Стивен Хокинг. Непобедимый разум  - Китти Фергюсон

Рис. 19.1. Схема установленного на Земле интерферометра гравитационных волн (предоставлена Кипом Торном).

Рис. 19.2. LISA – Лазерная космическая антенна-интерферометр, совместно установленная EAS и NASA, – будет отслеживать низкочастотные гравитационные волны (схема предоставлена Кипом Торном).

Подобно тому как квантовая волновая функция частицы позволяет судить обо всех возможных путях частицы из точки в точку, волновая функция отсутствия граничных условий представляет собой все возможные с точки зрения физики истории вселенной, если наша вселенная началась так, как предполагают Хокинг и Хартл. В предыдущей статье, в январе 2010 года, ученые отчитывались о результатах проверки ряда различных историй вселенной[448]. При бесконечном количестве возможностей вычислить наиболее вероятные не так-то просто, но Хартл, Хокинг и Хертог сумели прийти к некоторым выводам даже без перенормировки, к которой прибегал, работая с бесконечностями, Ричард Фейнман (и сам же называл эту уловку “безумной”)[449]. Исследуемые ими истории вселенных они разделили на две группы.

Во-первых, рассмотрим модели вселенной, в истории которых, скорее всего, отсутствует инфляция. Иными словами, эти вселенные не принадлежат к большой группе вселенных, порождаемых инфляцией. Если мы живем в такой вселенной, если она похожа на вселенную, какую мы наблюдаем ныне, и если Хартл, Хокинг и Хертог правильно используют волновую функцию отсутствия граничных условий в своих вычислениях, то к каким ожиданиям подводят нас эти вычисления?

1. Космическое микроволновое фоновое излучение при доступных нам измерениях обнаруживает определенную схему неслучайного распределения спектра колебаний температур.

2. За пределами того, что доступно нашим наблюдениям, в макромасштабе – в целом гомогенность.

3. В нашем прошлом – небольшая инфляция.

Наблюдения космического фонового излучения не позволяют проверить пункт 2, а с двумя другими предсказаниями, по-видимому, не совпадают.

Значит, имеет смысл разобрать другую группу моделей вселенной. Эти вселенные входят в общую картину вечной инфляции. Если мы живем в такой вселенной, и если опять же она похожа на вселенную, какую мы наблюдаем ныне, и если Хартл, Хокинг и Хертог правильно используют волновую функцию отсутствия граничных условий в своих вычислениях, то к каким ожиданиям подводят нас эти вычисления?

1. Космическое микроволновое фоновое излучение при доступных нам измерениях обнаруживает высокую степень случайности в распределении спектра колебаний температур.

2. За пределами того, что доступно нашим наблюдениям, в макромасштабе – заметные нарушения гомогенности.

3. В нашем прошлом – более продолжительная фаза инфляции.

Вот это уже похоже на дело! Или, по крайней мере, так оно кажется. Ключевой фактор – отсутствие случайности в спектре фонового излучения или же наличие такой случайности и ее степень. Это мы можем наблюдать.

Однако Хартл, Хокинг и Хертог отважились продвинуться дальше и повысить ставки: в статье за сентябрь 2010 года они сообщили, что согласно их вычислениям наша вселенная, вероятно, завершила фазу инфляции при самом низком потенциале поля[450]. Они достаточно точно предсказали итоги наблюдений в доступном нам регионе (в пределах нашего светового конуса) – не только высокий уровень случайности в распределении спектра температурных вариаций космического фонового излучения, но также уровень и форму, в какой распределение и спектр вариаций будут отклоняться от полной случайности, если теория вечной инфляции верна[451]. Отклонение будет крайне малым, обнаружить его нелегко.

Теперь подождем, пока “Планк” и другие космические зонды не проведут достаточно точные измерения, по которым можно будет судить, насколько верны эти предсказания. Также должна обнаружиться конкретная схема незначительных флуктуаций температуры космического микроволнового излучения, предсказанная гипотезой Хартла и Хокинга об отсутствии граничных условий. “Планк”, возможно, также обнаружит определенным образом искривившиеся пути световых лучей, и это покажет, что наша вселенная обладает геометрией, предсказанной некоторыми моделями многообразной и вечной инфляции[452].

Пока Хокинг, Хартл и Хертог искали доказательства в пользу теории вечной инфляции, другая группа физиков занималась экспериментом, в ходе которого надеялась получить излучение Хокинга не на границе черной дыры и не на горизонте событий ранней вселенной, а в лаборатории. Даниэле Фаччо из Инсубрийского университета (город Комо) вместе со своей командой сообщил под конец сентября 2010 года в статье, поданной в Physical Review Letters, об успехе эксперимента[453]. Они стреляли лазером по глыбе стекла. Расчет строился на том, что, проходя через стекло, лазерный импульс изменит скорость с учетом индекса рефракции (преломления света) в стекле. Если сильный лазерный импульс А послать вслед за более слабым и медленным В, А постепенно настигнет его, и в результате скорость света поблизости от импульса В замедлится. Импульс В будет все более замедляться, пока вовсе не остановится: конец импульса А, ведущий себя подобно горизонту событий черной дыры, поглотит его.

Вспомним разговор об излучении Хокинга: постоянно возникают пары частиц. Две частицы в паре возникают вместе, а потом расходятся. Спустя короткий – невообразимо короткий – промежуток времени они вновь соединяются и уничтожают друг друга. Когда это происходит на горизонте событий черной дыры, то может случиться и так, что прежде чем пара вновь встретится и аннигилирует, частица с отрицательной энергией пересечет горизонт событий и угодит в черную дыру. Частица с положительной энергией тоже может упасть в черную дыру, но не обязана. Она освобождается от уз партнерства и может покинуть горизонт событий в виде излучения Хокинга. Наблюдателю со стороны покажется, будто частица вылетела из самой черной дыры, но на самом деле она вылетела с наружного ее края, а парная частица унесла свою отрицательную энергию в черную дыру.