Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

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[9]: 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.