Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

Рис. 10.2. Поверхность черной дыры, пересекаемая петлями, то есть ребрами спиновой сети, которая описывает состояние гравитационного поля. Каждая петля соответствует кванту площади поверхности черной дыры. © Джон Баез

Черные дыры, которые мы наблюдаем, хорошо описываются теорией Эйнштейна, и для их понимания не требуется квантовая механика. Но есть две загадки черных дыр, для раскрытия которых необходима квантовая механика, и для каждой из них петлевая теория предлагает возможное решение. Одна из них также дает возможность проверки этой теории.

Первое приложение квантовой гравитации к черным дырам связано с забавным фактом, открытым Стивеном Хокингом. В начале 1970-х годов он пришел к теоретическому выводу о том, что черные дыры «горячие». Они ведут себя как нагретые тела – испускают излучение. При этом они теряют энергию, а значит и массу (поскольку энергия и масса – это одно и то же), постепенно становясь все меньше. Они испаряются. Это испарение черных дыр – самое значительное открытие, сделанное Хокингом.

Предметы бывают горячими, поскольку их микроскопические составляющие движутся. В горячем куске железа, например, атомы железа очень быстро колеблются вокруг своих равновесных положений. Горячий воздух горяч потому, что молекулы в нем движутся быстрее, чем в холодном воздухе.

Что за элементарные «атомы» колеблются в черных дырах, делая их горячими? Хокинг оставил этот вопрос без ответа. Петлевая теория дает возможный ответ. Элементарные атомы, которые вибрируют в черной дыре и тем самым наделяют ее температурой, – это отдельные кванты пространства на ее поверхности.

Таким образом, с помощью петлевой теории удается понять странное тепло черных дыр, предсказанное Хокингом: это тепло – результат микроскопических колебаний отдельных атомов пространства. Они колеблются, поскольку в мире квантовой механики колеблется всё, ничто не остается неподвижным. Самая суть квантовой механики состоит в невозможности заставить что-либо полностью замереть на продолжительное время. Тепло черных дыр напрямую связано с флуктуациями атомов пространства в петлевой квантовой гравитации. Точное положение горизонта черной дыры определяется с точностью до этих микроскопических флуктуаций гравитационного поля. Поэтому, в некотором смысле, горизонт флуктуирует как нагретое тело.

Есть и другой способ понимания природы тепла черных дыр. Квантовые флуктуации порождают корреляции между внутренней и внешней областями дыры. (Я подробно остановлюсь на корреляциях и температуре в главе 12.) Квантовая неопределенность на горизонте черной дыры порождает флуктуации геометрии горизонта. Однако флуктуации подразумевают вероятность, а вероятность влечет за собой термодинамику, и, как следствие, температуру. Скрывая от нас часть Вселенной, черная дыра делает свои квантовые флуктуации воспринимаемыми в форме тепла.

Молодой итальянский ученый Евгенио Бианчи, ныне ставший профессором в Соединенных Штатах, выполнил элегантные вычисления, которые демонстрируют, что, отталкиваясь от этих идей и фундаментальных уравнений квантовой теории гравитации, можно вывести формулу для температуры черных дыр, которая впервые была предсказана Хокингом (рис. 10.3).

Второе приложение петлевой квантовой гравитации к физике черных дыр еще более впечатляющее. Сколлапсировавшая звезда исчезает для внешнего наблюдателя: она находится внутри черной дыры. Но что происходит с ней внутри дыры? Что вы увидите, если сами упадете в дыру?

Рис. 10.3. Стивен Хокинг и Евгенио Бианчи. На доске – ключевые уравнения петлевой теории гравитации, которые описывают черные дыры

Поначалу ничего особенного: вы пересечете поверхность черной дыры без серьезного ущерба, а затем вас станет тянуть к центру со все большей скоростью. Что же дальше? Общая теория относительности предсказывает, что в центре всё сжимается в бесконечно малого размера точку с бесконечной плотностью. Но это, опять же, если игнорировать квантовую теорию.

Если же принять во внимание квантовую гравитацию, это предсказание перестает быть корректным, ведь существует квантовое отталкивание, такое же, как отталкивание, заставившее Вселенную отскочить в момент Большого взрыва. Мы ожидаем, что с приближением к центру падающая материя станет замедляться этим квантовым давлением и достигнет очень высокой, но конечной плотности. Материя сдавливается, но не в бесконечно малую точку, поскольку есть предел того, насколько малы могут быть объекты. Квантовая гравитация порождает огромное давление, которое заставляет материю отскакивать, в точности как коллапсирующая Вселенная может отскочить и стать расширяющейся.

Отскок коллапсирующей звезды может быть очень быстрым, если смотреть на него изнутри. Но, напоминаю, время там течет намного медленнее, чем снаружи. При наблюдении извне этот процесс отскока может занять миллиарды лет. По прошествии этого времени мы увидим, как черная дыра взрывается. В конечном счете черная дыра фактически оказывается коротким путем в отдаленное будущее.

Итак, квантовая гравитация, возможно, предсказывает, что черные дыры – это вовсе не вечные стабильные объекты, как в классической общей теории относительности. В конечном счете они неустойчивы.

Наблюдение такого взрыва черной дыры стало бы впечатляющим подтверждением теории. Очень старые черные дыры, из тех, что образовались в ранней Вселенной, могут взрываться сегодня. Из некоторых недавних расчетов вытекает, что сигналы от их взрывов могут наблюдаться радиотелескопами. Было даже высказано предположение, что некие загадочные радиоимпульсы, которые радиоастрономы уже регистрируют и называют быстрыми радиовсплесками, могут как раз и оказаться сигналами, возникающими при взрыве первичных черных дыр. В случае подтверждения этого предположения мы получим поистине фантастический результат: прямое наблюдение квантового гравитационного явления. Остается только подождать…

Когда мы принимаем во внимание квантовую гравитацию, неограниченное сжатие Вселенной в одну бесконечно малую точку, предсказываемое общей теорией относительности для момента Большого взрыва, отменяется. Квантовая гравитация открывает нам, что не существует бесконечно малых точек. Есть нижний предел делимости пространства. Вселенная не может быть меньше планковского масштаба, поскольку не существует ничего меньшего размера.

Если игнорировать квантовую механику, то существование этого нижнего предела не принимается во внимание. Это и есть патологическая ситуация, предсказываемая общей теорией относительности, в которой появляются бесконечные величины, называемые сингулярностями. Квантовая гравитация ставит предел бесконечности и «излечивает» общую теорию относительности от патологических сингулярностей.