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

В конце 1960-х годов Роджер Пенроуз интенсивно искал математическим путем пример коллапса, в результате которого рождается голая сингулярность. Его поиски оказались напрасными. Как только в его уравнениях возникала сингулярность в результате коллапса, вокруг нее тут же появлялся горизонт событий. Пенроуза это не удивляло. В конце концов, если должна была образоваться голая сингулярность, разумно было ожидать, что непосредственно перед ее образованием из ее окрестностей может излучаться свет; а если свет может покидать ее пределы, то это может делать и вещество, схлопывающееся в сингулярность. Если же вещество может покидать окрестности сингулярности, то его огромное внутреннее давление обязательно заставит его это сделать, в результате чего направление взрыва изменится на противоположное, в принципе препятствуя образованию сингулярности. Так получалось. Но математические преобразования Пенроуза, и не только его, не могли с уверенностью доказать эту точку зрения.

В 1969 г. Пенроуз, убежденный в том, что голые сингулярности появиться не могут, но не способный доказать это, предложил следующую догадку — гипотезу космической цензуры. Никакой коллапсирующий объект никогда не может создать голую сингулярность; если сингулярность образуется, она должна быть окружена горизонтом событий, так что мы во внешней Вселенной не сможем ее увидеть.

Члены физического «истеблишмента» — физики уровня Джона Уилера, чьи точки зрения являются наиболее влиятельными, — приняли понятие космической цензуры, как почти наверняка правильное. Тем не менее, почти четверть столетия спустя, космическая цензура остается недоказанной. Последние компьютерные расчеты коллапса сильно несферических звезд предполагают, что эта концепция даже может быть неправильной. В соответствии с этими расчетами, проведенными Стюартом Шапиро и Саулом Тьюкольски из Корнельского университета, в результате некоторых коллапсов могут возникнуть голые сингулярности. Могут. Не возникнут, а только могут.

Представителем физической элиты ныне является Стивен Хокинг, а мы с Джоном Прескиллом (моим коллегой из Калифорнийского технологического института) любим немного пощипать эту элиту. В 1991 г. мы с Прескиллом заключили с Хокингом пари (рис. 13.8). Мы держали пари на само существование космической цензуры и утверждали, что голые сингулярности могут образовываться в нашей Вселенной. Хокинг держался противоположного мнения и утверждал, что голых сингулярностей быть не может.

Всего через четыре месяца после заключения этого пари Стивен Хокинг сам нашел математическое свидетельство (но не твердое доказательство), что после завершения испарения черной дыры (глава 12) она не может полностью исчезнуть, как он ранее предполагал. Вместо этого от черной дыры может остаться крошечная голая сингулярность. Хокинг объявил об этом результате Прескиллу и мне частным образом, через несколько дней после своего открытия, на обеде у Прескилла. Однако когда мы с Прескиллом заявили ему о его проигрыше, он отказался признать свое поражение, прикрываясь словесным крючкотворством. Он настаивал на том, что пари было ограничено только голыми сингулярностями, образование которых управляется законами классической (т. е. не квантовой) физики, включая законы общей теории относительности. Однако испарение черных дыр — это квантово-механическое явление и управляется не законами классической общей теории относительности, а законами квантовых полей в искривленном пространстве-времени. Поэтому любая голая сингулярность, которая может явиться результатом испарения черной дыры, находится за пределами нашего пари. Что тут можно сказать? Правильно! Тем не менее, голая сингулярность, как бы она не возникала, стала бы костью в горле нашего физического истеблишмента!

Хотя мы любим заключать пари, но предметы спора чрезвычайно серьезны. Если голые сингулярности могут существовать, то только плохо понимаемые нами законы квантовой гравитации могут нам поведать, как они себя ведут, что они могут натворить в пространстве-времени в ближайшей окрестности и может ли их воздействие иметь большое влияние на Вселенную, в которой мы живем. Так как голые сингулярности, если они могут существовать, способны оказывать сильное влияние на нашу Вселенную, мы очень хотим понять, осуществляется ли космическая цензура и что предсказывают законы квантовой гравитации по поводу поведения этих сингулярностей. Борьба, которая нам предстоит, не будет ни быстрой, ни легкой.

14 ЧЕРВОТОЧИНЫ И МАШИНЫ ВРЕМЕНИ[133]

глава, в которой автор пытается проникнуть в суть физических законов и задается вопросом: могут ли высокоразвитые цивилизации построить в гиперпространстве тоннели для быстрого межзвездного сообщения и машины для путешествий во времени?

Закончился 1984/85 академический год. Я провел свой последний семинар и отдыхал в кресле, чувствуя, как постепенно снижается содержание адреналина в крови. Зазвонил телефон. Это был Карл Саган, астрофизик из Корнельского университета и мой друг. «Извини, что беспокою тебя, Кип, — сказал он. — Я сейчас кончаю писать книгу о первом контакте человеческой расы с внеземной цивилизацией и немного беспокоюсь. Я хочу, чтобы научные данные выглядели как можно достовернее, и боюсь, что мог кое-что напутать в физике по поводу гравитации. Не можешь ли ты взглянуть на роман и дать мне совет?» Конечно, я согласился. Это обещало быть интересным, потому что Карл — умный человек. Возможно, это даже будет забавно. Кроме всего прочего, как мог я отклонить просьбу друга?

Спустя две недели я получил книгу. Это была рукопись в три с половиной дюйма толщиной, напечатанная с двойным интервалом. Я сунул эту рукопись в сумку и бросил ее на заднее сиденье машины Линды. Линда — моя бывшая жена. Она подвозила меня из Пасадены в Санта-Круз. Мы с ней и с нашим сыном Бретом ехали навестить нашу дочь Карес, которая как раз кончала колледж.

Линда и Брет попеременно вели машину, а я читал и предавался своим размышлениям. Мои близкие уже привыкли к такому моему поведению; они прожили со мной много лет. Книга была интересной, но у Карла, по моему разумению, были трудности. Его героиня Элеанора Эрроувэй нырнула в черную дыру около Земли, пропутешествовала через гиперпространство подобно тому, как это изображено на рис. 13.4, и через час вынырнула возле Веги, в 26 световых годах от Земли. Карл, который не очень силен был в теории относительности, не был знаком с расчетами[134]: путешествие через гиперпространство из ядра черной дыры в другую часть нашей Вселенной невозможно. Любую черную дыру непрерывно бомбардируют слабые электромагнитные флуктуации вакуума вкупе с малыми дозами излучения. Когда эти флуктуации и излучения попадают в черную дыру, они ускоряются ее гравитацией до огромных энергий и затем проливаются «взрывным» дождем на любую встречную «маленькую закрытую вселенную» или «туннель», или другое средство сообщения, с помощью которого кто-то мог бы попытаться перепрыгнуть через гиперпространство. Расчеты недвусмысленно показывали: любое приспособление для путешествия через гиперпространство разрушается «взрывным» дождем до начала этого путешествия. Сюжет книги Карлу надо было менять.

На обратном пути из Санта-Круз к западу от Фресно на 5-й автостраде у меня мелькнула идея. Может, Карлу будет достаточно заменить свою черную дыру червоточиной в гиперпространстве?

* * *

Червоточина — это гипотетический кратчайший путь между удаленными точками во Вселенной. У нее есть два входа, которые называются «устьями»: один, например, возле Земли, а другой на орбите возле Веги в двадцати шести световых годах. Устья соединены друг с другом туннелем через гиперпространство (червоточиной), который может быть длиной всего лишь один километр. Если мы войдем в околоземное устье, мы окажемся в туннеле. Пропутешествовав всего лишь один километр по туннелю, мы достигнем другого «устья» и вынырнем возле Веги в двадцати шести световых годах от Земли. (Таково измеренное расстояние между Землей и Вегой во внешней Вселенной.)