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

Я всегда считала эффект Казимира удивительным, потому что он демонстрирует физический механизм работы вакуума, видимый теперь невооруженным глазом. Когда вы говорите о возбужденном состоянии вакуума, это звучит как-то эзотерически и очень теоретически, но когда на ваших глазах две медные тарелки вдруг схлопываются вместе, будто в руках музыканта он вдруг становится очень реальным.

При наличии черной дыры – теперь это становится очевидно – горизонт событий, как и металлическая пластина в опыте Казимира, реструктурирует вакуум. Достаточно ввести горизонт событий в некоторой области пространства-времени, и набор гармоник фурье-разложения вакуумных флуктуаций окажется ограниченным. Это приводит к изменению энергии вакуума, а с ним и вакуумных флуктуаций, в результате рождаются частицы, которых иначе здесь бы не было. Это хокинговы частицы, представленные во всем своем многообразии, от фотонов до кварков. Это частицы, рожденные из ничего в результате создания новых границ в пространстве и времени.

Но размышляя об этом, я пришла к выводу, что эта аналогия нелепа. Я хочу сказать, что горизонт событий кое в чем принципиально отличен от металлической пластины: например, пластину не получится пройти насквозь, а пересечь горизонт событий и прямо упасть в черную дыру не составит большого труда. Как могло получиться так, что горизонт оказался достаточно реальным, чтобы реструктурировать вакуум, и одновременно достаточно прозрачным, чтобы частицы могли беспрепятственно проходить сквозь него?

Этот вопрос не давал мне покоя в течение недели. Как, впрочем, и снующие квантовые крысы. Днем, сидя гордо за своим столом в редакции журнала, я углублялась в свои исследования и пыталась найти ответ на этот вопрос. И я быстро поняла, что самый мощный научно-исследовательский инструмент, оказавшийся в моем полном распоряжении, – это официальный адрес электронной почты журнала New Scientist. Этот инструмент поистине творил чудеса. Когда я не могла самостоятельно разобраться в чем-то, я отсылала мой вопрос какому-нибудь физику. О, привет, знаменитейший физик! Я редактор журнала New Scientist, и я собираюсь написать статью на случайно выбранную тему о черных дырах, или о квантовой теории поля, или еще о чем-нибудь и хотела бы получше разобраться в предмете. Могла бы я вас побеспокоить, чтобы вы объяснили мне некоторые вещи? Я нажимаю кнопку «Отправить» и в течение дня или двух получаю подробные ответы на все вопросы, которые не давали мне покоя. Это было похоже на волшебство. Конечно, это тоже работало, когда я была просто «научным журналистом» на фрилансе с адресом почты на AOL, но когда я стала «редактором» в крупном научном журнале, это перешло на совершенно другой уровень. Иногда я просто не могла поверить в свою удачу.

Мало-помалу я разобралась со странными свойствами горизонтов событий. Эйнштейн показал, что в зависимости от системы отсчета наблюдатели возможны двух типов: те, которые перемещаются равномерно, и те, которые ускоряются. Различие между ними становится принципиальным, когда речь заходит о черной дыре. Важно знать, к какому типу наблюдателей принадлежите вы сами. Наблюдателю, движущемуся с ускорением, удается ускользнуть от черной дыры и остаться вне горизонта событий. Он ускоряется, потому что гравитация тянет его назад, и ему приходится бежать все быстрее и быстрее, только чтобы выбраться из этого ада. Про себя я дала ему имя Сэйф[33]. Инерциальный наблюдатель не так удачлив. Он падает, погружаясь за горизонт, вниз, в темные глубины черной дыры. Если вы не ускоряетесь, вам не удрать от гравитации. У инерциального наблюдателя судьба предрешена. Я назвала его Скрудом[34].

Для Сэйфа горизонт событий обладает набором экстремальных физических свойств. Ему присущи все странные эффекты теории относительности: вблизи горизонта световые волны растягиваются самым немыслимым образом, время замедляется настолько, что ему угрожает полная остановка. Но не только время останавливается на горизонте, пространство тоже. Горизонт означает конец реальности. И поскольку его площадь пропорциональна энтропии, горизонт горяч настолько, что готов испарить все, что к нему приближается, не оставив ничего, кроме пепла, развеиваемого излучением Хокинга.

Но Скруд ничего этого не видит. Даже горизонт для него вовсе не существует. Если черная дыра достаточно велика, он проходит горизонт насквозь, не замечая ничего. Он не видит ни растянутых световых волн, ни замедления времени, ни границ пространства. Он не чувствует тепла. Он не видит излучения Хокинга. Скруд не видит ничего, кроме обычного пустого пространства.

Эти два парня осматривают одну и ту же область Вселенной, и один видит пустое пространство, а другой видит частицы? Это было так странно, что я чуть не сломала голову, размышляя над этим. Что-то с реальностью пошло не так. И вдруг я поняла, что именно было не так.

От: Аманда Гефтер

Кому: Уоррен Гефтер

Тема: О боже мой!!!

Частицы Хокинга зависят от наблюдателя! Они не инвариантны! Ускоренные наблюдатели, находящиеся вне черной дыры, видят их; инерциальные, падающие в дыру, – нет. Частицы рождаются горизонтом, а для наблюдателей, падающих в черную дыру, горизонт не существует. Если бы это было не так, то они бы туда не падали! Они не видят ни горизонта, ни какой-либо скрытой информации, ни энтропии, ни температуры, ни частиц Хокинга. Для них состояние вакуума совсем другое, и эти два состояния не связаны между собой преобразованиями Лоренца – они несоизмеримы. В приложении к письму ты найдешь десяток статей на эту тему для тебя: читай и получай удовольствие!

Материя, зависящая от наблюдателя! Это умопомрачительно, верно? Такого не бывает в обычной физике… как в теории относительности, так и в квантовой механике. Возможно, найдутся наблюдатели, которые не согласны по поводу некоторых свойств частиц, но все они сходятся к единому мнению об их существовании. Горизонт событий отменяет все это. Некоторые наблюдатели считают пространство пустым, а другие видят в нем частицы. Некоторые наблюдатели не видят ничего, другие что-то видят. Это безумие! И почему никто и никогда не говорил об этом? Всякий раз, когда вы слышите об излучении Хокинга, вам будто бы говорят: о! черные дыры-то на самом деле вовсе не черные! Будто бы это и есть самое главное. А как насчет того, что материя на самом деле не реальна?!

От: Уоррен Гефтер

Кому: Аманда Гефтер

Тема: RE: О боже мой!!!

Ну, я думаю, ты нашла, о чем написать в своей дипломной работе! Это поистине удивительно. Я никогда не понимал всей глубины открытия Хокинга. Но разве излучение черных дыр это не специфическая и крайне редкая ситуация? Правильно ли применять это к материи в целом?

Я тоже раньше не понимала глубины открытия Хокинга. В глубине души у меня всегда таились подозрения, что его слава сильно подогревалась его болезнью: в человеке, говорящем голосом робота, всегда есть что-то такое, от чего его мысли кажутся необычайно глубокими. Но когда мне стали ясны следствия эффекта Хокинга, я поняла, что он еще совершенно недооценен. Конечно, все знают, кто он такой, но много ли людей знает, что он сделал и почему это так важно? Частицы могут зависеть от системы отсчета наблюдателя. Частицы не инвариантны. Частицы не являются в конечном счете реальными.

Излучение Хокинга дает наглядный пример зависимости вакуума от системы отсчета наблюдателя. В плоском и неограниченном пространстве все наблюдатели соглашаются по поводу низшего энергетического состояния – состояния, лишенного частиц, вакуума. По сути, это означает отсутствие разногласий у наблюдателей относительно того, что представляет собой ничто. Горизонт событий подрывает их согласие. Горизонт определяет границу пространства, изменяет структуру вакуума. Но только наблюдатели, движущиеся с ускорением, видят эту границу; инерциальные наблюдатели видят лишь плоский бескрайний космос. То, что как-то выглядит для одного наблюдателя, никак не выглядит для другого.