Гипотеза белых дыр. Об устройстве Вселенной, гравитации и теории относительности - Карло Ровелли

Сработает ли? Я задаюсь этим вопросом, прогуливаясь под кронами леса за домом. Временами мне кажется очевидным, что идея верна. Действительно, если принять все во внимание, разве может хоть что-то пойти иначе? Я верчу идею в голове так и этак и не вижу, в чем она может быть ошибочной. Иной раз сам себе улыбаюсь. Я говорю себе: «Знаешь, сколько ошибочных идей казались правильными тем, кто над ними работал?»

Сомнения, уверенность, надежды и опасения… В тот вечер мы были счастливы. Хороший день. Шаг в неизведанное. Ради этого и живем.

Часть третья

1

Ни от кого не ускользнет понимание, что ключевой момент в идее Хэла – время: белая дыра – это черная дыра с обращенным временем.

Но возможно ли это на самом деле? Большинство явлений протекают только в одном направлении – их невозможно повернуть назад во времени. Разбитый стакан не склеится, упавшее яйцо не отскочит. Прошлое и будущее – разные вещи.

Описание жизни черной дыры, которое я привожу выше, слишком упрощенное, схематичное – оно не учитывает все, что отличает прошлое от будущего. Для полноты картины мы должны учесть явления, которые невозможно заставить «отскочить», – «необратимые» аспекты жизни черных дыр.

Это нас приводит – в который раз – к вопросам о времени. В чем причина радикального различия прошлого и будущего? Почему мы помним прошлое, а не будущее? Почему мы можем решить, что будем делать завтра, но уже не решаем, что сделали вчера? Ответы на эти вопросы, которые меня завораживают и которым я посвятил последние годы, весьма тонкие и в конечном счете тесно связаны с нами самими.

Давайте по порядку. Я начну с необратимых аспектов жизни черной дыры и попутно расскажу об идущей сейчас среди ученых забавной полемике, а потом перейду к некоторым моментам, связанным с направлением времени, которые я, как мне кажется, понял и которые мне представляются особенно красивыми.

•

В 1974 году Стивен Хокинг сделал неожиданное открытие: черные дыры излучают тепло [39]. Это тоже квантовый туннельный эффект, только попроще отскока планковской звезды. Речь о фотонах, запертых внутри ловушки горизонта, которые не должны быть способны выйти из нее, но все же выходят благодаря скидкам, которые квантовая физика предоставляет всем. Буквально «прокладывают туннель» под горизонтом.

Черная дыра излучает тепло подобно горячей печи, и Хокинг вычислил ее температуру. Вместе с излучением тепла утекает и энергия. Теряя энергию, черная дыра теряет и массу (поскольку масса есть энергия), становится легче, уменьшается в размере – ее горизонт сокращается. Как говорят физики, черная дыра «испаряется».

Тепловыделение – самый характерный признак необратимых процессов (тех, которые протекают только в одном направлении и которые невозможно обратить во времени). Печь выделяет тепло и нагревает холодную комнату, но видели ли вы когда-нибудь, чтобы стены холодной комнаты излучали тепло и нагрели печку? Тепло образуется во всех необратимых процессах. Верно и обратное: всякий раз, когда мы имеем дело с чем-то необратимым, мы фиксируем и тепло (или какой-то его аналог) [40]. Именно тепло отличает прошлое от будущего [41].

Итак, у эволюции черной дыры есть по крайней мере одно необратимое свойство – постепенное сокращение ее горизонта [42].

Учтите, однако, что сокращение горизонта не означает уменьшения размеров внутренней области черной дыры. Уменьшается лишь «входная горловина». Это тонкий момент, который многих сбивает с толку. Излучение Хокинга связано главным образом с горизонтом, а не с глубокими недрами черной дыры. Поэтому у очень старых черных дыр любопытная геометрия: огромная внутренняя область, которая продолжает вытягиваться, и прикрывающий ее крохотный испарившийся горизонт.

Старая черная дыра напоминает стеклянную бутыль в руках искусного муранского стеклодува, который умудряется увеличивать объем бутыли, продолжая уменьшать при этом толщину горлышка.

В момент скачка от черной дыры к белой ее горизонт ничтожно мал, а внутренний объем огромен. В малюсенькой раковине заключены громадные чертоги – совсем как в сказках.

2

В сказках встречаются маленькие хижины, в которых, если войти внутрь, обнаруживаются огромные пространства. Это кажется невозможным, невероятным. Но мы снова ошиблись: такое возможно и в реальности.

Нам это кажется странным. Мы привыкли думать, что у пространства евклидова – то есть обычная «школьная» – геометрия. Но это неверно. Геометрия пространства всегда искривлена гравитацией, и это искривление позволяет заключить безграничный объем в крошечную сферу. Это сильнейшее искривление порождено массой планковской звезды. Из-за испарения входное отверстие сжимается, но огромная внутренняя воронка остается.

Примерно такое же удивление испытывает муравей, всегда живший на ровной площадке и вдруг обнаруживший, что через маленькую щель можно попасть в подземный гараж. Наше изумление дает нам простой урок: не следует слишком доверять интуитивным представлениям – мир разнообразнее и страннее, чем кажется.

То, что в малюсенькой поверхности заключен большой объем, ставило (и ставит) в тупик многих исследователей. Научное сообщество разделилось, разгорелся спор, длящийся по сей день. Расскажу вам о нем.

Эта глава носит скорее технический характер. В принципе, вы можете ее пропустить: она посвящена описанию бурной научной полемики и необходима для более опытных читателей, которые иначе останутся недовольны.

Разногласия связаны с количеством информации, которое можно втиснуть в объект с большим объемом, но малой поверхностью. Часть научного сообщества убеждена, что черная дыра с маленьким горизонтом способна вместить лишь малое количество информации. Другая часть не соглашается.

Что значит «содержать или вмещать информацию»?

Более или менее вот что. В чем содержится больше – в коробке с пятью большими мячами или в коробке с двадцатью маленькими шариками? Ответ зависит от того, что мы имеем в виду под словом «больше». Пять мячей крупнее, больше весят, поэтому в первой коробке больше «материи», больше энергии. В этом смысле «больше» содержится в коробке с мячами.

Но число шариков больше числа мячей. Если, например, мы захотим передавать сигналы, покрасив каждый шарик или каждый мяч в свой цвет, то больше знаков, а значит, и больше информации мы сможем передать с помощью шариков. В этом смысле «больше» содержит коробка с шариками. Вернее, для описания шариков требуется больше информации, чем для описания мячей, потому что число шариков больше.

Выражаясь по-научному, в коробке с мячами содержится больше энергии, а коробка с шариками способна содержать больше информации.

У старой, сильно испарившейся черной дыры мало энергии – она