Леонард Сасскинд - Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики

• Название: Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики
• Автор: Леонард Сасскинд
• Издательство: Питер
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-496-00395-7

Что происходит, когда объект падает в черную дыру? Исчезает ли он бесследно?

Около тридцати лет назад один из ведущих исследователей феномена черных дыр, ныне знаменитый британский физик Стивен Хокинг заявил, что именно так и происходит. Но оказывается, такой ответ ставит под угрозу все, что мы знаем о физике и фундаментальных законах Вселенной. Автор этой книги, выдающийся американский физик Леонард Сасскинд много лет полемизировал со Стивеном Хокингом о природе черных дыр, пока, наконец, в 2004 году, тот не признал свою ошибку.

Блестящая и на редкость легко читаемая книга рассказывает захватывающую историю этого многолетнего научного противостояния, радикально изменившего взгляд физиков на природу реальности. Новая парадигма привела к ошеломляющему выводу о том, что все в нашем мире — эта книга, ваш дом, вы сами — лишь своеобразная голограмма, проецирующаяся с краев Вселенной.

Книга включена в «Библиотеку Фонда «Династия».

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2001 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления деятельности Фонда — поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. «Библиотека Фонда «Династия» — проект Фонда по изданию современных научно-популярных книг, отобранных экспертами-учеными.

Книга, которую вы держите в руках, выпущена под эгидой этого проекта.

Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.com

---

Вдруг, совершенно неожиданно, я увидел высокую фигуру в темных очках и военной униформе (или в чем-то похожем на униформу), прошедшую через оцепление и направляющуюся прямо к нам. Это был Клаудио, и он отдавал приказы солдатам так, словно был генералом.

Подойдя к нам, он взял меня за руку и, сделав надменный вид, провел нас мимо охраны, с властным видом махнув им рукой. Он подхватил наш багаж и быстро вывел нас из аэропорта к своему неправильно припаркованному джипу цвета хаки. Мы рванули из аэропорта в Сантьяго с такой скоростью, что порой машина вставала на два колеса. Каждый раз, проезжая мимо группы солдат, Клаудио отдавал им честь. «Клаудио, — прошептал я, — что это за безумие? Ты же нас убьешь». Но никто нас не остановил.

Последний раз я был в Чили уже после того, как на смену режиму Пиночета давно уже пришло демократическое правительство. У Клаудио были отличные связи с военными, особенно в авиации. Поводом для визита была конференция по черным дырам, организованная Клаудио и его небольшим институтом. Он использовал все свое влияние в военно-воздушных силах, чтобы свозить нашу компанию, включая Хокинга на самолете на чилийскую антарктическую базу. Мы получили массу удовольствия, но самым замечательным было то, как чилийские авиационные генералы, включая начальника штаба, нас обслуживали. Один генерал разливал чай, другой подносил закуску. Очевидно, Клаудио действительно обладал большим влиянием в Чили.

Но именно в 1989 году, во время автобусной экскурсии в чилийские Анды, Клаудио впервые рассказал мне о неких антидеситтеровских черных дырах. Сегодня их называют БТЗ-черными дырами по инициалам Банадоса, Тейтельбойма и Занелли. Макс Банадос и Йорг Занелли входили в ближайший круг Клаудио и сделали тогда открытие, оказавшее долгосрочный эффект на ход Битвы при черной дыре.

Ангелы и демоны

Физики, занимающиеся черными дырами, всегда мечтали уложить черную дыру в запечатанную шкатулку, надежно сохранив ее, подобно драгоценному украшению. Сохранив от чего? От испарения. Запечатывание в шкатулке — это что-то вроде закрывания крышкой котла с водой. Вместо того чтобы улетать в космос, частицы будут ударяться в стенки шкатулки (или в крышку котла) и падать обратно в черную дыру (или в котел).

Конечно, никто на практике не сможет поместить черную дыру в шкатулку, но такой мысленный эксперимент представляет интерес. Стабильная, неизменная черная дыра была бы намного проще испаряющейся. Но есть проблема: никакая реальная шкатулка не сможет вечно удерживать черную дыру. Как и все на свете, реальные шкатулки подвержены квантовой дрожи, и рано или поздно случится авария. Шкатулка войдет в контакт с черной дырой и — упс! — окажется в нее затянутой.

Здесь-тο и появляется антидеситтеровское пространство (АДС). Прежде всего, надо отметить, что, несмотря на свое название, антидеситтеровское пространство в действительности является пространственно-временным континуумом, одним из измерений которого служит время. Виллем де Ситтер был голландским физиком, математиком и астрономом, который открыл четырехмерное решение уравнений Эйнштейна, носящее его имя. Математически пространство де Ситтера — это экспоненциально расширяющаяся вселенная, которая растет во многом подобно тому, как это проис- [147] ходит с нашей реальной Вселенной[147]. Пространство де Ситтера долгое время считалось не более чем математической диковиной, но в последние годы оно приобрело огромное значение для космологов. Это искривленный пространственно-временной континуум с положительной кривизной, то есть сумма углов треугольника в нем больше 180 градусов. Но все это к делу не относится. В этот раз нас интересует не пространство де Ситтера, а антидеситтеровское пространство.

Антидеситтеровское пространство не было открыто антиматериальным двойником де Ситтера. Приставка «анти» указывает на то, что кривизна этого пространства отрицательная, а значит, сумма углов треугольника меньше 180 градусов. Самая интересная особенность АДС состоит в том, что оно обладает многими свойствами внутреннего пространства сферической шкатулки, но такой, которая не может быть проглочена черной дырой. Дело в том, что сферические стены АДС наделены мощной силой — непреодолимым отталкиванием, действующим на все, что к ним приближается, включая и горизонт черной дыры. Это отталкивание столь сильное что контакт между стенкой и черной дырой совершенно невозможен.

Обычное пространство-время имеет четыре измерения — три пространственных и одно временнóе. Физики иногда называют его четырехмерным, но это скрывает различие между пространством и временем. Более точно описывать пространство-время как (3 + 1) — мерное.

Флэтландия и Аайнландия — это тоже пространственно-временные континуумы. Флэтландия — мир лишь с двумя измерениями пространства, но его обитатели имеют чувство времени. Они должны корректно описывать свой мир как (2+1) — мерный. Лайнландцы, которые могут двигаться только вдоль одной оси, но также ощущают время, живут в (1 + 1) — мерном пространстве-времени. Замечательная особенность размерностей (2+1)и(1 + 1) состоит в том, что мы легко может изображать такие пространства на картинках, что помогает нашей интуиции.

Конечно, ничто не мешает математическим физикам изобретать миры с любым числом пространственных измерений, несмотря на неспособность мозга их визуализировать. Однако интересно, можно ли изменить число временных измерений? В чисто абстрактном математическом смысле ответ — да, но он, похоже, не имеет большого смысла с физической точки зрения. Одно измерение выглядит вполне подходящим значением.

Антидеситтеровские пространства могут быть разной размерности. У них может быть любое число пространственных направлений, но только одно временнбе. То АДС, с которым работали Банадос, Тейтельбойм и Занелли, было (2 + 1) — мерным, что позволяет легко все объяснить на картинках.

Физика в разных измерениях

Трехмерное пространство (не пространство-время) — это одна из тех вещей, которая кажется жестко прошитой в нашей когнитивной системе. Никто не может визуализировать четырехмерное пространство без опоры на абстрактную математику. Может показаться, что одно- и двумерные пространства изобразить проще, и, в определенном смысле, так и есть. Но если вы на мгновение задумаетесь, то поймете, что, визуализируя линии и плоскости, вы всегда представляете их вложенными в трехмерное пространство. Это почти наверняка связано с тем, как эволюционировал наш мозг, и не имеет никакого отношения к особым математическим свойствам трех измерений[148].

Квантовая теория поля — теория элементарных частиц — столь же осмысленна в мире с меньшим числом измерения, как в трехмерном пространстве. Судя по всему, элементарные частицы вполне возможны в двумерном пространстве (Флэтландии) и даже в одномерном (Аайнландии). Фактически уравнения квантовой теории поля упрощаются, когда уменьшается число измерений, и многое из того, что мы знаем об этой науке, было первоначально открыто путем изучения квантовой теории поля в подобных модельных мирах. Так что ничего необычного в том, что Банадос, Тейтельбойм и Занелли изучали вселенную всего с двумя измерениями, не было.

Антидеситтеровское пространство

Лучший способ объяснить АДС — тот, что предложил Клаудио во время чилийской автобусной экскурсии: на картинках. Не будем пока думать о времени и начнем с обычного пространства внутри пустой круглой шкатулки. В трех измерениях ее внутренняя область будет сферической; в двух измерения она еще проще и имеет форму круга.

Теперь добавим время. Когда оно отложено по вертикальной оси, пространственно-временной континуум напоминает внутреннюю область цилиндра. На рисунке АДС — это незакрашенная внутренность цилиндра.

Представим себе срезы АДС (напоминаю, они имеют два измерения) по аналогии с тем, как мы нарезали черную дыру при построении диаграммы вложения. Нарезание выделяет сечения, о которых можно сказать, что они именно пространственные.

Давайте изучим двумерный срез немного внимательнее. Как и следовало ожидать, он искривлен в чем-то подобно земной поверхности. Это означает, что, рисуя его на плоскости (на листе бумаги), вы будете растягивать и искажать поверхность. Невозможно нарисовать карту Земли на плоском листе бумаги без серьезных искажений. Области, близкие к северному и южному краям карты в проекции Меркатора, значительно увеличены сравнительно с областями вблизи экватора. Гренландия выглядит такой же большой, как Африка, хотя в действительности площадь Африки примерно в пятнадцать раз больше.

Пространство (а также пространство-время) в АДС искривлено, но в отличие от земной поверхности его кривизна отрицательна. Растягивание его на плоскости дает «антимеркаторовский» эффект: области на краях выглядят слишком маленькими. Знаменитый рисунок Эшера «Предел — круг 4»[149] — это «карта» пространства с отрицательной кривизной, которая показывает, как именно выглядит двумерный срез АДС.