Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Согласно классической общей теории относительности, не учитывающей квантово-механические эффекты, самым поразительным свойством внутренней области черной дыры служит расположенная в ее центре сингулярность пространства-времени. Роджер Пенроуз, известный физик-теоретик и математик, доказал теорему, согласно которой каждая черная дыра должна содержать сингулярность. Этот результат имеет далеко идущие последствия, причем он справедлив для любой черной дыры, независимо от способа ее образования и всех прочих исторических признаков. Сингулярность — это точка, в которой, грубо говоря, на волю вырываются все демоны ада. В месте нахождения сингулярности в черной дыре плотность вещества становится бесконечной. Под бесконечным мы подразумеваем не просто очень большую величину, а величину, которая действительно больше любого числа, которое вы можете себе представить. Ясно, что в сингулярности должно происходить что-то очень интересное.

Обычно когда физические величины становятся бесконечными в теории, это означает, что что-то пошло сильно не так или что данная теория не является полной. Сингулярность в центре черной дыры возникает потому, что наше понимание физики остается неадекватным при достаточно больших значениях энергии и плотности, или, что эквивалентно, на малых расстояниях. Для огромных значений плотности вблизи предполагаемой сингулярности внутри черной дыры свою роль должны играть квантово-механические эффекты. Однако, несмотря на это, мы не располагаем полным и самосогласованным описанием физических законов, которые одновременно включали бы гравитацию (общую теорию относительности) и квантовую механику. Таким образом, хотя квантовая гравитация явно определяет истинную природу сингулярности, находящейся внутри черной дыры, окончательного описания в настоящее время у нас нет.

Тем не менее в сингулярности может иметь место множество интересных эффектов. Некоторые физики полагают, что эта сингулярность — путь из нашей Вселенной в другие вселенные или, быть может, в какое-то другое место нашей Вселенной. Мы должны с большой осторожностью относиться к тому, что мы подразумеваем под нашей Вселенной и другими вселенными. В данном контексте наша Вселенная — это вся причинно связанная область пространства-времени. Другими словами, будь у вас космический корабль, способный передвигаться со скоростью света, и располагай вы временем для путешествия, равным всему возрасту Вселенной, наша Вселенная содержала бы все места, которые вы в таком случае могли бы посетить. Если бы вы попали внутрь горизонта событий черной дыры, то вы никогда не смогли бы вернуться в нашу Вселенную. Таким образом, горизонт событий являет собой фактическую границу Вселенной. Тем не менее, в принципе, что-то способно отправиться в сингулярность, расположенную в центре черной дыры, и появиться в другой вселенной — вселенной, пространство-время которой связано с нашей Вселенной разве что только в точке сингулярности черной дыры. Таким образом, сингулярности, имеющиеся в черных дырах, могут стать «воротами» в другие вселенные.

Само существование черных дыр в нашей Вселенной непременно означает, что геометрия пространства-времени нашей Вселенной далеко не проста. Помимо кривизны пространства-времени, образуемой в связи с сильной гравитацией черных дыр, горизонты событий служат фактическими границами нашей Вселенной.

Сложность в эпоху черных дыр

С позиций крайнего редукционизма, человеческое существо есть не что иное, как большая совокупность протонов, нейтронов и электронов. Именно из этих трех основных компонентов состоят атомы, которые связываются в молекулы, фантастически сложным образом организованные в клетки, триллионы которых во взаимном сотрудничестве образуют человека. Приблизительно 1029 простых частиц непостижимым образом взаимодействуют друг с другом, создавая систему, которая, судя по всему, является чем-то большим нежели, простой суммой составляющих ее частей.

Наш мир отличается сложностью, потому что гигантские количества протонов, нейтронов и электронов располагали огромным временем для взаимодействия и развития в интересные структуры. Планеты образовались, отложения осели в океанах, а жизнь возникла и развилась потому, что наша Вселенная существует гораздо дольше временных промежутков длиной в наносекунду, необходимых для протекания химических реакций. Если бы мы отправились в далекое прошлое, в эпоху нуклеосинтеза, когда Вселенной было всего несколько минут от роду, нам было бы крайне трудно представить, каким образом практически однородное море, состоящее из ядер водорода и гелия, могло получить возможность образовать что-либо столь же сложное, как простой компьютер, не говоря уже о планетарном обществе, состоящем из пяти миллиардов человек, взаимодействующих в рамках поразительно богатой и разнообразной экосистемы.

Ясно, что многочисленные частицы, которые ведут себя в соответствии с простыми и четко определенными законами, при условии согласованного действия могут образовать очень сложные структуры. Мы хотим вызвать у читателя интерес к идее о том, что в эпоху черных дыр множество черных дыр может принять на себя ту роль, которую в современном нам мире играют протоны, нейтроны и электроны. Возможно ли, при условии наличия достаточного времени, достаточного пространства и достаточного количества черных дыр, развитие действительно сложных структур? Может ли мир, созданный из взаимодействующих черных дыр, существовать в том же смысле, в каком существует наш мир, образованный протонами, нейтронами и электронами? Ответ нам не известен, но, судя по всему, такая возможность не исключена. В частности, мы можем подробно описать, каким образом из взаимодействующих черных дыр можно построить простые аналоговые и цифровые схемы. А имея на руках схемы, можно говорить и о создании компьютеров. А если возможны компьютеры, то, быть может, не заставят себя долго ждать также жизнь и разум.

Компьютеры на основе черных дыр

Как бы фантастично это ни звучало, некоторая совокупность черных дыр, самогравитирующая система, может действовать подобно своеобразному компьютеру. Пускаясь в такие рассуждения, мы обходим стороной один очевидный вопрос: как такой компьютер можно было бы создать на практике. То есть мы не будем размышлять о том, каким образом черные дыры помещаются на требуемые орбиты или как нужно расположить большие массы, чтобы получить необходимые фоновые силы гравитации, сохраняющие конструкцию нашего гипотетического компьютера. Мы покажем в точности следующее: как только соответствующие совокупности черных дыр оказываются в нужной конфигурации, жизнеспособный компьютер на основе черных дыр вполне способен к функционированию. Составляющие нашего предполагаемого и чисто теоретического компьютера, основанного на черных дырах, безусловно, не являются ни самыми эффективными, ни самыми практичными устройствами. И все же если бы из этих составляющих был собран компьютер, он бы заработал.

На самом базовом уровне цифровые компьютеры состоят из трех фундаментальных логических элементов, которые обычно называют вентилями НЕ, И и ИЛИ. Объединяя большие количества этих простых вентилей, выполняющих основные логические операции, можно создать практически неограниченно сложный компьютер.

Логические элементы совершают действия над числами, или, точнее, их представлениями. Любое число можно записать или представить в двоичной форме — в виде последовательности единиц и нулей:

10101010100001101010….

Число сто, к примеру, можно записать как

1100100

Первой проблемой при создании компьютера на основе черных дыр является необходимость представления двоичных чисел с помощью этих самых черных дыр. Быть может, самый простой способ достичь этой цели — использовать последовательность черных дыр, движущихся в космическом пространстве, в качестве строки знаков. Представьте линию, состоящую из пробелов, разделенных постоянными интервалами. Каждый пробел в этой линии может заполнить или не заполнить черная дыра. Если в каком-то конкретном сегменте присутствует черная дыра, то создаваемое нами число имеет в данной позиции единицу (1). С другой стороны, если этот пробел пуст, значит, в данной позиции наше число имеет нуль (0). Чтобы представить число сто, нам понадобится строка из семи пробелов с черными дырами в третьей, шестой и седьмой позициях (считая от первого знака справа). Для представления больших чисел необходимы более длинные строки черных дыр и пробелов.

Теперь, когда мы разобрались с представлениями чисел, мы можем создать логические вентили, которые совершают над этими числами различные операции. В качестве первого примера построим вентиль ИЛИ, который берет в качестве входных данных два числа и создает единый выходной поток. Два входящих числа представлены в двоичной форме и могут быть расположены так, чтобы первые знаки каждого числа оказались рядом. Если хоть одна из входящих цифровых строк имеет в данном месте 1, то выходящий поток тоже имеет в этой позиции 1. Например, допустим, что входящими потоками являются