На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда

Когда я наливаю молоко в кофе, оно за короткий промежуток времени растворяется, придавая напитку однотонный оттенок мокко. Почему? Почему бы ему спонтанно не сложиться в слово «Hello»? Потому что в чашке кофе имеется около 1024 молекул и число их конфигураций, соответствующих равномерному цвету мокко, значительно превышает количество конфигураций, соответствующих слову «Hello». Сказать «значительно» – это не сказать почти ничего. Я могла бы сидеть здесь и ждать миллиарды лет, и все равно это было бы недостаточно долго, чтобы мой кофе послал мне горячее приветствие. «Какова вероятность, что молекулы воздуха в моей квартире соберутся в конфигурацию убегающей крысы?» – задалась я вопросом. А как насчет просто хвоста?

Второй закон термодинамики гласит: энтропия никогда не убывает. Это чисто статистическое утверждение, но этого достаточно, чтобы физики считали его законом природы. Он задает нам стрелу времени. Энтропия всегда увеличивается, потому что у состояний с высокой энтропией гораздо большая вероятность, чем у состояний с низкой энтропией. Если энтропия уменьшается – порция молока выделяется из кофе, дым из выхлопной трубы моего автомобиля засасывается обратно в трубу, расколотая чашка собирается по кусочкам обратно, – все это выглядит так, будто кто-то прокручивает время назад.

Но сказать только, что высокое значение энтропии более вероятно, чем низкое, еще не достаточно, чтобы определить стрелу времени. В конце концов, состояние с более высокой энтропией было более вероятным и в прошлом. Статистически энтропия должна быть всегда высокой, а когда она становится достаточно высокой и достигается состояние равновесия цвета кофе с молоком, дальше ей расти уже некуда. В равновесной Вселенной ничего не может произойти, лишь редкие статистические флуктуации, раз в несколько миллиардов лет. Но мы не живем в равновесии. Мы живем в мире, в котором постоянно что-то происходит. В мире, где энтропии по-прежнему есть куда расти. Чтобы получить стрелу времени, необходимо допустить, что по некоторым неизвестным нам причинам Вселенная образовалась в чрезвычайно маловероятном состоянии с низким значением энтропии. Молоко растворяется в утреннем кофе потому, что 13,7 млрд лет назад Вселенная образовалась в очень маловероятной конфигурации. Завтрак имеет космическое значение. Больше нет загадки, связанной со стрелой времени; зато появилась загадка, откуда столь невероятное состояние у Вселенной в момент запуска?

Когда я впервые услышала вопрос об этом загадочном низкоэнтропийном старте, он показался мне абсурдным. А как быть с космическим микроволновым фоном? Это снимок Вселенной, полученный почти в самом начале ее эволюции, и он показывает, что Вселенная была идеально гладкой, с неоднородностью порядка одной стотысячной. Это, конечно, на мой взгляд, вполне выглядело равновесием. Я полезла в книги за разъяснениями и в конце концов нашла одно. Низкое значение энтропии в начале времен – это не про термодинамическую энтропию, это про энтропию гравитационную. Для большого размера термодинамическая энтропия не так важна. Важна гравитация. А у гравитационной энтропии своя стрела времени, повернутая совсем в другую сторону, в противоположную. С гравитационной точки зрения, однородная Вселенная как раз созрела для комкования. Сила гравитации всегда притягивает, поэтому состояние без комков чрезвычайно маловероятно. Если бы гравитации дать волю, то вся Вселенная превратится в гигантскую черную дыру – состояние гравитационного равновесия.

Космическая стрела времени зависит от гравитационной энтропии, но когда я попыталась разобраться в этом вопросе глубже, я обнаружила, что физики, по сути, не знали, что такое гравитационная энтропия. Если энтропия – это мера отсутствия информации о микросостояниях, то какая микроскопическая информация закодирована в гравитации? Конечно, если бы физики знали ответ на этот вопрос, то есть если бы они знали микроскопическое строение гравитационного поля, – они бы больше не думали о стреле времени. Они бы обнаружили квантовую гравитацию.

Но есть одно место, где гравитационная энтропия вполне определена. Это горизонт событий черной дыры. Я вдруг поняла, что тут есть что-то поразительное, какой-то скрытый смысл. Я еще не знала, как его искать, но уже знала, что нашла тему для диплома.

Эйнштейн обнаружил, что масса и энергия искажают пространство, но он не ожидал, что найдутся такие места, где пространство замыкается само на себя, как змея, укусившая себя за хвост. Когда в массивной звезде выгорает топливо и она схлопывается под собственным весом, гравитация запускает необратимый процесс коллапса звезды. Становясь все плотнее и плотнее, звезда проваливается внутрь себя и прорывает самое ткань пространства-времени. Процесс подобен цепной реакции, и когда он заканчивается, пространство и время становится не узнать. Уилер придумал название для того, что получается, – черная дыра.

Черные дыры сводят вместе три столпа физики – общую теорию относительности, квантовую теорию, термодинамику, – чтобы они показали, на что каждый из них способен. Когда охотишься за окончательной реальностью, в черную дыру стоит заглянуть. Тут рвутся пространство и время, начинается и кончается Вселенная. Это то место, где из осколков восстанавливаются симметрии. В ее центре таится сингулярность, место, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а физика превращается в патологию. Так как радиус пространственно-временной кривизны устремляется вниз, к планковской длине, привычная физика, как мы знаем, отступает, обнажая terra incognita, пересечь которую способна только теория квантовой гравитации.

Учитывая сходство сингулярности черных дыр с сингулярностью в момент рождения Вселенной, я всегда считала, что черные дыры наиболее интересны именно наличием у них сингулярности. Я была неправа. Я довольно быстро выяснила, что по-настоящему интересные события происходят на внешней стороне черной дыры, на горизонте событий. Горизонт событий – это гравитационная точка невозврата, поверхность пространства-времени, где хватка сил гравитации точно уравновешивает скорость света. Это поверхность, на которой лучи света застыли на месте под действием силы тяжести. Для наблюдателя вне черной дыры горизонт событий – это своего рода космическая стена. Поскольку свет не может пройти сквозь нее, то наблюдатель никогда не сможет увидеть что-либо на другой ее стороне. При любых намерениях и целях можно считать, что у нее просто нет другой стороны. Другая сторона принципиально и во веки веков недостижима – что бы за ней ни происходило, это не может иметь никакого физического воздействия на внешний мир. Это то, что делает черную дыру черной. Горизонт событий разрезает мир на части.

Горизонт – это дверь на одну сторону: в нее можно войти, но никак не выйти. Для физиков тут огромная проблема. Это означало, что энтропия может в нее войти и никогда не выйти, а тогда энтропия Вселенной за пределами черной дыры будет уменьшаться. Непонятно, как быть со стрелой времени.

Первый шаг к решению проблемы был сделан в 1970 году, когда Стивен Хокинг готовился ко сну. Вдруг Хокинг понял: из требования стабильности горизонта событий следует, что площадь горизонтов событий никогда не может уменьшаться. Если материя или излучение поглотились в черной дыре, образующие его лучи света не могут сходиться, они обязательно должны двигаться либо параллельно, либо прочь друг от друга. А поэтому площадь горизонта событий неизбежно вырастет, и если две черные дыры сольются, площадь горизонта новой черной дыры должна быть равной или большей, чем сумма исходных двух.

Площадь горизонта событий никогда не может уменьшаться. Когда Яакоб Бекенштейн, один из студентов Уилера в Принстоне, услышал про эту теорему Хокинга, он не мог не заметить разительное сходство со вторым законом термодинамики. Могли ли они быть связаны? Это была только догадка, но он знал, что это еретическая мысль, и он, возможно, выбросил бы ее из головы, если бы не Уилер.