует результаты общей теории относительности.
На краю черных дыр происходит принципиальное столкновение этих двух теорий. Здесь должна “работать” совершенно новая физика, и на протяжении многих лет десятки тысяч самых блестящих ученых нашей планеты размышляют о том, какой эта новая физика должна быть. Однако явного успеха они пока не добились.