Глава 7
Как разрезать мир на части
Как только моя рабочая виза была готова, началось мое полугодовое погружение в редакцию New Scientist. Момент для этого был идеальным: в конце апреля закончились мои занятия, и у меня оставалось несколько месяцев исключительно для работы над диссертацией.
В свой первый день на работе я обошла офис редакции, чтобы познакомиться со всеми редакторами и журналистами. С каждой новой встречей я чувствовала себя все более и более обескураженной. В свои двадцать пять лет я оказалась самым молодым редактором, причем с заметным отрывом. У всех был диплом по какой-либо научной специальности или по научной журналистике, не говоря уж о британском акценте, из-за которого все, что они говорили, звучало намного умнее. Все они прошли стажировку в редакциях ведущих газет и научных журналов и получили опыт общения с учеными либо в полевых, либо в лабораторных условиях. Заложив надежный фундамент, каждый из них начал свой путь наверх. Мне же пока удалось только побывать на паре конференций и написать несколько статей. Мне предстояло в кратчайшие сроки показать, на что я способна.
Казалось, все шло отлично, но каждое утро, когда я скромно входила в офис, дежурный неизменно поднимал на меня взгляд и спрашивал: «С вами все в порядке?» Он казался довольно доброжелательным, но причина его беспокойства была мне непонятна, поэтому я отвечала: «Да», – а затем добавляла: «Ну, возможно, я немного не выспалась сегодня», или «Было трудно добираться на работу сегодня», или «Меня преследовал целый отряд невидимых крыс». Он вежливо, но натянуто улыбался, а я проходила к своему рабочему столу, недоумевая, не цвет ли моей рубашки вызывал его беспокойство.
Лишь по прошествии многих недель работы одним прекрасным утром я оказалась в нескольких шагах позади другого редактора. «С вами все в порядке?» – услышала я вопрос дежурного, обращенный к ней. Она ответила: «А с вами все в порядке?»
Я прибавила шагу и, догнав ее, спросила:
– Извините, что это все значит?
– Что именно?
– Он спросил, все ли с вами в порядке, а вы в ответ спросили, все ли в порядке с ним самим.
Она рассмеялась.
– Это просто такое выражение. Приветствие. Это похоже на… – она постаралась подобрать американский аналог, – на «Как дела?» – «What's up?».
– О-ох.
– А что, в Америке это не одно и то же?
– Нет, – сказала я. – Вы спросите «С вами все в порядке?», увидев, как кто-то, споткнувшись на высоких каблуках, рассыпал по тротуару тампоны из сумочки. «С вами все в порядке?» означает: «Вы абсолютно не выглядите, как человек, у которого все в порядке».
Она снова рассмеялась, и мы продолжили наш путь к нашим рабочим столам. Я села за стол. Было приятно узнать, что со мной, оказывается, все было в полном порядке, но теперь меня стали немного беспокоить некоторые из моих предыдущих ответов.
На следующее утро я открыла большую стеклянную дверь и, направившись к стойке дежурного, сделала глубокий вдох. Я чувствовала себя во всеоружии.
Дежурный поднял голову и улыбнулся:
– С вами все в порядке?
Я открыла рот, чтобы повторить эту фразу в ответ на его вопрос, но просто не смогла этого сделать. Отвечать на вопрос таким же вопросом было слишком необычно для моего небольшого разговорного опыта. Вместо этого я, немного приподняв вверх подбородок, ответила:
– Да. А как дела?
Он улыбнулся, но по-прежнему во всем этом было что-то не то.
Между тем, мне пора было выбирать тему дипломной работы. Я знала, что для меня это хорошая возможность глубоко вникнуть в какой-нибудь конкретный вопрос. Это было как раз то, за чем я приехала в Лондон. Мне нужно было сделать выбор.
Отсеивая различные идеи, я все время возвращалась к теме стрелы времени. Мы много обсуждали загадку стрелы времени на занятиях по философии статистической механики. В теории Эйнштейна время и пространство присутствуют на равных условиях, сшитые вместе в одну большую модель блочной Вселенной. Почему же тогда мы можем двигаться назад в пространстве, но не можем во времени? Теория относительности не дает ответа на этот вопрос, и физика элементарных частиц также здесь беспомощна. Законы физики, которые описывают взаимодействие частиц, работают одинаково вперед и назад во времени. Если частицы не видят стрелу времени, почему мы должны ее видеть?
Необходимо иметь какую-то глобальную асимметрию, на которую можно было бы прикрепить стрелу времени. К счастью, такая имеется: энтропия никогда не уменьшается. Как энтропия, так и стрела времени существует только на макро-уровне в нашем мире, а не в микромире элементарных частиц. Часто говорят, что энтропия описывает меру беспорядка, но в принципе, как я узнала, это мера скрытой информации. Если вы хотите описать физическую систему, скажем газ в объеме, то у вас есть два варианта. Вы можете проследить постоянно изменяющееся положение и импульс каждой из отдельных молекул газа, или же вы можете просто взять средние значения. Среднюю скорость перемещения молекул газа называют его температурой, среднюю скорость изменения импульса – давлением. Температура и давление – эти два числа, как значок на посылке, указывающий на ее содержание, кодируют информацию о постоянно меняющемся микросостоянии системы.
Существует огромное число различных возможных микроскопических состояний, которые, усредняясь, дают одни и те же макроскопические величины. Чем больше количество микроскопических возможностей, тем труднее нам угадать, какая из них была реализована, а значит, менее точны наши знания о микросостоянии и выше энтропия системы. В этом месте в игру вступает беспорядок – существует гораздо больше микроскопических конфигураций, совместимых с «неупорядоченным» состоянием, чем с «упорядоченным». Бесчисленные конфигурации молекул H2O соответствуют луже воды; гораздо меньшее их количество соответствуют сложно устроенным кристаллам льда. Лужа – это что-то более беспорядочное: мы имеем меньше информации о ее скрытом внутреннем устройстве, поэтому в ней больше энтропия. А энтропия подразумевает тепло.
На первый взгляд это кажется странным. Почему недостаток информации проявляет себя как нечто физическое, как тепло? «Может ли собственное невежество сжечь нас в буквальном смысле слова?» – записала я в своем блокноте. Такое вполне возможно – не будем забывать, о каких масштабах идет речь! Температура не относится к краеугольным характеристикам реальности – она возникает как коллективное свойство большого количества частиц на макроскопическом уровне. У отдельной молекулы нет температуры. Так что если вы выберете для исследования системы, состоящие из отдельных молекул, о температуре можно не думать. Усредните микроскопическую информацию, полученную в результате наблюдения за кишащим роем молекул, и вы получите тепло. Все дело в размерах – выберете побольше, и сможете выменивать информацию на температуру.
Когда я наливаю молоко в кофе, оно за короткий промежуток времени растворяется, придавая напитку однотонный оттенок мокко. Почему? Почему бы ему спонтанно не сложиться в слово «Hello»? Потому что в чашке кофе имеется около 1024 молекул и число их конфигураций, соответствующих равномерному цвету мокко, значительно превышает количество конфигураций, соответствующих слову «Hello». Сказать «значительно» – это не сказать почти ничего. Я могла бы сидеть здесь и ждать миллиарды лет, и все равно это было бы недостаточно долго, чтобы мой кофе послал мне горячее приветствие. «Какова вероятность, что молекулы воздуха в моей квартире соберутся в конфигурацию убегающей крысы?» – задалась я вопросом. А как насчет просто хвоста?
Второй закон термодинамики гласит: энтропия никогда не убывает. Это чисто статистическое утверждение, но этого достаточно, чтобы физики считали его законом природы. Он задает нам стрелу времени. Энтропия всегда увеличивается, потому что у состояний с высокой энтропией гораздо большая вероятность, чем у состояний с низкой энтропией. Если энтропия уменьшается – порция молока выделяется из кофе, дым из выхлопной трубы моего автомобиля засасывается обратно в трубу, расколотая чашка собирается по кусочкам обратно, – все это выглядит так, будто кто-то прокручивает время назад.
Но сказать только, что высокое значение энтропии более вероятно, чем низкое, еще не достаточно, чтобы определить стрелу времени. В конце концов, состояние с более высокой энтропией было более вероятным и в прошлом. Статистически энтропия должна быть всегда высокой, а когда она становится достаточно высокой и достигается состояние равновесия цвета кофе с молоком, дальше ей расти уже некуда. В равновесной Вселенной ничего не может произойти, лишь редкие статистические флуктуации, раз в несколько миллиардов лет. Но мы не живем в равновесии. Мы живем в мире, в котором постоянно что-то происходит. В мире, где энтропии по-прежнему есть куда расти. Чтобы получить стрелу времени, необходимо допустить, что по некоторым неизвестным нам причинам Вселенная образовалась в чрезвычайно маловероятном состоянии с низким значением энтропии. Молоко растворяется в утреннем кофе потому, что 13,7 млрд лет назад Вселенная образовалась в очень маловероятной конфигурации. Завтрак имеет космическое значение. Больше нет загадки, связанной со стрелой времени; зато появилась загадка, откуда столь невероятное состояние у Вселенной в момент запуска?
Когда я впервые услышала вопрос об этом загадочном низкоэнтропийном старте, он показался мне абсурдным. А как быть с космическим микроволновым фоном? Это снимок Вселенной, полученный почти в самом начале ее эволюции, и он показывает, что Вселенная была идеально гладкой, с неоднородностью порядка одной стотысячной. Это, конечно, на мой взгляд, вполне выглядело равновесием. Я полезла в книги за разъяснениями и в конце концов нашла одно. Низкое значение энтропии в начале времен – это не про термодинамическую энтропию, это про энтропию гравитационную. Для большого размера термодинамическая энтропия не так важна. Важна гравитация. А у гравитационной энтропии своя стрела времени, повернутая совсем в другую сторону, в противоположную. С гравитационной точки зрения, однородная Вселенная как раз созрела для комкования. Сила гравитации всегда притягивает, поэтому состояние без комков чрезвычайно маловероятно. Если бы гравитации дать волю, то вся Вселенная превратится в гигантскую черную дыру – состояние гравитационного равновесия.
Космическая стрела времени зависит от гравитационной энтропии, но когда я попыталась разобраться в этом вопросе глубже, я обнаружила, что физики, по сути, не знали, что такое гравитационная энтропия. Если энтропия – это мера отсутствия информации о микросостояниях, то какая микроскопическая информация закодирована в гравитации? Конечно, если бы физики знали ответ на этот вопрос, то есть если бы они знали микроскопическое строение гравитационного поля, – они бы больше не думали о стреле времени. Они бы обнаружили квантовую гравитацию.
Но есть одно место, где гравитационная энтропия вполне определена. Это горизонт событий черной дыры. Я вдруг поняла, что тут есть что-то поразительное, какой-то скрытый смысл. Я еще не знала, как его искать, но уже знала, что нашла тему для диплома.
Эйнштейн обнаружил, что масса и энергия искажают пространство, но он не ожидал, что найдутся такие места, где пространство замыкается само на себя, как змея, укусившая себя за хвост. Когда в массивной звезде выгорает топливо и она схлопывается под собственным весом, гравитация запускает необратимый процесс коллапса звезды. Становясь все плотнее и плотнее, звезда проваливается внутрь себя и прорывает самое ткань пространства-времени. Процесс подобен цепной реакции, и когда он заканчивается, пространство и время становится не узнать. Уилер придумал название для того, что получается, – черная дыра.
Черные дыры сводят вместе три столпа физики – общую теорию относительности, квантовую теорию, термодинамику, – чтобы они показали, на что каждый из них способен. Когда охотишься за окончательной реальностью, в черную дыру стоит заглянуть. Тут рвутся пространство и время, начинается и кончается Вселенная. Это то место, где из осколков восстанавливаются симметрии. В ее центре таится сингулярность, место, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а физика превращается в патологию. Так как радиус пространственно-временной кривизны устремляется вниз, к планковской длине, привычная физика, как мы знаем, отступает, обнажая terra incognita, пересечь которую способна только теория квантовой гравитации.
Учитывая сходство сингулярности черных дыр с сингулярностью в момент рождения Вселенной, я всегда считала, что черные дыры наиболее интересны именно наличием у них сингулярности. Я была неправа. Я довольно быстро выяснила, что по-настоящему интересные события происходят на внешней стороне черной дыры, на горизонте событий. Горизонт событий – это гравитационная точка невозврата, поверхность пространства-времени, где хватка сил гравитации точно уравновешивает скорость света. Это поверхность, на которой лучи света застыли на месте под действием силы тяжести. Для наблюдателя вне черной дыры горизонт событий – это своего рода космическая стена. Поскольку свет не может пройти сквозь нее, то наблюдатель никогда не сможет увидеть что-либо на другой ее стороне. При любых намерениях и целях можно считать, что у нее просто нет другой стороны. Другая сторона принципиально и во веки веков недостижима – что бы за ней ни происходило, это не может иметь никакого физического воздействия на внешний мир. Это то, что делает черную дыру черной. Горизонт событий разрезает мир на части.
Горизонт – это дверь на одну сторону: в нее можно войти, но никак не выйти. Для физиков тут огромная проблема. Это означало, что энтропия может в нее войти и никогда не выйти, а тогда энтропия Вселенной за пределами черной дыры будет уменьшаться. Непонятно, как быть со стрелой времени.
Первый шаг к решению проблемы был сделан в 1970 году, когда Стивен Хокинг готовился ко сну. Вдруг Хокинг понял: из требования стабильности горизонта событий следует, что площадь горизонтов событий никогда не может уменьшаться. Если материя или излучение поглотились в черной дыре, образующие его лучи света не могут сходиться, они обязательно должны двигаться либо параллельно, либо прочь друг от друга. А поэтому площадь горизонта событий неизбежно вырастет, и если две черные дыры сольются, площадь горизонта новой черной дыры должна быть равной или большей, чем сумма исходных двух.
Площадь горизонта событий никогда не может уменьшаться. Когда Яакоб Бекенштейн, один из студентов Уилера в Принстоне, услышал про эту теорему Хокинга, он не мог не заметить разительное сходство со вторым законом термодинамики. Могли ли они быть связаны? Это была только догадка, но он знал, что это еретическая мысль, и он, возможно, выбросил бы ее из головы, если бы не Уилер.
«Я всегда чувствую себя преступником, когда ставлю чашку горячего чая рядом со стаканом чая со льдом и дожидаюсь, пока они оба не придут к одной комнатной температуре, сохраняя энергию, но увеличивая мировую энтропию, – сказал ему Уилер. – Последствия моего преступления останутся до конца жизни Вселенной, и нет никакого способа, чтобы стереть или отменить их. Но допустим, я уронил чашку горячего чая и стакан холодного чая в черную дыру. Тогда все свидетельства моего преступления оказываются стерты навсегда?»
Боже, думала я. Неужели Уилер никогда не использует в разговоре нормальные предложения?
Видимо, Бекенштейн понял, что он имел в виду. Прошли месяцы, и он появился в офисе Уилера со смелым заявлением: горизонт событий, сказал он, является не только аналогом энтропии, это есть сама энтропия. Уилер ответил: «Ваша идея настолько безумная, что вполне может оказаться истинной. Ее надо опубликовать».
Когда Хокинг читал статью Бекенштейна, он негодовал. Он чувствовал, что Бекенштейн неверно использовал его теорему о площади горизонта событий и пришел к заведомо ложному выводу. Проблема была очевидна. Энтропия – это тепло. Все, что обладает энтропией, имеет температуру, а значит – излучает. Однако черные дыры не могут излучать. Они черные.
Раздраженный Хокинг вместе с физиками Брэндоном Картером и Джимом Бардином написали статью, объясняющую, в чем Бекенштейн не прав. Но идея засела в его голове, и после двух лет расчетов Хокинг слелал шокирующий вывод. В своей теперь уже легендарной работе 1975 года «Рождение частиц черными дырами» он показал, что совместное действие квантовой механики и теории гравитации приводит к рождению частиц на горизонте событий. Это означает, что черные дыры действительно излучают тепло, как тела, нагретые до температуры, обратно пропорциональной их массе. Если черные дыры могут излучать, они должны обладать энтропией. Стрела времени была восстановлена, черные дыры оказались не такими уж черными, а Бекенштейн был вознагражден. Хокинг вывел уравнение, показывающее, что энтропия черной дыры пропорциональна четверти площади ее горизонта событий. Он попросил, чтобы это уравнение было выгравировано на его надгробной плите.
Вскоре начали проявляться и другие черты сходства физики черных дыр и термодинамики. Так называемый нулевой закон термодинамики гласит, что у частей термодинамической системы, находящейся в равновесии, одна и та же температура. Аналогично сила тяжести постоянна по всей поверхности горизонта событий. Первый закон термодинамики гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но всегда сохраняется. Так же и в физике черных дыр: когда объект поглощается черной дырой, его масса и энергия (которые связаны через E = mc2) переносятся в саму черную дыру, и суммарная энергия всей системы остается неизменной. Для каждого закона термодинамики, по-видимому, существует эквивалентный закон физики черных дыр. Начала вырисовываться глубокая связь между термодинамикой и гравитацией. Для физиков это было интригующее сочетание, чтобы не сказать больше. В конце концов, термодинамика – наука о материи и энергии. Гравитация – о пространстве и времени. Найти связь между двумя – нащупать путь к теории квантовой гравитации.
Теперь нам уже не кажется столь удивительным, что горизонт событий обладает энтропией: в конце концов, энтропия – это мера скрытой информации, а горизонт событий тем и замечателен, что скрывает информацию. Но почему энтропия черной дыры, которая скрывает все внутри трехмерного объема, должна быть пропорциональна двухмерной площади горизонта? И откуда, черт возьми, берутся эти частицы?
От: Аманда Гефтер
Кому: Уоррен Гефтер
Тема: догадка…
Я думаю, я нашла тему для своей дипломной работы – излучение Хокинга. Я не могу пока сказать точно, но здесь есть что-то очень глубокое. Известно, что энтропия черной дыры пропорциональна площади горизонта. Это как-то странно, правда? Почему она не пропорциональна объему? Такое впечатление, что мы ошиблись в размерности. И эти частицы… откуда же они? Горизонт просто рождает их из ничего? Тут что-то не так, я уверена.
От: Уоррен Гефтер
Кому: Аманда Гефтер
Тема: RE: догадка…
Твоя идея с выбором темы диплома блистательна. Частицы Хокинга – это виртуальные ли пары, которые расщепляются на горизонте? Чем бы они ни были, ты обязательно это выяснишь. Держи меня в курсе. Мама шлет тебе привет и упаковку диетических батончиков. Они должны прийти посылкой на этой неделе.
Папа был прав про излучение Хокинга. Обычное объяснение заключалось в следующем. Благодаря квантовой неопределенности в вакууме постоянно рождаются виртуальные пары частиц и античастиц. Как мимолетные виденья, они появляются на мгновение, чтобы тут же столкнуться и аннигилировать, снова исчезая в бурлящем квантовом море. Родись такая пара вблизи черной дыры, горизонт событий ее разобьет. Лишившись возможности принять участие во взаимной аннигиляции, частица по эту сторону горизонта излучается в космос, а ее партнер-античастица падает в направлении к сингулярности. В одиночку, оторванная от партнера, излученная виртуальная частица становится реальной. Наблюдателю вне черной дыры будет казаться, что горизонт излучает энергию. Между тем отрицательная энергия античастиц поглощается черной дырой, которая из-за этого теряет массу и медленно испаряется.
Однако частицы – это, в действительности, возбужденные состояния полей, а квантовые поля, даже находясь в своих низших энергетических состояниях, испытывают флуктуации и колеблются около среднего нулевого значения энергии. Флуктуация с положительной частотой соответствует виртуальной частице, а флуктуация с отрицательной частотой – античастице. Но все становится интереснее, когда происходит вблизи горизонта событий.
В бесконечном неограниченном пространстве в фурье-разложении квантовой флуктуации для каждой длины волны слагаемые, соответствующие противоположным знакам при одной и то же частоте, должны быть равными, так что сумма в среднем оказывается равной нулю, и мы получаем в итоге что-то похожее на спокойное пустое пространство. Но вблизи горизонта событий все меняется. Вакуум по разные стороны горизонта событий оказывается совершенно разным. Пространство по эту сторону от него теперь никак нельзя считать ни бесконечным, ни ограниченным. Слагаемые фурье-разложения больше не хотят компенсировать друг друга. Появляются новый вакуум, новые поля, новые частицы.
«Горизонты событий рождают частицы путем реструктуризации вакуума», – записала я в моем блокноте. И, немного подумав, добавила: «Похоже на эффект Казимира?» В самом деле, что-то подобное я уже видела. Эффект Казимира заключается в следующем: две параллельные незаряженные металлические пластины, парящие на расстоянии одного микрона друг от друга, испытывают таинственную силу притяжения. Сила возникает просто из вакуума. Снаружи пластин вакуумные колебания распространяются по всему безграничному пространству, так что здесь присутствуют все возможные компоненты фурье-разложения. Но внутри крошечной щели между пластинами действуют определенные правила отбора на длину волны: между пластинами должно уложиться целое число волн – вы ничего не сможете сделать с половиной волны, так что выживут только те гармоники фурье-разложения флуктуации, которым соответствует длина волны, кратная пространству между пластинами. Пластины реструктурируют вакуум, оставляя вакуум снаружи пластин отличным от вакуума внутри пространства между ними. Эта разница создает усилие: более сильный вакуум снаружи давит на пластины, а более слабый вакуум внутри щели не может справиться с этим давлением. Похожий эффект известен со времен античности: ребенок может удерживать закрытой дверь, хотя бы целая армия напирала на нее, чтобы открыть. Физики давно наблюдают похожую неравную борьбу в лаборатории, и действительно – пластины притягиваются друг к другу, как магниты, только там нет магнитных сил. Там просто ничего нет.
Я всегда считала эффект Казимира удивительным, потому что он демонстрирует физический механизм работы вакуума, видимый теперь невооруженным глазом. Когда вы говорите о возбужденном состоянии вакуума, это звучит как-то эзотерически и очень теоретически, но когда на ваших глазах две медные тарелки вдруг схлопываются вместе, будто в руках музыканта он вдруг становится очень реальным.
При наличии черной дыры – теперь это становится очевидно – горизонт событий, как и металлическая пластина в опыте Казимира, реструктурирует вакуум. Достаточно ввести горизонт событий в некоторой области пространства-времени, и набор гармоник фурье-разложения вакуумных флуктуаций окажется ограниченным. Это приводит к изменению энергии вакуума, а с ним и вакуумных флуктуаций, в результате рождаются частицы, которых иначе здесь бы не было. Это хокинговы частицы, представленные во всем своем многообразии, от фотонов до кварков. Это частицы, рожденные из ничего в результате создания новых границ в пространстве и времени.
Но размышляя об этом, я пришла к выводу, что эта аналогия нелепа. Я хочу сказать, что горизонт событий кое в чем принципиально отличен от металлической пластины: например, пластину не получится пройти насквозь, а пересечь горизонт событий и прямо упасть в черную дыру не составит большого труда. Как могло получиться так, что горизонт оказался достаточно реальным, чтобы реструктурировать вакуум, и одновременно достаточно прозрачным, чтобы частицы могли беспрепятственно проходить сквозь него?
Этот вопрос не давал мне покоя в течение недели. Как, впрочем, и снующие квантовые крысы. Днем, сидя гордо за своим столом в редакции журнала, я углублялась в свои исследования и пыталась найти ответ на этот вопрос. И я быстро поняла, что самый мощный научно-исследовательский инструмент, оказавшийся в моем полном распоряжении, – это официальный адрес электронной почты журнала New Scientist. Этот инструмент поистине творил чудеса. Когда я не могла самостоятельно разобраться в чем-то, я отсылала мой вопрос какому-нибудь физику. О, привет, знаменитейший физик! Я редактор журнала New Scientist, и я собираюсь написать статью на случайно выбранную тему о черных дырах, или о квантовой теории поля, или еще о чем-нибудь и хотела бы получше разобраться в предмете. Могла бы я вас побеспокоить, чтобы вы объяснили мне некоторые вещи? Я нажимаю кнопку «Отправить» и в течение дня или двух получаю подробные ответы на все вопросы, которые не давали мне покоя. Это было похоже на волшебство. Конечно, это тоже работало, когда я была просто «научным журналистом» на фрилансе с адресом почты на AOL, но когда я стала «редактором» в крупном научном журнале, это перешло на совершенно другой уровень. Иногда я просто не могла поверить в свою удачу.
Мало-помалу я разобралась со странными свойствами горизонтов событий. Эйнштейн показал, что в зависимости от системы отсчета наблюдатели возможны двух типов: те, которые перемещаются равномерно, и те, которые ускоряются. Различие между ними становится принципиальным, когда речь заходит о черной дыре. Важно знать, к какому типу наблюдателей принадлежите вы сами. Наблюдателю, движущемуся с ускорением, удается ускользнуть от черной дыры и остаться вне горизонта событий. Он ускоряется, потому что гравитация тянет его назад, и ему приходится бежать все быстрее и быстрее, только чтобы выбраться из этого ада. Про себя я дала ему имя Сэйф. Инерциальный наблюдатель не так удачлив. Он падает, погружаясь за горизонт, вниз, в темные глубины черной дыры. Если вы не ускоряетесь, вам не удрать от гравитации. У инерциального наблюдателя судьба предрешена. Я назвала его Скрудом.
Для Сэйфа горизонт событий обладает набором экстремальных физических свойств. Ему присущи все странные эффекты теории относительности: вблизи горизонта световые волны растягиваются самым немыслимым образом, время замедляется настолько, что ему угрожает полная остановка. Но не только время останавливается на горизонте, пространство тоже. Горизонт означает конец реальности. И поскольку его площадь пропорциональна энтропии, горизонт горяч настолько, что готов испарить все, что к нему приближается, не оставив ничего, кроме пепла, развеиваемого излучением Хокинга.
Но Скруд ничего этого не видит. Даже горизонт для него вовсе не существует. Если черная дыра достаточно велика, он проходит горизонт насквозь, не замечая ничего. Он не видит ни растянутых световых волн, ни замедления времени, ни границ пространства. Он не чувствует тепла. Он не видит излучения Хокинга. Скруд не видит ничего, кроме обычного пустого пространства.
Эти два парня осматривают одну и ту же область Вселенной, и один видит пустое пространство, а другой видит частицы? Это было так странно, что я чуть не сломала голову, размышляя над этим. Что-то с реальностью пошло не так. И вдруг я поняла, что именно было не так.
От: Аманда Гефтер
Кому: Уоррен Гефтер
Тема: О боже мой!!!
Частицы Хокинга зависят от наблюдателя! Они не инвариантны! Ускоренные наблюдатели, находящиеся вне черной дыры, видят их; инерциальные, падающие в дыру, – нет. Частицы рождаются горизонтом, а для наблюдателей, падающих в черную дыру, горизонт не существует. Если бы это было не так, то они бы туда не падали! Они не видят ни горизонта, ни какой-либо скрытой информации, ни энтропии, ни температуры, ни частиц Хокинга. Для них состояние вакуума совсем другое, и эти два состояния не связаны между собой преобразованиями Лоренца – они несоизмеримы. В приложении к письму ты найдешь десяток статей на эту тему для тебя: читай и получай удовольствие!
Материя, зависящая от наблюдателя! Это умопомрачительно, верно? Такого не бывает в обычной физике… как в теории относительности, так и в квантовой механике. Возможно, найдутся наблюдатели, которые не согласны по поводу некоторых свойств частиц, но все они сходятся к единому мнению об их существовании. Горизонт событий отменяет все это. Некоторые наблюдатели считают пространство пустым, а другие видят в нем частицы. Некоторые наблюдатели не видят ничего, другие что-то видят. Это безумие! И почему никто и никогда не говорил об этом? Всякий раз, когда вы слышите об излучении Хокинга, вам будто бы говорят: о! черные дыры-то на самом деле вовсе не черные! Будто бы это и есть самое главное. А как насчет того, что материя на самом деле не реальна?!
От: Уоррен Гефтер
Кому: Аманда Гефтер
Тема: RE: О боже мой!!!
Ну, я думаю, ты нашла, о чем написать в своей дипломной работе! Это поистине удивительно. Я никогда не понимал всей глубины открытия Хокинга. Но разве излучение черных дыр это не специфическая и крайне редкая ситуация? Правильно ли применять это к материи в целом?
Я тоже раньше не понимала глубины открытия Хокинга. В глубине души у меня всегда таились подозрения, что его слава сильно подогревалась его болезнью: в человеке, говорящем голосом робота, всегда есть что-то такое, от чего его мысли кажутся необычайно глубокими. Но когда мне стали ясны следствия эффекта Хокинга, я поняла, что он еще совершенно недооценен. Конечно, все знают, кто он такой, но много ли людей знает, что он сделал и почему это так важно? Частицы могут зависеть от системы отсчета наблюдателя. Частицы не инвариантны. Частицы не являются в конечном счете реальными.
Излучение Хокинга дает наглядный пример зависимости вакуума от системы отсчета наблюдателя. В плоском и неограниченном пространстве все наблюдатели соглашаются по поводу низшего энергетического состояния – состояния, лишенного частиц, вакуума. По сути, это означает отсутствие разногласий у наблюдателей относительно того, что представляет собой ничто. Горизонт событий подрывает их согласие. Горизонт определяет границу пространства, изменяет структуру вакуума. Но только наблюдатели, движущиеся с ускорением, видят эту границу; инерциальные наблюдатели видят лишь плоский бескрайний космос. То, что как-то выглядит для одного наблюдателя, никак не выглядит для другого.
На первый взгляд, горизонт событий черной дыры не должен зависеть от наблюдателя. Ведь черная дыра – это вполне конкретный, локализованный объект; одна из черных дыр покоится в центре нашей Галактики, прямо сейчас. Кажется, мы все согласны с утверждением о том, что ее существование не зависит от наблюдателя, но это только потому, что каждый из нас комфортно чувствует себя в шкуре Сэйфа. Если же мы подумаем о судьбе Скруда, погружающегося в бездонную черную пропасть, мы поймем, что горизонт существует не для всех наблюдателей, а лишь для некоторого их количества, хотя его и достаточно для того, чтобы обмануть нас, заставить думать, что это объективная характеристика мира. Как только мы понимаем, что это не так, что существование горизонта событий зависит от наблюдателя, – мы вдруг осознаем, что частицы Хокинга, существование которых привязано к горизонту, в конечном счете также зависят от наблюдателя.
Отец был прав: я нашла тему для своей работы. Ее философское значение было трудно переоценить. Со времен атомистов Древней Греции частицы рассматривались в качестве основных строительных блоков материального мира – твердые, объективные, бесспорные. Теория относительности учила нас, что наблюдатели могут не соглашаться по поводу положения какой-то частицы в пространстве или времени, но они все согласны с тем, что эта частица где-то существует. Конечно, квантовая механика сделала понятие частицы более расплывчатым, но, опять же, само их существование оставалось в целости и сохранности. Мысль о том, что разные наблюдатели могут не соглашаться по поводу самого существования частиц, – гораздо более странная, чем что-либо, предложенное теорией относительности или квантовой теорией по отдельности. Частицы являются так называемыми строительными блоками реальности, так что если их существование зависит от того, кого вы спросите, что тогда происходит с реальностью?
Я приступила к работе над дипломом. Вся моя жизнь сконцентрировалась на излучении Хокинга. Я размышляла о нем все время – днем в офисе, а ночью в моей квартирке планковского масштаба. На работе я нашла способ превращать результаты своих исследований в статьи для журнала и поэтому могла продолжать читать о горизонтах, энтропии и онтологии частиц, не вызывая никаких подозрений. По ночам тихий шелест страниц, мягкие щелчки клавиатуры, а иногда и шуршание невидимой крысы служили умиротворяющим саундтреком к моей беззвучной охоте.
Бывали моменты, когда мне хотелось, чтобы отец был рядом: такое случалось, если я обнаруживала какой-нибудь удивительный факт или меня мучил какой-то вопрос, на который я не могла ответить, или у меня возникало чувство, что я действительно добралась до чего-то важного. Я как будто слышала звук хлопка одной ладонью. Но наша непрерывная переписка позволяла держать его в курсе всего, что я узнавала, и в слабом эхе, несущемся по черному небу над просторами Атлантики к тускло освещенной маленькой тупиковой улочки в Ноттинг-хилле, я слышала его аплодисменты.
В том же эхе я слышала его вопрос, не дававший мне покоя: разве излучение черных дыр – это не специфическая и крайне редкая ситуация? Правильно ли приписывать это материи в целом?
Это было справедливое замечание. Даже мама, которая волнуется больше, чем кто-либо из тех, кого я знаю, не беспокоилась по поводу черных дыр. Если черные дыры так далеки от повседневной жизни, какое значение имеет тот факт, что частицы Хокинга не реальны? Они вообще, возможно, были не более чем причудой теоретиков?
Однако мои поиски быстро привели меня к открытию, что черные дыры – не единственная причина появления горизонта событий. В самом деле, существует гораздо более прозаическая причина: ускорение. Если наблюдатель ускоряется, свет из некоторых отдаленных уголков Вселенной никогда не достигнет его, сколько бы времени ни прошло, пока он сохраняет ускорение. В это было трудно поверить, пока я не вспомнила те пространственно-временные диаграммы, которые мой папа нарисовал много лет назад в своем желтом блокноте. Мировая линия луча света в пространственно-временном континууме – прямая, мировая линия ускоренного наблюдателя – искривлена. В тот момент, когда какой-то луч света, кажется, вот-вот настигнет наблюдателя, тот сворачивает вдоль своей кривой, успешно избежав встречи со светом, у которого не остается больше никакого выбора, кроме как продолжить движение вдоль своей прямолинейной траектории. Таким образом, есть целые области Вселенной, свет от которых никогда не достигнет ускоренного наблюдателя. Целые области, находящиеся в недосягаемости. Темные. Подобные черной дыре.
На самом деле, они действительно похожи на черную дыру. Граница между недоступной для такого наблюдателя областью и всей остальной Вселенной – это тоже горизонт событий, известный как горизонт Риндлера. Он обладает всеми теми же свойствами, что и горизонт событий черной дыры, и всеми теми же релятивистскими странностями: растягивающиеся световые волны, замедляющее ход время и полная его остановка на горизонте. Его энтропия так же пропорциональна его площади – соотношение, которое Хокинг открыл для черных дыр. Где энтропия, там температура. Где температура, там тепло. Где тепло, там частицы.
Эти частицы называют по-разному: частицы Риндлера, излучение Унру, излучение Унру – Дэвиса, излучение Хокинга – Унру. Во всех случаях подразумевается одно и то же: частицы, рожденные на зависящем от наблюдателя горизонте событий. В самом деле, горизонт черной дыры и горизонт Риндлера полностью идентичны на языке уравнений. Они могут показаться очень разными физическими явлениями, но с точки зрения математики они неразличимы. И если вы подумаете, то легко обнаружите очевидную причину этой неразличимости – принцип эквивалентности. Эйнштейн говорил, что гравитация и ускорение эквивалентны. Не просто похожи или аналогичны, а эквивалентны. Два взгляда на одно и то же. Если гравитация может создать горизонт событий, то же может сделать ускорение.
Представим себе Сэйфа и Скруда в обычном плоском пространстве, свободном от черных дыр. Сэйф – мой ускоренный наблюдатель – в силу наличия ускорения в плоском пространстве формирует горизонт событий. Если он на лету достает термометр, он измерит ненулевую температуру вокруг себя, как следствие появления частиц Риндлера – Унру – Дэвиса – Хокинга. Но попросите Скруда сделать то же самое, и его термометр не зарегистрирует ничего. Это звучит как безумие: два наблюдателя находятся в одном и том же пространстве, но один видит себя окруженным частицами, а другой в то же самое время не видит ничего, кроме пустого пространства. И единственная разница между ними состоит в том, что у Скруда нет горизонта событий. Сэйф физически реструктурирует вакуум и создает реальные измеряемые частицы, благодаря всего лишь определенной точке зрения. Частицы существуют объективно, но лишь для него одного.
Многие годы я подозревала, что секретный ингредиент, позволяющий превратить ничто моего отца, то есть бесконечное безграничное однородное состояние, в нечто – это как раз граница и есть. После разговора с Фотини Маркопулу я стала думать, не может ли собственное поле зрения наблюдателя, с неизбежностью ограниченое его световым конусом, позволить ему проделать такой же фокус. Все же я была настроена скептически и не могла представить себе, чтобы световой конус был способен физически превращать ничто в нечто. В конце концов, световой конус – это всего лишь система отсчета, это не материальный объект во Вселенной. Но, возможно, мой скепсис был безосновательным. Я узнала о границах, зависимых от наблюдателя, которые создают частицы, не используя ничего более физического, чем его система отсчета. Разумеется, горизонты событий – нечто совсем иное. В отличие от световых конусов, они зависят от времени и формируются динамически. Но интригующее сходство все равно было, и я записала, а затем подчеркнула в своем блокноте: «Горизонты показывают, как система отсчета наблюдателя может физически реструктурировать Вселенную. Или, может быть, H-состояние».
Во всем этом было какое-то безумие. И главное – ни для Сэйфа, ни для Скруда вакуумное состояние не было чем-то реальным. Теория относительности показала, что пространство и время были разными для разных наблюдателей. Они не были инвариантными. Они не были настоящими. Теперь было ясно, что вакуумные состояния, а с ними частицы, должны были покинуть наш список. Частицы были не настоящими. Их существование зависит от наблюдателя.
А ведь это уже было заложено в самом определении частиц как неприводимых представлений группы Пуанкаре. Эту группу образуют глобальные преобразования плоского пространства-времени, но глобальные преобразования бесполезны при наличии горизонта событий. Горизонт требует от нас локальных определений, разрезания единого глобального взгляда на отдельные, зависящие от наблюдателя фрагменты. Проблема состоит в том, что не существует уникального, выделенного способа такого разбиения, в разных фрагментах будет свой вакуум, возникнет ряд несоизмеримых картин реальности, ни одна из которых не будет более истинной, чем остальные. Искривленное пространство-время – с гравитацией, с горизонтами событий – не обладает симметрией Пуанкаре. Уберем симметрию, и мы потеряем четкое определение частиц. Как только у вас геометрия пространства-времени начинает зависеть от наблюдателя – она может быть плоской, как ее видит Скруд, и в то же время изогнутой, как ее видит Сэйф, – вы переносите двусмысленность на совершенно новый уровень. Теперь нельзя задавать вопрос: «Существует ли частица?» Теперь нам необходимо каждый раз уточнять: «Существует ли частица в системе отсчета Сэйфа?» И словно этого было недостаточно, чтобы взорвать мой мозг, я обнаружила еще и третий вид горизонта событий – тот, который буквально определяет границы Вселенной.
Если у вас есть наблюдатель, двигающийся с ускорением в плоском пространстве, то вы получите горизонт Риндлера. Но вскоре я обнаружила, что ситуацию можно поменять на обратную и придать ускорение самому пространству, пока наблюдатель вроде Скруда остается неподвижным в своей инерциальной системе отсчета. При расширении пространства ускоренными темпами свет может проходить конечное расстояние даже за бесконечное время: не важно, какое расстояние пройдено светом – расширяющееся пространство постоянно подсовывает ему новую задачу, как выползающая лента бегового тренажера. Некоторые лучи света никогда не смогут достичь Скруда. Таким образом, какая-то часть Вселенной будет для него вечно темной. Эту темную область ограничивает горизонт событий – деситтеровский горизонт.
Виллем де Ситтер был первым физиком, который усмотрел спрятанную в уравнениях Эйнштейна Вселенную, расширяющуюся с ускорением – Вселенную, совершенно лишенную материи, более пустую, чем холодное межзвездное пространство. Просто обширное, бесплодное ничто.
Только это было не совсем ничто. В ткань пространства вплеталась странная форма энергии, которая проявляла своего рода антигравитационный эффект, оборачивалась силой, расталкивающей пространство, заставляя Вселенную расширяться. Она возникала из-за, казалось бы, безобидного члена в уравнениях общей теории относительности – космологической постоянной. В ней заключалось свойство пространства самого по себе, поэтому, а также потому, что она была константой, расширение не истончало эту странную антигравитирующую энергию – чем больше пространства, тем ее становилось больше. Из-за этого возникал эффект разбегания: расширение Вселенной происходило все быстрее и быстрее по мере того как она становилась все больше и больше. Было нечто противоположное гравитационному коллапсу – образование черной дыры наоборот.
Когда в 1917 году де Ситтер предложил свою модель, Эйнштейн был убежден, что она неверна. Она явно противоречила двум главным философским установкам Эйнштейна – во-первых, что пространство-время без материи не может существовать, и, во-вторых, что Вселенная статична. Вечна. Занимаясь своими уравнениями, Эйнштейн верил, что именно космологическая постоянная заякорит Вселенную на месте, исключив как ее расширения, так и сжатия.
Но Эйнштейну не повезло: философия – недостаточно сильный аргумент для Вселенной. Она не хотела оставаться на месте, и в 1929 году американский боксер, ставший потом астрономом, Эдвин Хаббл, сделал сенсационное открытие: все галактики в небе разлетаются прочь от нас со скоростью, пропорциональной их расстоянию до нас. Именно этого и следовало бы ожидать от расширяющейся Вселенной.
Я не знаю, как Эйнштейн воспринял открытие Хаббла, но готова держать пари: в тот день он пробил кулаком стену. Я уверена: ему и мгновения не понадобилось, чтобы понять, какой шанс он упустил! Еще бы чуть-чуть, – и он сделал бы то, что вошло бы в историю как одно из величайших научных предсказаний. А от разбегания галактик до Большого взрыва нужно было подумать ровно два раза. Все это лежало прямо у него под носом, содержалось в тех уравнениях, которые он сам же и вывел, но он не хотел видеть этого. Конечно, семью годами раньше он уже получил свою Нобелевскую премию, так что теперь никто не мог сказать: «Какой же идиот этот Эйнштейн!» Но все равно: он, должно быть, очень разозлился.
Есть фотография Эйнштейна у телескопа Хаббла на вершине Маунт-Вилсон: он вглядывается в космос, чтобы увидеть расширение. Каждый раз, когда я смотрю на нее, у меня по спине пробегает дрожь. Мысль о том, что человек, вооруженный не более чем философскими принципами, карандашом и бумагой, выяснил, что в действительности происходит в этом огромном мире, еще раз подчеркивает силу разума и великий потенциал науки. Эйнштейн писал: «Я считаю в известном смысле оправданной веру древних в то, что чистое мышление в состоянии постигнуть реальность». Я не переставала думать, как антиреалист может смотреть на это фото. Мог ли такой человек честно принять все это за чистое совпадение? Космическое чудо? Вселенная расширяется только потому, что мы все согласились, что это так? Я могу только представить себе девушку из моей группы: Расширение? Разве нет мужского органа, который известен этим?
После открытия расширяющейся Вселенной, сделанного Хабблом, Эйнштейн был вынужден признать, что существуют нестационарные решения уравнений общей теории относительности. Решения, аналогичные решению де Ситтера. Но модель де Ситтера оставалась просто теоретическим курьезом вплоть до 1998 года, когда две команды астрономов вышли на охоту за сверхновыми и обнаружили, что скорость расширения Вселенной увеличивается. Более поздние исследования позволили уточнить, когда началось ускорение: пять миллиардов лет назад прекратилось замедление космического расширения после первоначального толчка инфляции, и вдруг снова начался его разгон. Словно какая-то странная сила задремала на время, свернувшись калачиком в тишине пространства, в ожидании подходящего момента, чтобы наброситься и перебороть силу тяжести. Если бы не было космологической постоянной Эйнштейна, в такую переменчивость было бы трудно поверить. Физики на всякий случай назвали эту силу темной энергией.
Ускоренное расширение Вселенной сейчас не проявляет никаких признаков замедления. По мере того как пространство продолжает расширяться, плотность вещества продолжает уменьшаться, Вселенная истончается, расстояние, разделяющее любые два объекта, становится все больше, оставляя за собой унылое пустое беззвездное пространство. Расстояние между галактиками продолжает увеличиваться, а небо продолжает темнеть. В итоге пространство будет расширяться так быстро, что свет от далеких звезд никогда не сможет до нас добраться. Сметенные космической экспансией, они исчезнут, оставив только тьму, наш Млечный путь, как тусклый маяк в море чернильной пустоты, расширяющегося ничто. Одинокий остров в пустоте, окруженный горизонтом событий. Теперь мне стало ясно: во Вселенной, где правит темная энергия, мы все – Скруды.
Жизнь во Вселенной, пронизанной темной энергией, означает, что наш горизонт событий нас ждет. Это означает, что мы живем в деситтеровской вселенной. А поэтому все тревожащие нас эффекты горизонтов событий не ограничатся только окрестностями черных дыр, находящихся на безопасно далеких расстояниях от нас. Они подбираются к нам со всех сторон.
И вот я здесь – за миниатюрным рабочим столом, в миниатюрной квартирке в лондонском закоулке, в огромной расширяющейся деситтеровской вселенной, окруженная горизонтом событий. Быть окруженной деситтеровским горизонтом все равно что жить в окружении черных дыр: галактики торопливо удаляются в направлении горизонта событий, словно под действием сил тяготения, а затем исчезают за горизонтом. Поскольку пространство само по себе движется с ускорением, наш Скруд, инерционный наблюдатель, видит горизонт. С его точки зрения световые волны от далеких галактик растягиваются, а их бег кажется замедляющимся из-за ультрарелятивистских эффектов вблизи горизонта событий. К тому моменту, когда галактика погружается в темную область, откуда нет возврата, уже неважно, как она называется – черная дыра или деситтеровский горизонт: в любом случае ее больше не будет.
По мере того как галактики исчезают за горизонтом, площадь и энтропия горизонта неуклонно возрастают. Всего через два года после его открытия излучения черных дыр Хокинг и сотрудник Кембриджского университета физик Гэри Гиббонс доказали, что как горизонт черной дыры, так и деситтеровский горизонт обладают энтропией, пропорциональной площади. С энтропией появляется температура; с температурой – частицы. Наблюдатели в деситтеровской вселенной ощущают тепло. Я задумалась о том, почему в деситтеровской вселенной Лондон всегда такой холодный. Как оказалось, температура деситтеровской вселенной практически равна абсолютному нулю – ее почти невозможно измерить. Но однажды в нашем космическом будущем, когда микроволновый фон окончательно остынет из-за его красного смещения, излучение де Ситтера останется единственным источником постоянного тепла во всем космосе.
До меня постепенно стало доходить, что как горизонты событий черных дыр и горизонты Риндлера, так и деситтеровские горизонты зависят от наблюдателя. Ускорение расширяющегося пространства порождает горизонт, скрывающий область пространства-времени от данного наблюдателя. У каждого наблюдателя свой горизонт, немного сдвинутый по отношению ко всем прочим. Строго говоря, не найдется двух наблюдателей, для которых границы Вселенной расположены в одном и том же месте. Сидя здесь, в Лондоне, я нахожусь в совершенно другой деситтеровской вселенной, чем мой отец в Филадельфии. У каждого из нас своя вселенная. Маркопулу говорила о световых конусах – и я тогда узнала, что световые конусы растут со временем. Если подождать достаточно долго, вы увидите больше Вселенной. Подождав бесконечное время, можно увидеть ее всю. Но это не так в деситтеровском пространстве-времени. Деситтеровский горизонт работает с точностью до наоборот: чем дольше вы ждете, тем меньше видите. В деситтеровской вселенной ни один наблюдатель не может увидеть ее целиком. Никогда.
Конечно, если начать двигаться с ускорением, как это делает Сэйф, то горизонт исчезает. Теперь вы находитесь в той же системе отсчета, что и расширяющееся пространство. Ничто не скрыто от вас, пока вы продолжаете ускоряться. С точки зрения Скруда вы испытаете торможение вблизи деситтеровского горизонта и поджаритесь в его излучении. Но в своей собственной системе отсчета вы ничего этого не узнаете. Для вас не существует горизонта. Просто вы видите больше во Вселенной.
К сожалению, вы не можете ускоряться бесконечно – предельная скорость света тому гарантия. А пространство-время может. Пространство-время не имеет ограничения скорости, оно может расширяться быстрее скорости света, как это было во время инфляции. Если вы соревнуетесь в гонке с пространством-временем, оно всегда побеждает. В конце концов вам придется прекратить ускорение и увидеть горизонт, застряв в деситтеровской вселенной. Навсегда.
Теперь я поняла, что космология в деситтеровской вселенной – это совершенно другая песня! Какой смысл говорить о Вселенной, если у каждого наблюдателя она своя? В поисках ответа на этот вопрос я наткнулась на доклад бывшего студента Хокинга физика Рафаэля Буссо, сделанный в Кэмбридже на симпозиуме в честь шестидесятилетия учителя. Его имя мне было уже знакомо: он разделил с Маркопулу первое место на конкурсе молодых ученых на посвященном Уилеру симпозиуме в Принстоне. Доклад Буссо на конференции в честь Хокинга был озаглавлен так: «Приключения в деситтеровском пространстве». Буссо пояснил: Хокинг и Гиббонс обнаружили, что деситтеровский горизонт обладал теми же квантовыми свойствами, что и горизонт черных дыр, в том числе – энтропией и температурой. Отметив, что деситтеровский горизонт зависим от наблюдателя, Буссо добавил: «Хокинг и Гиббонс интерпретировали свои результаты как указание на то, что квантовая гравитация, возможно, несовместима с единым, объективным и полным описанием Вселенной. Скорее, ее законы могут быть сформулированы относительно наблюдателя – не более чем одного наблюдателя единовременно».
Никакого единого объективного описания Вселенной? Согласно предположению Маркопулу, нам нужна какая-то зависящая от наблюдателя логика, без которой нам не удастся ужиться с тем фактом, что у каждого из нас своя часть во Вселенной. Теперь Хокинг предполагал, что нам, возможно, нужна зависящая от наблюдателя теория всего?
Я вытащила скомканную салфетку из лос-анджелесской блинной и еще раз просмотрела список ингредиентов окончательной реальности: «Частицы/поля/вакуум. Пространство-время. Размерность. Струны. Вселенная. Мультивселенная. Скорость света».
От: Аманда Гефтер
Кому: Уоррен Гефтер
Тема: Сдуем еще пару пылинок
Ну, мы можем официально вычеркнуть из нашего списка вакуум, поля и частицы. Деситтеровский горизонт делает их зависимыми от наблюдателя. Как странно… мой крохотный столик – это всего лишь вопрос точки зрения, и все из-за горизонта по краю Вселенной. Я не должна говорить: «Вселенной» – моей вселенной. Неужели сама Вселенная может в действительности оказаться зависящей от наблюдателя? Нам нужно поговорить с Рафаэлем Буссо. Он предположил, что «квантовая гравитация, возможно, несовместима с единым, объективным и полным описанием Вселенной».
Боже! Эта связь между горизонтом и вакуумом не дает мне покоя. Словно один из них можно отобразить на другой, несмотря на разное количество измерений. Энтропия деситтеровского горизонта учитывает число квантовых состояний в каждой из наших вселенных, – но она конечна и пропорциональна площади горизонта. Забавно: все говорят, что самый большой вопрос в космологии – «что такое темная энергия?» А мне кажется, что вопрос можно перевернуть. Можно сказать так: темная энергия – это просто доказательство того, что мы живем в деситтеровской вселенной, поэтому гораздо интереснее было бы узнать, почему мы живем в деситтеровской вселенной? И как это меняет значение самой космологии?
От: Уоррен Гефтер
Кому: Аманда Гефтер
Тема: RE: Сдуем еще пару пылинок
Как такие большие мысли умещаются в такой маленькой квартирке? В то, что Вселенная зависима от наблюдателя, верится с трудом. Не может ли существовать одна реальная, инвариантная Вселенная, несмотря на тот факт, что каждый наблюдатель имеет доступ только к ограниченной ее части? Темная энергия / деситтеровский горизонт – вопрос увлекательный. Ты думаешь, что нам необходим деситтеровский горизонт, чтобы превратить ничто в нечто? Похоже, что нам еще есть над чем поработать! Как продвигаются дела с твоим дипломом?
О, черт! Диплом… Я провела последние месяцы, полностью погрузившись в исследования. Открытие, что частицы не могут быть частью окончательной реальности, обернулось серьезным прорывом в наших поисках, и я, в итоге, ни на шаг не продвинулась в написании своего диплома. Он должен быть готов через два дня.
Я собрала в огромную кучу все мои заметки и села за диплом: «Зависимость горизонтов событий от наблюдателя и онтология материи».
Когда я только поступила в Лондонскую школу экономики, один из профессоров после занятий отвел меня в сторону, чтобы сделать странное предупреждение:
– Я знаю, что вы привыкли писать популярные статьи для журналов, – сказал он к моему удивлению. – Но когда вы пишете научную статью, она не должна выглядеть так, как будто написана для широкой аудитории.
– Я знаю это, – сказала я. – И никогда не буду писать свои статьи так, чтобы их можно было понять.
Несколько дней спустя другой профессор остановил меня в коридоре:
– Ваши статьи не должны быть похожи на статьи для популярных журналов, – предупредил он меня. Выглядел он при этом разочаровавшимся во мне, явно преждевременно.
– Они и не будут, – пообещала я. – Они будут сухими и серьезными настолько, насколько это возможно.
Поэтому когда я, наконец, садилась писать статьи, я старалась примерить на себя образ пожилого джентльмена с британским акцентом в голосе, одетого в коричневый твидовый костюм с замшевыми нарукавниками, сидящего рядом со своим глобусом и высокомерно играющего на трубе. «В действительности, как будет доказано мною ниже, тезис о холизме Дюгема подрывает гипотетико-дедуктивный метод обоснований. Пуфф, пуфф. Чао». Я засоряла тексты сложноподчиненными предложениями и жаргоном; зачищала их от любых заметных расцветок и юмора. Я излагала и подтверждала свои аргументы на каждом шагу. Вот резюме того, что я только что сказала. Вот что я говорю. Вот что я собираюсь сказать. Я использовала как нормативные выражения, так и упомянутые выше. Мои профессора могли быть мною довольны.
Теперь, когда пришло время писать диплом, я вызвала образ пожилого джентльмена и писала в течение сорока восьми часов. Не прерываясь.
«В мире классической Ньютоновой физики материя – это объективная сущность, не зависящая от наблюдателей, – начала я. – Ее онтология, видимо, берет свое начало в мире абсолютного пространства и времени. Как квантовая механика, так и теория относительности пошатнули ее онтологические основы, ставя острые вопросы относительно наших представлений о материи. В квантовой теории, например, электрон существует как суперпозиция всевозможных состояний, характеризуемых вероятностями, и „сваливается“ в одно из состояний, только когда наблюдатель выполняет измерения. Таким образом, наблюдатель становится соучастником в определении свойств вещества. В общей теории относительности наше восприятие материи частично определяется системой отсчета, и два наблюдателя не всегда придут к единому мнению, например, по вопросу о длине объекта. Точно так же наблюдатели становятся соучастниками в определении свойств материи. Как выясняется, больше нельзя описывать материю без указания системы отсчета. Тем не менее ни одна из этих теорий не подрывает полностью классическую онтологию материи. И в теории относительности, и в квантовой теории свойства материи могут в некоторых случаях зависеть от наблюдателя, но самое существование материи не оспаривается наблюдателями. Это имеет глубокие последствия для онтологии, и это является непосредственным продуктом современной физики, которая приступила к объединению общей теории относительности, термодинамики и квантовой теории». Та-дам!
Затем я перешла к рассказу о физике черной дыры и горизонтах Риндлера и де Ситтера. Я дала определения их температуре и энтропии, подробно разобрав связь между механикой горизонта событий и термодинамикой. Затем я остановилась на вопросе, являются ли три типа горизонтов событий эквивалентными или просто аналогичными. «С точки зрения физики, все три ситуации кажутся существенно различными, – писала я. – В одном случае у нас имеется черная дыра, останки потухшей звезды. В другом – наблюдатели перемещаются через пустое пространство. В третьем – вся вселенная выворачивается наружу. Возможно ли говорить, что речь идет об одном и том же?»
С позиции структурного реализма, тем не менее, эти описания не имеют значения. Значение имеет структура. Математика. А с математической точки зрения между тремя горизонтами нет никакой разницы.
«Физика горизонтов событий – излучение, которое они производят, например – определяется соотношением между системой отсчета наблюдателя и геометрией пространства-времени, – писала я. – Это соотношение одинаково во всех трех рассматриваемых случаях: в случае черной дыры гравитация определяет геометрию пространства-времени; в случае деситтеровского горизонта космологическая постоянная определяет геометрию пространства-времени; и в случае горизонта Риндлера ускоренное движение наблюдателя определяет геометрию пространства-времени. Но физика этих явлений зависит не от сил тяготения, не от космологической постоянной, не от ускорения, а от соотношения между геометрией и наблюдателем. Это соотношение определяет искомые „структуры“, и они оказываются эквивалентными. Принимая это положение во внимание, мы следуем за Эйнштейном, чей принцип эквивалентности гласит, что сила тяжести и ускорение не просто аналогичны – они эквивалентны».
«Хорошо, – подумала я. – Кто будет спорить с Эйнштейном? Или с оратором, использующим в речи королевское „мы“?»
Я объяснила смысл энтропии, вывод формулы для излучения Хокинга и неэквивалентность метрик, зависящих от наблюдателя вакуумных состояний, заключив под конец: «Наличие горизонта событий указывает на вырождение вакуумных состояний при невозможности определить предпочтительные колебательные моды поля. Онтологические последствия всего этого безумно офигительны!»
Перечитав, я подумала, что последнее предложение может показаться недостаточно «академичным». Я нажала на клавишу delete и попробовала написать предложение заново: «Онтологическим следствием всего этого является принципиальное изменение используемых понятий „поля“ и „частицы“, которые, как было показано, характеризуются выбором системы отсчета».
Так-то лучше.
Сохранить, распечатать, спать.
