Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

* * *

Но законы квантовой механики не согласны с таким развитием событий. Они запрещают существование всякого рода бесконечностей. Очень близко к сингулярности (по крайней мере, как мы понимаем это сейчас, в 1993 г.) законы квантовой механики сливаются с законами общей теории относительности Эйнштейна и полностью изменяют «правила игры». Новые правила называются квантовой гравитацией.

Астронавт уже мертв, части его тела тщательно перемешаны, а атомы, из которых он состоял, искажены до неузнаваемости. Именно тогда квантовая гравитация вступает в силу. Но ничего еще не бесконечно. «Игра» продолжается.

Когда же именно квантовая гравитация вступает в силу и как она это делает? Как мы это понимаем в 1993 г. (а наше понимание достаточно одностороннее), законы квантовой гравитации начинают действовать, когда осциллирующие приливные силы гравитации (пространственно-временная кривизна) становятся такими большими, что они полностью деформируют все объекты за 10-43 с или еще быстрее.[131]Затем квантовая гравитация радикально меняет характер пространства-времени. Она разрывает связь пространства и времени. Она отрывает пространство и время друг от друга, затем разрушает время как понятие и разрушает определенность пространства. Время перестает существовать. Мы больше не можем сказать: «Это произошло до того», потому что без времени нет и понятия «до» и «после». Пространство, вернее то, что когда-то было объединенным пространством-временем, превращается в случайную вероятностную пену.

До разрыва (т. е. вне сингулярности) пространство-время напоминает кусок дерева, насыщенный водой. В этой аналогии дерево представляет собой пространство, а вода — время. И обе категории (дерево и вода; пространство и время) тесно переплетены и объединены. Сингулярность и законы квантовой гравитации, которые ею управляют, подобны огню, в который брошен такой влажный кусок дерева. Огонь выпаривает из дерева воду, и оно становится одиноким и незащищенным. В сингулярности законы квантовой гравитации разрушают время, и пространство остается одиноким и незащищенным. Огонь затем превращает дерево в пену из хлопьев и пепла; законы квантовой гравитации превращают пространство в случайную, вероятностную пену.

Именно из такой случайной, вероятностной пены и состоит сингулярность, а пеной управляют законы квантовой гравитации. В этой пене пространство не обладает никакой определенной формой (т. е. никакой определенной кривизной или даже топологией). Просто существует та или иная вероятность для той или иной кривизны или топологии. Например, внутри сингулярности может существовать вероятность 0,1 % того, что кривизна и топология пространства имеют форму, показанную на рис. 13.7а; вероятность 0,4 % — форму, показанную на рис. 13.76; вероятность 0,02 % — форму, показанную на рис. 13.7в; и т. д. Это не означает, что пространство проводит 0,1 % своего времени в форме (а), 0,4 % — в форме (б) и 0,02 % — в форме (в), потому что внутри сингулярности нет такого понятия, как время. Более того, так как там нет времени, совершенно бессмысленно спрашивать, принимает ли пространство форму (б) «до» или «после» того, как оно принимает форму (в). Единственный вопрос, который имеет смысл по поводу сингулярности: «какова вероятность того, что пространство, из которого вы состоите, имеет форму (а), (б) или (в)?» Ответы будут, соответственно, 0,1 %, 0,4 % и 0,02 %.

13.7. Квантовая пена в сингулярности внутри черной дыры. Геометрия и топология пространства имеют не определенный, а вероятностный характер. Пространство может иметь форму: (а) с вероятностью 0,1 %; (б) с вероятностью 0,4 %; (в) с вероятностью 0,02 %; и т. д.

Поскольку сингулярность разрешает существование всех мыслимых, даже самых диких, кривизн и топологий внутри себя, говорят, что сингулярность состоит из вероятностной пены. Джон Уилер первым ввел понятие квантовой пены как состояния пространства, когда им управляют законы квантовой гравитации.

Итак, резюмируем. В центре черной дыры, в той области пространства-времени, где осциллирующие приливные силы Белинского — Ха-латникова — Лифшица достигают своего пика, остается сингулярность, та область, в которой время больше не существует, а пространство превратилось в квантовую пену.

С одной стороны, законы квантовой гравитации должны управлять вероятностями возникновения той или иной кривизны и топологии внутри сингулярности черной дыры. С другой стороны, они, предположительно, определяют вероятности того, что из сингулярности возникнут «новые вселенные», т. е. возникнут новые, классические (не квантовые) области пространства-времени; в том же самом смысле, как из сингулярности Большого взрыва возникла наша Вселенная примерно пятнадцать миллиардов лет назад.

Насколько вероятно то, что сингулярность черной дыры даст начало «новым вселенным»? Мы не знаем. Это может никогда не произойти или это может быть обычным явлением; или же мы находимся на неверном пути, когда полагаем, что сингулярности состоят из квантовой пены.

Ясный ответ мы можем получить в течение двух ближайших десятилетий. Сейчас над этой проблемой усиленно работают Стивен Хокинг, Джеймс Хартл и другие ученые. Эта работа происходит на основе «фундамента», заложенного Джоном Уилером и Брюсом де Виттом.[132]

* * *

Почти все во Вселенной меняется со временем. Звезды потребляют свое горючее и умирают; Земля постепенно теряет свою атмосферу, испаряя ее в космическое пространство, и, в конце концов, превратится в безвоздушную мертвую планету; а мы, люди, покрываемся морщинами и мудреем.

Приливные силы глубоко внутри черной дыры, возле ее сингулярности, не являются исключением. Они тоже должны меняться со временем, как следует из расчетов, проделанных в 1991 г. Вернером Израэлем и Эриком Пуассоном из Университета Альберты, а также Амосом Ори, «постдоком» из моей группы в Калифорнийском технологическом институте (на основе работы Андрея Дорошкевича и Игоря Новикова). Внутренние приливные силы только что родившейся черной дыры испытывают сильные и хаотические осцилляции БХЛ-типа (рис. 13.6). С возрастом черной дыры хаотические осцилляции становятся более «ручными» и мягкими и постепенно исчезают.

Например, если в сердцевине квазара только что родилась черная дыра с массой 10 миллиардов солнечных масс, и в нее начал падать астронавт всего через несколько часов после ее рождения, он будет разорван на части бешено осциллирующими приливными БХЛ-силами. Однако второй астронавт, который подождет день-другой и только затем нырнет внутрь, встретится с гораздо более мягко осциллирующими приливными силами. Приливное растяжение и сжатие все еще будут достаточно большими и убьют второго астронавта. Но поскольку они более мягкие, чем накануне, второй астронавт проживет дольше и успеет до своей смерти ближе подойти к сингулярности. Третий астронавт, который благоразумно подождет со своим путешествием несколько лет, встретит еще более «благодушный» прием. В соответствии с расчетами Израэля, Пуассона и Ори, приливные силы, окружающие сингулярность, станут к этому времени такими «ручными», что астронавт вряд ли вообще почувствует их. Он выживет почти неповрежденным и доберется до самого края вероятностной квантово-гравитационной сингулярности. Только на краю этой сингулярности, когда он столкнется лицом к лицу с законами квантовой гравитации, он погибнет. И мы даже до конца не узнаем, погибнет ли он, поскольку мы все еще не понимаем законы квантовой гравитации и их следствия.

Это старение внутренних приливных сил черной дыры не является неумолимым. При падении вещества и излучения (или астронавтов) в черную дыру они будут подпитывать приливные силы, как брошенный льву лакомый кусочек мяса подпитывает хищника. Осциллирующие возле сингулярности растяжение и сжатие при подпитке станут на некоторое время сильнее, а затем вновь успокоятся.

* * *

В конце 1950-х и даже еще в начале 1960-х годов Джон Уилер мечтал о том, что люди однажды смогут проникнуть в сингулярность и увидеть воочию, как работают законы квантовой гравитации; проникнуть туда не только с помощью математики и моделирования на компьютере, но и с помощью реальных физических наблюдений и экспериментов. Оппенгеймер и Снайдер разбили вдребезги эту надежду (глава 6). Они обнаружили, что вокруг коллапсирующей звезды образуется горизонт событий, который скрывает сингулярность от внешнего наблюдателя. Если мы всегда остаемся снаружи горизонта, то почувствовать сингулярность нет никакой возможности. А если мы нырнем под горизонт событий громадной старой черной дыры и проживем достаточно долго для того, чтобы встретиться лицом к лицу с квантово-гравитационной сингулярностью, то не будет существовать способа сообщить об этой встрече на Землю. Наше сообщение не выйдет за пределы черной дыры. Горизонт событий его не выпустит.