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

При такой логике удвоение радиуса черной дыры должно увеличивать ее объем в восемь раз, пропорционально должна возрастать и вместимость. Этого, однако, не происходит. Когда черная дыра удваивается в радиусе, ее масса возрастает лишь в два раза, а энтропия — в четыре раза. Вместимость дыры меньше, чем предсказывают теории, основанные на локальности. Это все равно что открыть новый чемодан и обнаружить в нем всего 40 отделений вместо 80 обещанных в магазине. Вы наверняка почувствуете себя обманутым.

Четырехкратное увеличение энтропии означает, что внутренняя сложность дыры возрастает в зависимости не от объема, как предсказывает локальность, а от площади ее горизонта. Фактически увеличение ширины и длины дыры повышает ее вместимость, но дополнительная высота не дает ничего, словно это измерение иллюзорно. Объект выглядит трехмерным, однако ведет себя как двумерный. И то, что справедливо для черных дыр, справедливо и для других мест, поскольку все может превратиться в черную дыру при достаточно сильном сжатии. Пространство словно насмехается над нами. Оно предлагает так много места для вещества, но на деле не содержит его столько, сколько способно вместить. А когда вы пытаетесь наполнить его, то странным образом не можете сделать этого. Возникает вопрос, есть ли здесь пространство на самом деле или это обман вроде зеркальных стен, заставляющих маленькую квартирку на Манхэттене казаться просторным пентхаусом.

•

Обманчивость черных дыр — это уменьшенная версия того, что происходит во вселенных с границей. Опять же, объем пространства может коллапсировать на ее внешней поверхности. Эта догадка не просто уничтожает нашу концепцию пространства, а говорит о том, чем можно заменить ее.

Технически граница и объем эквивалентны и не имеют преимущества друг перед другом. Однако многие физики считают, что они не совсем идентичны, что граница — это фундаментальная реальность, а объем — ее производное. Это предположение известно как «голографический принцип», поскольку граница действует подобно листу пленки, способному создавать трехмерную сцену, аналогичную маленькой серебристой картинке на обратной стороне вашей кредитной карты. Голограмма создает объем потому, что она представляет собой искусно выполненную фотографию, передающую глубину сцены. Аналогичным образом поля на границе пространства размещены так искусно, что могут воспроизвести всю вселенную.

Если бы существовал приз за самую несуразную метафору в физике, то голографический принципмог бы серьезно претендовать на него. Справедливости ради стоит отметить, что он отражает, как измерение пространства вроде бы испаряется. Кроме того, голограммы таинственны. Они заставляют вас воскликнуть: «Ничего себе!» — именно такую реакцию на исчезновение измерения хотели бы видеть физики. Однако непонятно, что фактически означает голографический принцип. Как Вселенная вокруг нас может быть голографической проекцией? Что представляет собой проектор? Главное, думаю, не зацикливаться на мелочах метафоры. Суть в том, что пространство, которое мы наблюдаем, может быть продуктом некоей глубинной структуры. Проходя по комнате, мы не скользим пассивно в уже существующем пространстве. Что-то все время происходит. Работает некий механизм, эдакие вращающиеся колеса в таинственных глубинах природы, который создает впечатление пребывания «здесь» и пребывания «там». Когда вы протягиваете руку за карандашом, а дотянуться до него не можете, что-то мешает вам, создавая нечто, воспринимаемое как расстояние. А стоит задать вопрос, что это за механизм, как мы попадаем на передний край современной физики. «На первый взгляд совершенно непонятно, как это происходит, — говорит Дэниел Кабат, теоретик из колледжа Лемана в Нью-Йорке. — Даже на второй взгляд это непонятно… Физика локальна. Иными словами, мы можем сказать, что разговариваем в этой комнате или что объекты занимают разные, совершенно определенные положения. Понять, как это появляется из подобной концептуальной модели, довольно сложно».

Физики, как и все остальные люди, воспринимают абстрактные понятия через конкретные примеры, а голографический принцип приподнялся над уровнем простого любопытства только тогда, когда Хуан Малдасена представил свою идею AdS/CFT-соответствия. AdS обозначает внутренность более многомерного шара, упрощенного типа ограниченной вселенной. CFT обозначает поверхность этого шара. «Соответствие» означает, что эти две области эквивалентны. Проводя измерения на границе, вы можете понять, что происходит внутри.

Попробуем разобраться, что это означает. Область, где господствует гравитация (описанная эйнштейновской общей теорией относительности и ее квантовой разновидностью), эквивалентна области, где господствуют только негравитационные силы (описанные квантовой теорией поля с калибровочной инвариантностью). Анализ, сделанный Малдасеной, таким образом, приводит к долгожданному объединению этих двух направлений физики, по крайней мере в такой идеализированной шарообразной вселенной. Исторически физики пытались обнаружить единство в результате поиска все более мелких строительных блоков, таких как атомы и частицы. Применяя подход Малдасены, они ищут уже не сущности, которые меньше, а сущности, которые не существуют в одном и том же пространстве.

Я знаю нескольких теоретиков, которых не смущает Малдасена и то, что он сделал (хотя они могут и не соглашаться с тем, что предложенная теоретическая структура имеет отношение к реальному миру). Один из них говорит, что однажды подвозил Малдасену на своем автомобиле и ужасно боялся. Если бы они разбились, то его вспоминали бы только в связи с этим событием. Он вошел бы в историю как человек, убивший Хуана Малдасену.

Используя голографический принцип, теоретики могут понять, какие неизвестные пока виды процессов способны давать начало пространству. Несмотря на обычные научные оговорки насчет того, что требуются дальнейшие исследования и т.п., решение загадок нелокальности уже намечается. Сквозь туман начинают проглядывать очертания горы.

Когда философу Дженанн Исмаэль было 10 лет, ее отец, преподаватель Университета Калгари, купил на аукционе большой деревянный комод. В одном из ящиков Дженанн обнаружила старый калейдоскоп, который привел ее в восторг. Она часами экспериментировала с ним и пыталась понять, как он работает. «Я не сказала сестре о своей находке из опасения, что он ей не понравится», — вспоминает Исмаэль. Стоит повернуть калейдоскоп, и многоцветные узоры начинают расцветать, поворачиваться и сливаться совершенно непредсказуемо вопреки рациональному объяснению, словно они оказывают призрачное воздействие друг на друга. Однако чем больше вы смотрите на них, тем больше регулярности в движении замечаете. Узоры на противоположных концах поля зрения меняются согласованно, а их симметрия подсказывает, что происходит на самом деле: узоры — это не физические объекты, а изображения объектов, кусочков стекла, которые пересыпаются внутри зеркальной трубки. «Это один осколочек стекла, который многократно представлен в различных частях пространства, — говорит Исмаэль. — Если сфокусироваться на более крупном вмещающем частицы пространстве, на физическом описании трехмерного калейдоскопа, то вы получите простую причинно-следственную связь. Есть кусочек стекла, кусочек стекла отражается в зеркалах и т.д.» Если понять, что это реально такое, то калейдоскоп потеряет свою загадочность, хотя и останется восхитительным.