На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

В бесконечном неограниченном пространстве в фурье-разложении квантовой флуктуации для каждой длины волны слагаемые, соответствующие противоположным знакам при одной и то же частоте, должны быть равными, так что сумма в среднем оказывается равной нулю, и мы получаем в итоге что-то похожее на спокойное пустое пространство. Но вблизи горизонта событий все меняется. Вакуум по разные стороны горизонта событий оказывается совершенно разным. Пространство по эту сторону от него теперь никак нельзя считать ни бесконечным, ни ограниченным. Слагаемые фурье-разложения больше не хотят компенсировать друг друга. Появляются новый вакуум, новые поля, новые частицы.

«Горизонты событий рождают частицы путем реструктуризации вакуума», – записала я в моем блокноте. И, немного подумав, добавила: «Похоже на эффект Казимира?» В самом деле, что-то подобное я уже видела. Эффект Казимира заключается в следующем: две параллельные незаряженные металлические пластины, парящие на расстоянии одного микрона друг от друга, испытывают таинственную силу притяжения. Сила возникает просто из вакуума. Снаружи пластин вакуумные колебания распространяются по всему безграничному пространству, так что здесь присутствуют все возможные компоненты фурье-разложения. Но внутри крошечной щели между пластинами действуют определенные правила отбора на длину волны: между пластинами должно уложиться целое число волн – вы ничего не сможете сделать с половиной волны, так что выживут только те гармоники фурье-разложения флуктуации, которым соответствует длина волны, кратная пространству между пластинами. Пластины реструктурируют вакуум, оставляя вакуум снаружи пластин отличным от вакуума внутри пространства между ними. Эта разница создает усилие: более сильный вакуум снаружи давит на пластины, а более слабый вакуум внутри щели не может справиться с этим давлением. Похожий эффект известен со времен античности: ребенок может удерживать закрытой дверь, хотя бы целая армия напирала на нее, чтобы открыть. Физики давно наблюдают похожую неравную борьбу в лаборатории, и действительно – пластины притягиваются друг к другу, как магниты, только там нет магнитных сил. Там просто ничего нет.

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.