Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

Рис. 9.4. Возможное предсказание спектра фонового излучения в петлевой квантовой гравитации (сплошная линия) в сравнении с разбросом текущих экспериментальных данных (точки). С разрешения А. Аштекара, А. Агулло и У. Нельсона

Следы этого колоссального первичного разогрева должны также оставаться в самом гравитационном поле. Гравитационное поле, то есть само пространство, тоже должно быть покрыто рябью подобно поверхности моря. Поэтому должно существовать космическое гравитационное фоновое излучение – еще более старое, чем электромагнитное, поскольку гравитационные волны в меньшей степени подвержены влиянию вещества, чем электромагнитные, и способны без искажений распространяться даже тогда, когда Вселенная была слишком плотной, чтобы через нее могли проходить электромагнитные волны.

Мы смогли непосредственно наблюдать гравитационные волны с помощью детектора LIGO. Его два плеча длиной несколько километров расположены под прямым углом друг к другу и в них с помощью лазерных лучей измеряется расстояние между тремя фиксированными точками. Когда проходит гравитационная волна, пространство едва заметно растягивается и сжимается, и лазеры способны зафиксировать эти ничтожные вариации[113]. Наблюдавшиеся гравитационные волны были порождены астрофизическими событиями – столкновениями черных дыр. Эти явления описываются общей теории относительности без обращения к квантовой гравитации. Однако более масштабный эксперимент LISA, находящийся сейчас на стадии рассмотрения, сможет проделывать то же самое в гораздо больших масштабах. Он предполагает выведение трех спутников, причем не на околоземную, а на околосолнечную орбиту, как если бы они были малыми планетами, сопровождающими Землю по ее орбите. Эти три спутника будут связаны лазерными лучами, измеряющими расстояния между ними, или, лучше сказать, изменения этих расстояний при прохождении гравитационной волны. Если эксперимент LISA будет запущен, он сможет регистрировать не только гравитационные волны, порожденные звездами и черными дырами, но и диффузный фон первичных гравитационных волн, возникших в период, близкий к Большому взрыву. Эти волны должны нести информацию о квантовом отскоке.

В этих крошечных неоднородностях пространства мы сможем обнаружить следы событий, которые происходили 14 миллиардов лет назад при возникновении нашей Вселенной, и подтвердить наши выводы о природе пространства и времени.

Черных дыр в нашей Вселенной очень много. Это области, в которых пространство настолько искривлено, что замыкается на себя, а время замирает. Как уже говорилось, они образуются, когда звезда сжигает весь доступный ей водород и коллапсирует.

Часто сколлапсировавшая звезда входит в состав двойной звезды. В этом случае черная дыра и ее «живой» партнер будут обращаться друг вокруг друга; при этом черная дыра непрерывно затягивает вещество другой звезды (рис. 10.1).

Астрономы обнаружили множество черных дыр величиной (то есть массой) порядка нашего Солнца (на самом деле несколько массивнее). Но существуют также гигантские черные дыры. По крайней мере одна такая есть в центре почти каждой галактики, включая нашу собственную.

Рис. 10.1. Пара из обычной звезды и черной дыры. Звезда теряет вещество, которое частично поглощается черной дырой, а частично выбрасывается в виде струй (джетов) в направлении ее полюсов

Черная дыра в центре нашей Галактики сейчас подробно изучается. Ее масса в миллион раз больше солнечной. Всякий раз, когда какая-нибудь звезда подлетает слишком близко к этому монстру, гравитационные деформации разрушают ее, и циклопическая черная дыра проглатывает ее, как кит маленькую рыбку. Представьте себе монстра размером в миллион солнц, который в мгновение ока проглатывает наше Солнце с его миниатюрными планетками…[114]

Сейчас реализуется замечательный проект по созданию сети радиоантенн, разбросанных по всей Земле от полюса до полюса, с помощью которых астрономы достигнут разрешения, достаточного, чтобы «увидеть» центральную черную дыру нашей Галактики. Мы надеемся разглядеть маленький черный диск, окруженный светом, испускаемым падающей на черную дыру материей.

То, что попадает в черную дыру, никогда не выходит обратно, по крайней мере, если мы игнорируем квантовую теорию. Поверхность черной дыры подобна настоящему моменту во времени – пройти ее можно только в одном направлении. Из будущего нет возврата. Для черной дыры прошлое – это внешняя область, а будущее – внутренняя. Если смотреть снаружи, черная дыра подобна сфере, в которую можно погрузиться, но из которой ничто не выходит обратно. Ракета может зависнуть на фиксированном расстоянии от этой сферы, которую называют горизонтом черной дыры. Для этого двигателям придется очень интенсивно работать, сопротивляясь гравитационному притяжению дыры. Мощная гравитация черной дыры приведет к замедлению времени на ракете. Если ракета зависнет в течение часа достаточно близко к горизонту, а затем вернется назад, окажется, что вовне тем временем прошли столетия. Чем ближе к горизонту останавливается ракета, тем медленнее по отношению к внешнему миру течет ее время. Так что путешествовать в прошлое проблематично, а путешествовать в будущее легко: достаточно подлететь поближе к черной дыре, побыть некоторое время в ее окрестностях, а затем вернуться.

На самом горизонте время останавливается: если мы подлетим совсем близко к нему и всего через несколько минут по нашим часам улетим обратно, в остальной Вселенной может пройти миллион лет.

По-настоящему удивительно то, что свойства этих рутинно наблюдаемых сегодня странных объектов были предсказаны эйнштейновской теорией. Сегодня астрономы изучают эти объекты в пространстве, но еще не так давно черные дыры рассматривались как малоправдоподобные и диковинные следствия экстравагантной теории. Я помню, как мой университетский профессор говорил о них как о решениях уравнений Эйнштейна, которым «вряд ли соответствуют какие-то реальные объекты». Это пример поразительной способности теоретической физики открывать то, чего еще никто не наблюдал.