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

Теоретики, которые достигли зрелости в 1990-х гг., вроде Фотини Маркопоулоу, сочли такую аргументацию неубедительной. Разве может самое грандиозное предприятие всей теоретической науки — объединение физики — иметь такие мизерные последствия для мира в целом? Маркопоулоу и другие теоретики пришли к мысли о том, что наши традиционные представления о пространстве разрушаются не только в глубине частиц, но и в макромире на миллионах километров открытого космоса, а также, не исключено, даже в масштабе наблюдаемой Вселенной. «Если квантовая гравитация является таким фундаментальным явлением, как мы думаем, если она связана с самой структурой пространства-времени, то, на мой взгляд, ее проявление не должно быть слишком маленьким», — говорит Маркопоулоу.

В ее словах есть доля истины. Атомы вещества тоже довольно малы, но мы постоянно видим факты, указывающие на их существование. Например, материалы, состоящие из атомов, могут трансформироваться: графит может превращаться в алмаз, не говоря уже о соединении с другими атомами и образовании различных химических веществ. По аналогии, если пространство состоит из атомов, то, само собой разумеется, эти атомы могут перестраиваться и образовывать нечто иное, чем пространство. Такая трансформация ни в коей мере не должна быть ничтожной.

Хотя физики нередко называют квантовую механику теорией микромира, они допускают, что это ложь во спасение. Именно из этого, возможно, исходили их предшественники, создававшие теорию, однако такой подход не отражает нынешние представления. Насколько люди могут сегодня судить, квантовая механика — это теория мира, точка. Экспериментаторы пока что не определили диапазон размеров, где природа перестает вести себя квантово-механически. Тело человека такое же квантовое, как и электрон. Вы не увидите рядом с собой людей, выделывающих такие квантовые трюки вроде одновременного существования и несуществования. Но это связано не с тем, что они большие как таковые, а с тем, что тело человека — незамкнутая система, интенсивно взаимодействующая с окружающей средой, которая рассеивает явные квантовые эффекты, как ветер рассеивает парашютики одуванчиков. При определенных условиях такие эффекты можно увидеть невооруженным глазом. (Экспериментаторы пока не могут увидеть это в случае с человеком, однако наблюдают, например, миниатюрные камертоны, одновременно вибрирующие и невибрирующие.) Все это должно быть справедливым и для пространства-времени.

Поскольку черные дыры являются местом средоточия и квантовых эффектов, и гравитации, они служат олицетворением квантовой гравитации. Речь больше не идет о крошечных атомах. Это монстры, которые могут проглотить Солнечную систему. Самое очевидное место проявления квантовых гравитационных эффектов — центр этих объектов, где материя настолько плотно упакована, что наталкивается на предел плотности, налагаемый атомарной структурой пространства. Однако периметр дыры создает свои проблемы, вроде открытого Хокингом парадоксального поведения, которое сигнализирует о нарушении локальности в больших масштабах, как и в малых. «Когда-то в области гравитации считали, что реальным объектом для беспокойства является сингулярность, — говорит Гиддингс. — Однако сейчас, с информационным парадоксом, любопытные вещи должны происходить на горизонте. Фокусирование внимания на сингулярности и происходящем на коротких расстояниях оказалось неоправданным. Интересно и происходящее на больших расстояниях».

Различные типы нелокальности, о которых я говорю, сходятся в черных дырах. Например, парадокс Хокинга связан с квантовой запутанностью, которую физики начали исследовать лишь недавно. Общая теория относительности говорит, что черная дыра — не материальный объект вроде звезды или планеты. Это в основном вакуум — пустота. Горемыка, попавший в нее, увидит только пустое пространство. Тем не менее за невзрачным фасадом кроется бешеная активность. В соответствии с квантовой теорией поля вакуум может быть лишен частиц, но не всего остального — в нем присутствуют поля, успокоенные, правда. Суперзапутанность всех областей пространства приводит к тому, что колебания полей полностью взаимно подавляются, оставляя лишь тревожную тишину вроде той, что слышна в наушниках с шумоподавлением — не столько отсутствие звука, сколько активное представление его.

Если что-то нарушает баланс, то скрытая активность вакуума вырывается наружу. И это происходит на глазах у мудрого наблюдателя, который удерживается от падения в черную дыру. По отношению к человеку, который падает в нее, внешний наблюдатель должен поддерживать ускорение в наружном направлении, например усиливая тягу реактивного двигателя, которая преодолевает гравитационное засасывание. По логике теории относительности для человека в ракете время будет течь иначе, чем для падающей внутрь жертвы, иначе будут колебаться и поля, поскольку колебание — процесс, происходящий во времени. В действительности он не будет думать, что поля исчезают. Поля не успокаиваются; частицы летят во всех направлениях. Некоторые вылетают в открытое пространство, унося энергию из дыры до тех пор, пока она не прекратит существование. Этот наблюдатель снимает наушники с шумоподавлением и слышит рев, который является оборотной стороной безмолвия.

Это еще не парадокс, а просто новое воплощение идеи Хокинга о разрушении черных дыр. Реальный вопрос таков: что происходит с объектами, которые проваливаются в черную дыру? Гибель дыры должна приводить к их освобождению, но как? Возможно, они вырываются в виде тех вылетающих частиц. Если собрать такие частицы и сложить их вместе, то, может быть, удастся восстановить все объекты, поглощенные дырой. Для этого частицы должны быть запутанными друг с другом так, чтобы коллективно они сохраняли все свойства всего попавшего в дыру. В этом-то и загвоздка. Мы хотим, чтобы запутанность выполняла двойную обязанность: сохраняла пустоту вакуума, воспринимаемую падающим внутрь наблюдателем, и одновременно хранила память о жертвах дыры. Возможно, это чересчур. Запутанность — ограниченный ресурс, во многом такой, как энергия, и ее, по всей видимости, недостаточно для выполнения обеих задач. Либо дыра — это не вакуум (в этом случае общая теория относительности несправедлива), либо падение в дыру необратимо (в этом случае квантовой теории поля конец). Теоретики ищут выходы из этой ситуации, например, предполагают, что запутанность можно структурировать и таким образом сбалансировать обе потребности. Если это не удастся, для выхода из тупика потребуется новая физика — нелокальные эффекты, которые превратят дыру в улицу с двусторонним движением или уничтожат разницу между внутренним и внешним пространством. «Это означает жесткое крушение локальности», — говорит Полчински.

Еще одна головоломка возникает, когда вы спрашиваете, как дыра хранит попавшие в нее объекты (или части, на которые она разрывает их) до момента высвобождения. Дыра должна расти, чтобы вместить эти объекты, а она не растет в той мере, какую предполагает локальность. Черные дырыдолжны быть похожи на чемоданы. Представьте, что у вас есть старый чемодан с 10 отделениями, каждое из которых вмещает пару носков, а потом вы покупаете новый чемодан в два раза больше по размерам и в восемь раз больше по объему. Вы ожидаете, что в новом чемодане будет 80 отделений и что он вместит 80 пар носков. В этом контексте локальность означает, что индивидуальные отделения будут иметь тот же размер, а в новом чемодане их просто будет больше. Преимущество заключается не просто в том, что вы можете уложить в него больше одежды, а в том, что эта одежда будет более разнообразной. Физики говорят, что более внушительный чемодан имеет более высокую энтропию. Энтропию обычно описывают как неупорядоченность, однако ее можно представить и как потенциал разнообразия, т.е. разнообразие путей, которыми можно упаковать чемодан без перегруза, без разбухания и других изменений внешнего вида.