Вечность. В поисках окончательной теории времени - Шон Кэрролл

Как бы ни было интересно заниматься поиском черных дыр во Вселенной, еще интереснее просто размышлять о них.[215] Черная дыра — это наилучшая лаборатория для проведения мысленных экспериментов в области гравитации. Особо ценное свойство черных дыр — это их «чистота».

Хотя наблюдения убеждают нас в существовании черных дыр, они не дают нам сколько-нибудь подробных сведений об их свойствах; мы не можем близко подойти к черной дыре и потрогать ее. Когда мы уверенно заявляем что-либо о тех или иных свойствах черных дыр, мы неявно исходим из определенных теоретических предпосылок. К сожалению, ученым еще не удалось построить законченную теорию квантовой гравитации, которая предположительно должна объединить общую теорию относительности с принципами квантовой механики. Так что пока у нас нет единой корректной теории, которая бы могла дать ответы на все наши вопросы раз и навсегда.

В отсутствие полной теории мы обычно исследуем вопросы в рамках одного из трех теоретических подходов.

1. Классическая общая теория относительности как она сформулирована Эйнштейном. Это наилучшая полная теория гравитации, имеющаяся на данный момент, и она полностью согласуется со всеми известными экспериментальными данными. Эта теория великолепно работает в том смысле, что она может дать конкретный ответ на любой правильно поставленный вопрос (даже если наши вычислительные возможности не позволят нам получить точное числовое значение). К сожалению, эта теория не исчерпывающе верна, поскольку она полностью классическая, а не квантово-механическая.

2. Квантовая механика в искривленном пространстве—времени. Это подход с «раздвоенной природой». Мы рассматриваем пространство—время, среду, сквозь которую движется материя во Вселенной, как что-то классическое, подчиняющееся законам общей теории относительности. В то же время мы рассматриваем «материю» как что-то квантово-механическое, описываемое в терминах волновых функций. Это вполне оправданный компромиссный подход, который может помочь в решении многих практических задач.

3. Квантовая гравитация. Корректная теория квантовой гравитации пока не создана, хотя существует ряд многообещающих подходов, таких как теория струн. Мы не абсолютно беспомощны в данном вопросе: нам кое-что известно о принципах действия гравитации и кое-что — о принципах квантовой механики. Зачастую таких знаний бывает достаточно для получения подходящих приближений к реальной картине квантовой гравитации даже в отсутствие законченной теории.

Среди всех перечисленных подходов лучше всего изучена классическая общая теория относительности, в то время как теория квантовой гравитации изучена хуже остальных; в то же время последняя обеспечивает наилучшее приближение к реальности. Квантовая механика в искривленном пространстве—времени представляет собой «разумную середину» между двумя другими подходами; Хокинг использовал именно ее для решения проблемы излучения черных дыр. Однако нам следует вначале понять, как описывать черные дыры в сравнительно несложных рамках подхода общей теории относительности, прежде чем переходить к разбору более передовых, но более спекулятивных теорий.

В классической общей теории относительности черная дыра представляет собой практически «чистое» гравитационное поле. В абстрактном мысленном эксперименте мы можем представить себе образование черной дыры множеством способов: из шарового скопления газа типа обычной звезды либо из гигантской планеты, состоящей из чистого золота, либо из огромного шарика мороженого. Но когда эти объекты сжимаются до маленького размера с таким сильным гравитационным полем, что ничто уже не может покинуть его, то есть когда этот объект «официально» превращается в черную дыру, становится уже совершенно неважно, из какого материала он изначально состоял. Черная дыра, образовавшаяся из газового шара солнечной массы, неотличима от черной дыры, образовавшейся из шарика мороженого солнечной массы. Согласно общей теории относительности, черная дыра — это не просто плотно упакованный объем исходного материала. Это чистое гравитационное поле: исходный материал исчез в сингулярности, образовав область сильно искривленного пространства—времени.

Рассматривая гравитационное поле Земли, мы можем представить нашу планету как идеальную сферу определенной массы и размера. Но это всего лишь приближение. Если мы хотим большей точности, то мы должны принять во внимание факт вращения Земли, благодаря которому ее радиус немного больше в районе экватора, чем у полюсов. Если же мы захотим максимально возможной точности, то увидим, что гравитационное поле Земли меняется от точки к точке довольно сложным образом; неровность поверхности, а также отличие плотности суши и моря или различных видов горных пород приводят к небольшим, но измеримым вариациям силы земного тяготения. Эти локальные особенности гравитационного поля Земли действительно содержат существенное количество информации.

Все это не относится к черным дырам. После образования черной дыры любые неровности и неоднородности материала, из которого она образовалась, исчезают. Возможно, существует короткий период времени в процессе образования черной дыры, в течение которого она еще остается не до конца сформированной. Но очень быстро она становится абсолютно гладкой и лишенной каких-либо особенностей. После завершения формирования черной дыры у нее остаются три характеристики, поддающиеся измерению: ее полная масса, скорость ее вращения и ее электрический заряд (суммарный электрический заряд реальных астрофизических черных дыр близок к нулю, но при этом скорость их вращения может быть очень большой). Вот и все. Два скопления вещества с одинаковыми массой, зарядом и угловым моментом, характеризующим вращение, превратившись в черные дыры, становятся совершенно неразличимыми при рассмотрении в рамках классической общей теории относительности. Это довольно интересное предсказание общей теории относительности кратко выражено в остроумном изречении Джона Уилера, человека, давшего черным дырам их название: «У черных дыр нет волос».

Выявленный факт «отсутствия волос» должен привести нас к важному заключению. Очевидно, что если все вышесказанное верно, то процесс образования черной дыры имеет одно очень серьезное следствие, а именно: информация теряется. Мы можем взять два совершенно разных типа начальных условий (одну солнечную массу горячего газа или одну солнечную массу мороженого), и они могут прийти к одному и тому же конечному состоянию (одна черная дыра солнечной массы). Однако до сих пор мы утверждали, что микроскопические физические законы, одним из которых, по-видимому, является и уравнение Эйнштейна, обладают свойством сохранения информации. Другими словами, образование черной дыры, видимо, является необратимым процессом, несмотря на то что уравнение Эйнштейна определенно обратимо. Вы правильно забеспокоились! Эта загадка связана со временем. Классическая общая теория относительности предлагает такой выход: мы можем сказать, что информация на самом деле не исчезла как таковая, но она исчезла для нас, поскольку оказалась за горизонтом событий черной дыры. Вы можете сами решить для себя, выглядит это объяснение удовлетворительным или оно похоже на простую отговорку. В любом случае мы не можем остановиться на этом, поскольку Хокинг нам в конце концов заявит, что черные дыры испаряются, если принять во внимание квантово-механические эффекты. Таким образом, ясно, что мы столкнулись с серьезной проблемой — проблемой, послужившей стимулом для публикации тысячи работ по теоретической физике.[216]