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.

Мизнер, современник Хокинга, — это еще один из тех физиков, которые произвели революцию в исследованиях черных дыр и Вселенной в целом в 1960–1970-х гг. Как и большинство студентов, изучавших физику, я сначала узнал его имя как М в MTW, общеизвестном сокращении фамилий авторов учебника по теории гравитации «Гравитация» (Gravitation): с его виньетками и размышлениями, это один из немногих учебников, которые действительно весело читать. Детским увлечением Мизнера, как и Гальвеза, была не физика, а химия. Он помнит, как мать ругала его за дырки, прожженные в одежде реактивами из набора юного химика. В ответ он поставил эксперимент — капал кислоту на различные виды ткани, чтобы посмотреть, как они себя поведут. Вряд ли его матери это пришлось по вкусу, но друг семьи, услышав об интересах мальчика, нанял его, чтобы тот нашел способ более эффективной выдержки бетона. В результате была разработана добавка, замедляющая испарение воды.

Мизнер поступил в колледж со специализацией по химии, но неожиданно удовольствие от предмета улетучилось. «Лабораторные работы были ужасны, — вспоминает он. — Нужно было просто следовать инструкциям, как в поваренной книге». Поэтому он переключился на физику и продолжил учебу в аспирантуре Принстонского университета как раз в то время, когда легендарный профессор Джон Уилер (W в прозвище того же учебника) возвращал к жизни исследования гравитации. Хотя физики не уставали восхищаться теорией гравитации Эйнштейна, немногие на самом деле брались за ее изучение, полагая, что все по-настоящему интересное происходило в квантовой физике. Уилер осознал, что гравитация — самая созидательная из сил природы. Геоны, пространственно-временная пена, кротовые норы, черные дыры — не нужно даже знать смысл этих терминов, чтобы понять, что Уилер говорил о чем-то большем, чем яблоки, падающие на головы людей. «У него была геометрическая и физическая интуиция, и у него был азарт, ему казалось, что за уравнениями может стоять больше, чем думали другие, — говорит Мизнер. — И он был прав».

Однородность ночного неба не была внесена в список загадок до того, как в 1960-х гг. случилось два прорыва в наблюдениях. Сначала астрономы обнаружили квазары: точки света, которые на первый взгляд похожи на звезды, но таких цветов, какие ни у одной звезды никогда не наблюдались. Их осенило — квазары выглядят настолько яркими потому, что Вселенная расширяется, растягивая световые волны как логотип на футболке из спандекса, превращая синий в красный. Свет квазаров настолько красный, что должен был путешествовать миллиарды лет, прежде чем достичь нас, а это делало квазары на тот момент самыми древними объектами, которые когда-либо видели люди. В 1966 г. Мизнер получил годовую стипендию в Кембридже, где астрономы, как он вспоминает, отмечали мелом положение квазаров на доске сферической формы. Мизнер заметил, что на одной стороне меток больше, чем на другой, как будто древняя Вселенная была неравномерной. Асимметрия оказалась случайностью, но это заставило его задуматься о том, почему небо должно или не должно выглядеть одинаково во всех направлениях. Второе открытие обострило этот вопрос: это было космическое микроволновое фоновое излучение.

Радиоастрономы сначала заметили это излучение как слабое, но постоянное шипение в своих приемниках. Они очистили антенну от голубиного помета, однако шипение не исчезло — везде, куда бы они ни направили антенну, было это шипение, заполняющее небо, не оставляющее пустых мест. Ученые быстро осознали, что подобное шипение является формой света, длина волны которого увеличилась, и свет из синей части спектра перешел в красную, затем в инфракрасную и в микроволновую — это еще более существенное преобразование, чем то, которому подвергся свет от квазаров, что делает его источник еще более древним: по текущим оценкам, ему 13,8 млрд лет. Космическое микроволновое фоновое излучение дает нам возможность взглянуть на Вселенную в те времена, и она похожа на ванильное мороженое с молоком во время метели: первичный бульон почти без особенностей и состоящий почти из чистого водорода. Газ был распределен еще более однородно, чем галактики и квазары, которые появились позже.

Одинаковый вид требует наличия общей причины. Если двое ваших друзей появятся однажды в совершенно одинаковой одежде, вы можете относиться к этому как к чистой случайности, но если много других людей одеты похожим образом, значит, есть какая-то связь: дресс-код, массовая рассылка по электронной почте, распродажа в местном магазине Gap. Люди склонны одеваться разнообразно, поэтому случайные совпадения маловероятны. Аналогичным образом вещество в ранней Вселенной могло распределяться такими разными путями, что обретение им одинаковой плотности и одинаковой температуры во всех точках было маловероятным — поразительно маловероятным. Тем не менее это произошло.

Чем можно объяснить такую однородность? Если на то пошло, тяготение должно было заставить вещество сгущаться, делая его менее однородным. Космологи размышляли о других процессах, но столкнулись с фундаментальной проблемой. Две галактики или два крупных скопления газа в противоположных концах нашего неба, на самом краю наблюдаемой части Вселенной, находятся слишком далеко друг от друга, чтобы какой-либо процесс, происходящий в пространстве, мог уравнять их свойства. В конце концов именно это и означает находиться на самом краю доступной для наблюдения части Вселенной: свет от каждой галактики только теперь достигает нас после одиссеи длительностью в миллиарды лет. У него еще не было времени, чтобы добраться до второй галактики.

Космологи проводят аналогию с горизонтом на Земле. Если вы стоите на спасательном плоту посреди океана, то из-за кривизны нашей планеты можете видеть вдаль примерно на пять километров. Если к вам приближаются два корабля — один с севера, другой с юга, — сначала вы видите верхушки их мачт, и по мере того, как они становятся ближе, их корпуса медленно поднимаются над вашим горизонтом. Что касается моряков на кораблях, то сначала они видят вашу макушку, а затем постепенно и остальные части фигуры. Но в момент, когда они впервые вас замечают, моряки на одном корабле не могут видеть другой корабль: когда вы находитесь прямо на их горизонте, другой корабль все еще находится за ним. Мы похожи на этого потерпевшего кораблекрушение человека, а две диаметрально противоположные галактики похожи на тех моряков. Мы видим галактики, которые даже не видят друг друга, не говоря уже об обмене энергией или веществом, который мог бы сделать их внешний вид одинаковым. Фоновое излучение должно быть скорее пестрым лоскутным одеялом, а не равномерным свечением. «Чрезвычайно трудно объяснить, почему небо не испещрено пятнами… — говорит Мизнер. — Наблюдения показали согласованность у объектов, у которых никогда не было физической возможности взаимодействовать друг с другом».

В этой ситуации опять чувствуется определенное дежавю. Отдаленные части Вселенной согласовали свои свойства, явно нарушив предел скорости, установленный светом. Это выглядит так же жутко, как то, что Гальвез видит в своей лаборатории, за исключением того, что теперь мы говорим о целых галактиках, а не о маленьких частицах. В 1970 г. российский теоретик Яков Зельдовичосмелился предположить, что некий тип квантовой нелокальности мог бы объяснить однородность космоса. Однако в целом космологи отказывались заходить так далеко. Большинство восприняло эту загадку как провал теории гравитации Эйнштейна и полагало, что разгадка появится не раньше, чем произойдет объединение физики. Другими словами, Мизнер говорит: «Никто не думал, что уравнениям Эйнштейна можно было доверять в таких экстремальных случаях».

В конце 1970-х гг. русские и американские физики додумались, как решить проблему горизонта, не отказываясь ни от локальности, ни от теории Эйнштейна. Идея состоит в том, что эти две галактики на противоположных сторонах нашего неба (или на самом деле их предшественники) фактически когда-то находились рядом, но их оттащило друг от друга, когда Вселенная переживала свой ранний скачок роста. Таким образом, некий процесс мог бы сделать их похожими. Как близнецы, разлученные при рождении и выросшие, даже не зная о существовании друг друга, галактики когда-то ютились рядом, но развивались независимо друг от друга и только теперь снова воссоединяются.

Чтобы это объяснение имело смысл, скачок роста должен был растаскивать галактики со скоростью, превышающей скорость света, так, чтобы они потеряли контакт друг с другом до настоящего момента. Обычно слова «со скоростью, превышающей скорость света» звучат для физиков как скрип ногтей по меловой доске. Но рост космоса обходит обычные ограничения на скорость перемещения, потому что ни о каком перемещении речи не идет. Скорее это новое пространство образуется в промежутках между галактиками, почти как животное или растение развивается, создавая новые клетки. Поскольку галактики фактически не перемещаются в пространстве, ограничение скорости к ним не относится. «Если вы смотрите на две галактики, они остаются на месте, но расстояние между ними меняется, — объясняет Мизнер. — Если считать это относительной скоростью, то в ранний период относительная скорость двух скоплений вещества сильно превышала скорость света. Таким образом, они не могли видеть друг друга». Это не единственная ситуация, в которой можно превысить максимальную скорость за счет роста вместо перемещения. Предположим, вы находитесь на большой танцевальной вечеринке, и все начинают выстраиваться в линию для танца конга. Если несколько десятков человек будут присоединяться к ней каждую секунду, то концы линии могут удаляться друг от друга со скоростью больше 90 км/ч, хотя ни один человек не способен перемещаться так быстро.

Расстояние между галактиками может увеличиваться со скоростью больше, чем скорость света, даже тогда, когда Вселенная расширяется в обычном темпе. Однако в таком случае скорость расширения со временем снижается, и галактики в конце концов снова могут контактировать. Скачок роста необходим, чтобы галактики могли родиться вместе, а затем потерять контакт.

Большинство космологов считают эту концепцию, известную под названием «инфляция», столь изящной и убедительной, что обычно преподносят ее так, будто это установленный факт. В 2014 г. команда наблюдателей объявила, что они обнаружили верные признаки следов инфляции в микроволновом излучении: возмущения, связанные с механизмом скачка роста. Комментаторы были осторожны и использовали стандартные оговорки («если это правда»), но явно сочли этот результат реальным — они так долго ожидали его. Тем не менее открытие обернулось пшиком несколько месяцев спустя, вновь разжигая сомнения, которые высказывали даже некоторые из авторов теории инфляции. Основное беспокойство вызывает то, что инфляционная теория предполагает наличие того самого условия, которое она должна порождать: чтобы Вселенная начала расширяться, она уже должна была быть неестественно однородной. Поэтому некоторые физики искали альтернативы инфляции, среди которых была не только видимость нелокальности, но и настоящая нелокальность.

Один из скептиков инфляции — это Фотини Маркопоулоу. Я познакомился с ней на конференции в честь Уилера, где она поделила первое место в конкурсе подающих надежды физиков. Меня поразило ее мнение о том, что физические теории должны исходить из того, что мы — часть Вселенной, а не сторонние наблюдатели. «Меня реально интересует одно — это идея о том, что вы находитесь внутри Вселенной, которую пытаетесь понять, и можете понять ее, — говорит она мне. — Есть любопытная взаимосвязь между тем, что вы находитесь внутри системы, которую пытаетесь изучить, и тем, что вы способны делать вид, что это не так. В каком-то смысле к этому и сводится наука». Все области науки чувствуют это противоречие между взглядом изнутри и извне, но хуже всего оно в космологии, единственной сфере науки, изучающей систему, у которой вообще нет внешней стороны.

Маркопоулоу говорит, что глобальная картина мира увлекала ее с ранних лет. «Ребенком я любила заходить в церковь, когда там было пусто, садиться и просто смотреть в потолок, — вспоминает она. — В греческих православных церквях он, в сущности, похож на планетарий. Там на потолке картины на тему космологии. Именно это всегда казалось мне захватывающим. Есть что-то поразительное в том, что человек пытается представить целостную картину того, чему он сам принадлежит». Было бы легко напрямую связать ее детское изумление с карьерой физика, но Маркопоулоу против такого удобного изложения событий. Кроме этого она любила искусство — ее родители были скульпторами, — а также археологию и архитектуру. Она не знала, какую специализацию указать в заявлении о приеме в колледж. Когда директор ее средней школы предложил теоретическую физику, Маркопоулоу указала теоретическую физику. В колледже один из друзей восторженно отзывался о курсе лекций по квантовой механике, и оказалось, что это как раз по пути домой, так что она зашла послушать. «Я не читала книг об Эйнштейне и решила продолжить с того места, на котором Эйнштейн остановился, — говорит она. — В итоге на разных этапах, когда приходилось определяться, куда пойти, я выбирала теоретическую физику».

Похожим образом она не сразу выбрала свой предмет: объединение квантовой теории и теории гравитации с целью создания квантовой теории гравитации. Вместо этого, будучи студенткой и в первый год аспирантуры, Маркопоулоу изучала физику элементарных частиц. Однако курсовая работа оставила у нее чувство неудовлетворенности. «Странно, когда в программе подготовки физиков изучению квантовой теории уделяется недостаточно внимания», — вспоминает она. Ее однокурсники и преподаватели отвергали объединение как несбыточную мечту, да и ей самой поначалу тоже так казалось. Через некоторое время, впрочем, она стала думать, что мечтать — это нормально. Хотя ответы на загадки космоса могли быть недосягаемыми для физиков, по крайней мере исследователи квантовой гравитации стремились найти их. «Когда вы задаете интересные вопросы вроде “Почемуэто так?”… всегда кажется, что на самом деле не следовало их задавать, — говорит Маркопоулоу. — Люди, которые работали над этими интересными вопросами, занимались квантовой гравитацией». В конце концов соблазн стал слишком велик, чтобы сопротивляться. Если Гиддингс стремился объединить физику через теорию струн, то Маркопоулоу примкнула к сообществу физиков, которые применяют альтернативные подходы, чтобы примирить гравитацию с квантовой теорией. В отличие от струнных теоретиков, эта группа не стремится объединить строго всю физику, с ее огромным разнообразием частиц и взаимодействий, а концентрируется на гравитации.

Маркопоулоу сделала имя на том, что изучила, подчиняются ли различные предлагаемые квантовые теории гравитации принципу локальности, и показала, что большинство из них ему не подчиняется. Принято считать, что такие аномалии должны быть заметны только на очень малых масштабах, даже меньших, чем атом, но Маркопоулоу сомневается, что нечто столь глубокое может быть ограничено такими узкими рамками. «С самого начала, когда я занялась квантовой гравитацией, интуиция подсказывала мне, что, возможно, квантовая гравитация на самом деле проявляет себя на больших масштабах, поскольку меняется нечто фундаментальное», — говорит она. Маркопоулоу подозревает, что согласованность развития удаленных галактик может быть таким проявлением. Единообразие космоса может быть третьим типом нелокальности, очень явным. Несколько струнных теоретиков думают примерно так же. «Проблема горизонта — это нелокальность, находящаяся прямо у нас под носом», — говорит Маркопоулоу.