Глава 1

Вселенная

Если вы задумаетесь, то во Вселенной, которой мы принадлежим, есть нечто особенное. Ее название, Вселенная, происходит от латинского universe, где uni означает «один», a verse – «превращаться в», так что ее имя изначально означало «превращаться в одно», с самого начала подчеркивавшее весьма специфическую, поднимаемую ей проблематику.

Любой произведенный внутри нашей Вселенной опыт можно повторять многократно. Хотите проверить закон всемирного тяготения Ньютона на Земле? Выстрелите из лука. Не уверены, что поняли его? Выстрелите еще раз. Снова и снова. Набравшись терпения, вы увидите, что, зная исходное положение, угол и скорость, можете предсказать, куда приземлится стрела. То есть все, чем занимается баллистика. И это работает. В противном случае от луков и стрел уже давным-давно бы отказались, а Англия принадлежала бы Франции.

Таким образом, имея закон и начальные условия, вы доказательно можете предсказать, куда попадет стрела, и защитить целую страну.

Для Вселенной в целом это немного сложнее.

Даже если бы у вас был закон, объясняющий все и применимый везде, как бы вы заставили его работать? Каким образом использовали бы его, чтобы предсказать, как Вселенная, в которой мы сегодня живем, стала именно такой? Для этого должны были наличествовать начальные условия. Которых нет.

Но вы могли бы попробовать перехитрить природу. Начав перематывать время в обратном направлении с сегодняшнего дня, возможно, когда-то вы и добрались бы до исходного события, произошедшего давным-давно. Это как раз то, что сделали ученые. Как раз то, чем вы занимались в пятой части. И они, и вы достигли стены Планка. Она является достаточно хорошим стартом, так как соответствует тому моменту, когда пространство и время стали тем, чем являются сейчас.

Но она не устраняет тот приводящий в расстройство факт, что, в отличие от эксперимента со стрелами, у вас есть только одна Вселенная. Вы не можете попробовать создать вторую, с другими начальными условиями, чтобы проверить, что из этого выйдет. Не в лаборатории, во всяком случае.

Но что, если наша Вселенная – не единственная? Что если мы были частью еще одной Мультивселенной, отличающейся от той, с которой вы познакомились в конце второй части? Не может ли наша реальность оказаться лишь одной из множества возможных реальностей, которые все имеют разные начала, может быть, даже разные законы и, следовательно, очень разное настоящее?

Гипотеза о такой Мультивселенной – вопрос, с которым вам скоро придется столкнуться, потому что она является частью ответа, придуманного современной теоретической физикой для тайн, с какими вы поэкспериментируете в этой части.

На самом деле этот раздел книги будет немного отличаться от предыдущих. В первой и второй частях вы путешествовали по мегамиру. Вы узнали о гравитации. В третьей части вы увидели, на что становится похожа наша реальность при очень быстром перемещении по ней, а затем в четвертой части вы попали в микромир. Короче говоря, до сих пор вы знакомились с относительностью времени и пространства и с квантовой физикой. Но нигде до сих пор вы не смешивали гравитационную и квантовую теории вместе. Это то, что станет теперь вашей целью.

Для этого нужно будет немного поупражнять свой ум, точно так же, как вы поступили бы со своим телом в спортзале.

Смешивание гравитационной теории и квантовой физики означает смешивание микро– и мегамира. И, чтобы подготовиться, вашему разуму придется научиться постоянно перепрыгивать туда и обратно в обоих направлениях.

Поступая таким образом, вы увидите, что не в порядке с рассмотренными до сих пор теориями.

Сделав это, вы отправитесь в сопровождении робота к тому месту, где действуют одновременно и гравитация, и квантовые эффекты.

Сейчас, однако, давайте взглянем на тайны современной науки вдвоем, только вы и я.

Можно утверждать, что в физике существуют три вида тайн.

Первые присущи самим теориям; они являются теоретическими. Вторые коренятся в наблюдениях и экспериментах. Они обычно, но не всегда поддаются исследованиям. Третий тип тайн возникает, когда никто ничего больше не может понять. Черные дыры и физика предсуществования пространства-времени относятся ко всем трем типам. Они – одновременно мосты и препятствия, лежащие между нами и святым Граалем современных исследований: теория, соединяющая квантовый мир и динамические аспекты пространства-времени, открытые Эйнштейном. Вот почему они так интересны.

И именно поэтому робот намерен забрать вас к черной дыре.

Но почему черная дыра? Почему не истоки самой Вселенной?

Потому что как в случае черной дыры, так и при рождении Вселенной огромное количество энергии ограничено довольно небольшим объемом. В обоих случаях очень большое сжимается в очень маленькое, а также нельзя проигнорировать ни гравитацию, ни квантовые эффекты.

В этом смысле черные дыры и происхождение Вселенной выглядят очень похоже.

Хотя, конечно же, никто не может взглянуть на Вселенную снаружи. Экспериментальным путем, даже если бы у нас был закон, регулирующий поведение всего видимого или невидимого, мы не смогли бы проверить, дают ли различные начальные настройки разные эволюционные модели для Вселенной в целом. Мы не можем создать Большой взрыв в лабораторных условиях, и мы не видим, а значит, не можем проанализировать новые вселенные, появляющиеся там, в ночном небе.

Вот почему черные дыры полезны.

Начнем с того, что их много. Возьмите практически любую галактику во Вселенной, и в ее центре, вероятно, обнаружится сверхмассивная черная дыра. Там могут оказаться и несколько дыр поменьше, с массами в несколько раз меньше нашей звезды, разбросанные повсюду. По состоянию на 2016 год самая большая обнаруженная черная дыра в 23 миллиарда раз превышает массу Солнца. Она находится от него на расстоянии примерно 12 миллиардов световых лет, в очень молодой галактике на то время, когда она испускала улавливаемое нами сегодня излучение. С другой стороны, теоретически даже самые маленькие черные дыры можно измерить по так называемой платовской системе единиц, справедливой для среды, где учитываются как гравитационные, так и квантовые характеристики. В цифровом выражении планковская длина соответствует примерно 1,6·10-35 метра. Крошечная длина, так что черные дыры могут оказаться вообще практически любого размера.

ПО СОСТОЯНИЮ НА 2015 ГОД САМАЯ БОЛЬШАЯ ОБНАРУЖЕННАЯ ЧЕРНАЯ ДЫРА В 23 МИЛЛИАРДА РАЗ ПРЕВЫШАЕТ МАССУ СОЛНЦА. ОНА НАХОДИТСЯ ОТ НЕГО НА РАССТОЯНИИ ПРИМЕРНО 12 МИЛЛИАРДОВ СВЕТОВЫХ ЛЕТ.

Как черные дыры, так и очень юная Вселенная имеют некоторые важные общие черты. И те и другие предусматривают границы, за пределами которых гравитация не может быть использована без включения квантовых эффектов. Этой границей является стена Планка, стена, которую вы видели, путешествуя назад во времени за пределами Большого взрыва в конце последней части. В момент рождения Вселенной эта стена существовала повсюду. Что касается черных дыр, как правило, скрытых от взора, то за их воротами открывается только один путь: горизонт событий. Вы пересечете его в конце этой части.

Это путешествие станет ключом, открывающим доступ к седьмой части, где вы отправитесь в последнее путешествие: в экскурсию по Вселенной с точки зрения самых популярных современных теорий, в теорию всего как стремления к объединению пространства, времени и квантовых полей. Но эти теории, называемые теориями струн, такие сумасшедшие и сочетающие в себе мультивселенные, параллельные вселенные, сверхразмеры и все прочее, что вы вполне можете начать думать, что ученые действительно свихнулись.

И если бы не тайны, разгадываемые ими, то так бы оно и было.

После всего, что вы испытали, прежде чем достичь этой страницы, может показаться забавным узнать, что далекие от разгадки почти всего физики двадцатого века оставили нам картину Вселенной по большей части заполненной глубокими и темными неизвестными. Что, однако, не стоит считать разочарованием. Эти неизвестные являются (непрозрачными) окнами в науку завтрашнего дня. И, между нами говоря, видя, насколько менее чем за столетие выросло понимание человечества практически обо всем, наблюдая озадачивающие идеи, прорастающие сегодня в умах физиков-теоретиков, мало кто сомневается в грядущих революциях сознания. Некоторые из них уже созрели или готовы пышно расцвести, пока им просто не хватает нужного эксперимента, готового наполнить наше сознание обещанием странной, магической новой реальности.

Итак, вот что произойдет с вами сейчас.

Во-первых, вы еще раз взглянете на квантовые поля, заполняющие Вселенную, и увидите, что, несмотря на все сказанное мной до сих пор, они абсолютно не имеют смысла. Затем вы повторно рассмотрите все частицы этих полей в контексте квантовой гравитации и поймете, что они также бессмысленны. Потом вы встретитесь с котом, одновременно живым и дохлым, и напоследок, ознакомившись со всем, перестанете понимать что-либо вообще.

Воодушевившись такими успехами, вы услышите о параллельных вселенных, отщепляющихся от нашей, подобно ветвям дерева.

Убедившись, что квантовый мир точно лежит за гранью того, что здравый смысл говорит нам о реальности, вы захотите возвратиться на более знакомую территорию. Стремясь в конечном счете преодолеть разрыв между микро– и мегамиром, вы опять-таки вернетесь к общей картине мира, по-новому взглянув на теорию Эйнштейна, на галактики Вселенной, на ее расширение, в надежде отыскать успокаивающе четкие формулировки. Как ни странно, вы их не найдете. Вы своими глазами увидите, что большая часть содержимого Вселенной не только невидима для телескопов, но и неизвестна. Вселенная в мегамасштабах наполнена тайнами, куда ни посмотри, что так же справедливо и для микроскопических масштабов.

Вольно или невольно, вам придется переварить тот факт, что, какой бы мощной ни была и навсегда останется теория относительности Эйнштейна, но в отношении искривленного пространства-времени она является неполной, что даже предсказывает ее собственное поражение, а следовательно, невозможность быть теорией всего. Внутри нашей Вселенной существуют места, где она не может быть использована. Что означает, что если человечество намеревается объяснить все, то необходимо найти другую, более полную теорию.

И в каких местах теория Эйнштейна бессильна?

Вы уже, наверное, догадались: внутри черных дыр и перед Большим взрывом, где-то на пути к стене Планка.

До сих пор вы путешествовали по лучшим теориям человечества, созданным когда-либо для описания окружающего нас мира. На практике это означает, что теперь вы знаете о Вселенной столько же, сколько примерный студент магистратуры любого из лучших университетов мира. Конечно, не с точки зрения технического образования, но точно в плане знакомства с гипотезами. Это уже более чем достаточно, чтобы стать звездой любой вечеринки.

Теперь наступило время отправиться дальше и посмотреть, что же не работает. И тогда вы не только будете звездой, но и заставите ваших друзей в недоумении чесать затылок.

 

Глава 2

Квантовая бесконечность

Вы еще помните, как «в действительности» выглядит космический вакуум? То, что до сих пор казалось пустотой, превратилось в буйство пульсирующих полей. Пульсация происходит из-за частиц, вылетающих изо всех вакуумов полей.

В квантовом мире если что-то возможно, то обязательно произойдет. Так что на мгновение забудьте о своем обычном повседневном размере и о гравитации и представьте себе, как ваша мини-копия погружается в квантовые поля, в микромир, сидя на мини-кресле. Вы похожи на спортивного судью, наблюдающего, как два электрона взаимодействуют друг с другом, точно так же, как могли бы следить за игрой в теннис, где игроками были бы электроны, а шарами – виртуальные фотоны, танцующие между ними.

Один электрон находится где-то справа, а другой – слева от вас. Будучи абсолютно идентичными, оба они имеют одинаковый электрический заряд. Как и магниты, они должны отталкивать друг друга. Должно быть, интересно понаблюдать за ними. Сейчас электроны находятся еще далеко, передвигаясь по породившему их электромагнитному полю. Они двигаются все ближе друг к другу, они близки к столкновению, но его не происходит. Они взаимодействуют между собой. Они играют. Виртуальные фотоны вылетают из электромагнитного поля, отклоняя и разбрасывая электроны. Затем, так же быстро, как она и началась, игра окончена. Электроны и виртуальные фотоны исчезают.

Вы ждете следующей игры.

Появляется еще одна пара электронов.

На этот раз вы решили сосредоточиться на виртуальных фотонах, а не на электронах. Вы заостряете внимание ваших мини-глаз.

Электроны движутся. Они приближаются все ближе и ближе, и тут – бац! – появляются виртуальные фотоны. Чтобы не пропустить что-нибудь, вы замедляете ход времени.

Электроны как раз в процессе отклонения.

С виртуальными фотонами все в порядке.

Но что-то происходит.

Один из виртуальных фотонов, появившихся между двумя электронами-теннисистами, неожиданно как-то странно видоизменился.

Он стал парой «частица-античастица»: электроном и позитроном.

Вы бросаете быстрый взгляд в сторону электронов, с любопытством наблюдая, как на них может подействовать потеря их виртуальной жемчужины света, но они, похоже, вообще ее не заметили, так что вы переводите взгляд на вновь образованную пару и… это уже больше не пара, а два с половиной.

Вы закрываете мини-глаза и протираете их.

Что за шуточки?

Вы снова открываете глаза.

Внезапно между двумя электронами появляются тысячи пар частиц и античастиц.

Вы моргаете.

Их уже сотни миллионов.

А теперь уже тысячи миллиардов.

Вы снова моргаете… и все пропадает.

Вы проверяете электроны.

Они рассеялись, как и предыдущая пара игроков. Удивительно.

Вы только что стали свидетелем одного из следствий квантовых законов, применимых к микромиру: если что-то возможно, то оно происходит. И это вполне возможно для виртуальных фотонов, погружающихся в энергию движущихся электронов, чтобы превратиться в виртуальные пары частиц-античастиц. Они, в свою очередь, могут стать следующей парой частиц-античастиц, которые потом обратятся в дальнейшие пары или аннигилируются в свет, а он затем может…

У вас появляется идея.

Даже если между собой взаимодействуют только два крошечных электрона, возможности возникающих при взаимодействии виртуальных пар бесконечны. Так же как бесконечно число участвующих в процессе виртуальных пар.

Обдумывая это, по-прежнему удобно сидя на вашем судейском стуле, вы ожидаете следующей игры, чтобы вновь посмотреть фейерверк, но больше игроков нет. Ни один электрон не пролетает мимо. Тем не менее теперь, когда вы знаете, что искать, вы видите виртуальные пары частиц-античастиц, появляющихся точно так же, хоть и в замедленном темпе. Они напоминают теннисные мячи и антимячи, выскакивающие из ниоткуда при полном отсутствии игроков.

Это образование пар называется квантовыми флуктуациями вакуума.

Они присутствуют здесь все время, но если существует доступная энергия для их задействования – такая как кинетическая энергия некоторых налетающих электронов, – то они становятся гораздо более возбужденными.

Перед вами внезапно появляется электрон-позитронная пара, и она аннигилирует в фотон, спонтанно превращающийся в другую пару, пару кварк-антикварк, а теперь один из антикварков испускает глюон, который, в свою очередь…

Даже в вакууме, где, кажется, нет ничего для построения правильной картины нашего мира, всегда и везде должны приниматься во внимание все бесконечные возможности создания частиц-античастиц.

Хаос.

Хаос, имеющий довольно катастрофические последствия: возможности настолько важные и многочисленные (на самом деле бесконечные), что должно существовать бесконечное количество энергии во всех без исключения точках нашей Вселенной. Даже там, где ничего нет, в вакууме. Достаточно очевидно, что это не так, или Вселенная разрушится прямо сейчас из-за чрезмерного гравитационного влияния, оказываемого на пространство-время. Так что с представленной картиной что-то не в порядке.

Для облегчения этой довольно затруднительной проблемы теоретики квантовых полей придумали довольно хитрый трюк: они просто-напросто решили забыть о гравитации, полностью выведя ее из игры. И пока занимались этим, заодно изгнали из формул и бесконечности. Убрав их, сделали расчеты с тем, что осталось, и крекс-пекс-фекс!.. Сработало.

Чего стоит только нидерландский физик-теоретик Герардт Хоофт, один из удивительных, блестящих физиков-основателей такой математической операции, получивший за нее в 1999 году совместно со своим научным руководителем Мартинусом Велтманом, Нобелевскую премию по физике. Благодаря им (и некоторым другим ученым) и несмотря на математические фокусы учета бесконечностей, квантовая теория поля стала благодаря своей предсказательной способности, пожалуй, самой успешной научной теорией всех времен. Избавление от бесконечностей привело к прогнозам появления еще даже не виденных частиц, прогнозам, которые оказались верны – что касается массы или заряда частиц – с точностью до одного к 100 миллиардам. Скорее можно сказать, если бы случайно выбранный человек обладал такой способностью подсчета, он смог бы вычислить недолив среди миллиона разлитых по кружкам литров пива в баре с точностью до одной капли. Несомненно, если бы мы имели такую способность, то скандалы там происходили бы ежедневно.

Квантовые теории поля поразительно точны по своей предсказательной силе, но этот трюк заставляет нас всех расстраиваться по причинам, которые не может помочь смыть даже миллион кружек пива.

Почему происходят эти бесконечности?

Могут ли они случиться просто потому, что мы не знаем, что происходит в областях нашей Вселенной, которые даже меньше тех, что исследуют эти теории?

Возможно.

Так, во всяком случае, думал один необыкновенный американский физик. Его звали Кеннет Геддес Вильсон, и вместо того, чтобы пытаться объяснить бесконечно малые микромиры в поисках выводов о частицах, он подумал, что такие умопомрачительные масштабы и могли бы на самом деле быть проблемой: что вовсе не обязательно рассматривать всё меньшие масштабы, чтобы быть в состоянии говорить о частицах. Так же как не нужно знать об атомах, сравнивая яблоки на рынке, утверждал Вильсон – и доказал, что то, что не известно, можно оценить, классифицировать и забыть.

И это сработало – так что в 1982 году он получил Нобелевскую премию по физике.

Вильсон не решил проблему того, что происходит в бесконечно малом микромире, он просто избавился от нее. С применением правила исключений и увеличением неизвестного искажающие поле бесконечности больше не происходили.

Процедура избавления от бесконечностей называется перенормировкой. Как я уже говорил выше, она сверхэффективна для проведения расчетов. Но нельзя надеяться когда-либо понять все, просто обойдя неизвестное. Нужно погрузиться в него. Особенно это касается гравитационного поля, где перенормировка не работает.

Предметом квантовых теорий поля является содержимое Вселенной. Они весьма точны, удивительно точны, на самом деле, но только когда покидают пространство-время поодиночке, когда они фиксированы и когда гравитация не оказывает ни на что никакого влияния. Не очень реалистично.

Нужно найти способ вернуть гравитацию обратно.

Превратить ее в квантовое поле.

И как это сделать?

Квантовые теории поля утверждают, что, так как кругом существуют поля, то они могут создавать небольшие порции энергии или материи, называемые квантами. Основными квантами электромагнитного поля являются элементарные частицы, обладающие наименьшим электрическим зарядом, – фотоны и электроны. Аналогичным образом, основными квантами поля сильного ядерного взаимодействия становятся кварки и глюоны, тогда как к основным квантам гравитационного поля, рассматриваемого как гипотетическое квантовое поле, относятся упомянутые ранее гравитоны.

Вы уже слышали о них в пятой части, но тогда мы их проигнорировали. Зачем же они вновь появляются здесь? Потому что мы хотим посмотреть, что с ними не то.

Так что давайте думать, что гравитация появляется из квантового поля, как и все другие виденные до сих пор поля. Тогда гравитоны становятся переносчиками взаимодействия. И если рассчитать на бумаге, как гравитоны могут повлиять на окружающую их среду, то теоретики нашли бы это влияние таким же, как у кривых пространства-времени.

На бумаге они и есть гравитация.

Весьма многообещающее начало.

Но, поразмыслив дальше, ученые поняли, что тогда эти самые кванты гравитационного поля, гравитоны, полностью провалят всю выстроенную теорию гравитации.

Не очень хорошая новость.

Почему?

Во-первых, у гравитонов нет никаких причин не взаимодействовать друг с другом: если они существуют, то обязаны подвергаться гравитации, как и все остальное, и, следовательно, воздействуют сами на себя.

И, во-вторых, будучи элементарными частицами квантового поля, они обязаны появляться отовсюду из вакуума своего поля, приводя как раз к тем бесконечностям, что устранили Хоофт и Велтман. На этот раз, однако, гравитационные квантовые бесконечности нельзя удалить с помощью процедуры перенормировки: здесь механизм Хоофта и Велтмана полностью проваливается, а подход Вильсона неприменим вообще, так как игнорирует те самые расстояния, на котором действуют гравитоны.

В итоге это означает возникновение действительно проблематичных бесконечностей при попытке превратить гравитацию в квантовое поле стандартным образом, и очевидно, что нельзя игнорировать гравитацию, чтобы избавиться от гравитонов, потому что они и есть гравитация.

Если бы гравитация была квантовым полем, как только что говорилось, если гравитоны являлись правильным описанием того, как работает гравитация в природе, то пространство-время должно было отреагировать на эти бесконечности и практически разрушиться. Чего не происходит. Или бы мы не стали упоминать об этом.

Как ни странно, но, несмотря на все перечисленное, многие ученые (в том числе и я – я расскажу об этом в седьмой части) – и вы можете считать их ненормальными, – полагают, что гравитоны существуют, по крайней мере как часть всеобъемлющей теории, в поисках которой все находятся.

Теперь, раз уж мы затронули тему, давайте пойдем еще дальше, так что вы сразу же увидите несколько причин, почему общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля расходятся.

Гравитация имеет отношение к пространству-времени. Иначе говоря, к пространству и времени. Переплетенным между собой.

В квантовой теории поля вылетающие из вакуума элементарные частицы являются порождением самого поля. Следовательно, для квантовой теории поля гравитации элементарные частицы должны также порождаться своим полем. Но уже полем пространства-времени.

Таким образом, сами частицы должны состоять из пространства и времени.

Это означает, что кругом должны находиться существенные порции пространства-времени, и, кстати, ни пространство, ни время не должны быть непрерывными.

Хуже того, эти порции пространства-времени должны обладать способностью вести себя одновременно как волны и как частицы. И подвергаться квантовому туннелированию, квантовым скачкам…

Желаю удачи при попытке вообразить такую картину в своем уме.

На самом деле, если вы нормальный человек, то простая попытка подумать обо всем заставит ваш мозг расплавиться.

Однако с точки зрения природы причин для беспокойства нет.

Но реальная проблема состоит в том, что, даже если забыть о затруднительных бесконечностях, все другие квантовые теории поля, настолько продвинутые в описании всех частиц, из которых мы состоим, работают только до тех пор, пока вокруг нет таких порций пространства-времени.

Другими словами, это означает, что общая теория относительности и квантовая теория поля не используют одни и те же представления о пространстве и времени.

И это проблема.

Очень большая проблема. При отсутствии очевидного решения.

И поэтому остаешься с любопытным ощущением того, что застрял где-то посередине: человечество разработало две чрезвычайно эффективные теории: одна описывает структуру Вселенной (гравитация Эйнштейна: общая теория относительности), а другая – содержимое всей Вселенной (квантовая теория поля), – и эти две теории не хотят общаться друг с другом. В течение очень долгого времени даже физики, работающие на каждом из двух полей, поступали аналогичным образом и тоже не разговаривали друг с другом. Американский физик-теоретик Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии за работу по квантовой теории поля и один из самых блестящих ученых всех времен, написал классически показательное письмо своей жене, объясняющее такое отношение: «Я ничего не выношу из нашей встречи, – заявлял он в 1962 году после своего участия в конференции по гравитации. – Я ничему не учусь. Поскольку никаких экспериментов нет, то эта область не является активной для исследований, так что только некоторые из лучших умов занимаются ей. В результате здесь целая куча некомпетентных людей (126), а это плохо влияет на мое давление. Напомни мне, чтобы я больше не ездил ни на какие конференции по гравитации!»

Тем не менее благодаря новым технологиям и работе физиков-теоретиков, таких как Стивен Хокинг, ученые вскоре выяснили, что не могут игнорировать то, что не знали, и идеи с обеих сторон начали передаваться, порождая сумасшедшие гипотезы, по которым вы пройдетесь в седьмой части и с которыми я познакомлю вас прямо сейчас.

 

Глава 3

Быть и не быть одновременно

Вы помните те квантовые частицы, которыми развлекался робот в белой комнате с металлическим столбом? Там внизу, в микромире, частицы действительно проходят все возможные и невозможные пути, чтобы добраться от одного места к другому, из одного времени к другому, пока никто не наблюдает.

Так почему же все квантовые аспекты всех составляющих ваше тело частиц не превращают вас в квантовое существо?

Разве это не было бы круто?

Все разные жизненные сценарии, которые только вы могли себе вообразить, происходили бы одновременно. Вы могли бы быть очень богатым и очень бедным, отцом семейства и холостяком, счастливым и грустным, получить Нобелевскую премию и быть немым от рождения, жить здесь и там, сейчас и потом… Вы могли бы реально прожить все жизни, о которых всегда мечтали, и все те, каких не хотели бы иметь.

Но, кажется, так не происходит.

Вы сделаны из квантовой материи, не так ли? Так что так должно было бы быть.

Но это не так.

Почему?

Ну, как ни удивительно, никто не знает. На самом деле, это связано с одной из величайших тайн квантового мира: почему мы не видим квантовые эффекты повсюду вокруг нас?

Будучи созданы из квантовых частиц, выражений квантовых полей, как и все остальное, почему мы воспринимаем мир именно так, а не как частицы на крошечном, субатомном уровне?

Можно утверждать, что таков мир и что физика существует не для того, чтобы подвергать сомнению его законы, а чтобы пытаться расшифровать их.

Существует, однако, небольшая проблема с таким скромным заявлением: законы квантового мира настолько сильно отличаются от нашей ежедневной реальности, что должен существовать своего рода переход между квантовым и классическим миром, – так называется проживаемый нами мир, к которому мы привыкли. Если бы частицы, составляющие наши тела или же находящиеся в воздухе или в космическом пространстве, вели себя как нормальные теннисные или бейсбольные мячи, то все было бы замечательно. Мы бы понимали все, от мельчайших элементов до самых крупных.

Но они себя так не ведут.

Вы уже видели это несколько раз во время путешествий в микромире. Пытаясь поймать электрон, крутящийся вокруг атома водорода, например; помните, как тяжело было для вас понять, где он и с какой скоростью движется? Хорошо, давайте взглянем на этот факт по-другому.

Представьте себя в вашем мини-состоянии. Вы меньше атома. Частица находится на пути к вам. Вы ничего не знаете ни о ней, ни о ее размере, местоположении или скорости приближения. Вы просто знаете, что она подчиняется законам квантового мира.

Вы достаете мини-фонарик из захваченной с собой сумки и готовы включить его, ожидая, что его свет отскочит от частицы, где бы она ни была, и вернется обратно к вам, сообщив ее положение.

Но, чтобы так поступить, вы не можете взять любой свет.

Вы должны использовать только «правильный» свет.

Помните, что свет можно рассматривать как волну? Ну вот, «правильный» свет здесь означает, что расстояние между двумя последовательными гребнями волн (длиной волны) должно быть приблизительно равным размеру вашей цели или меньше. Если взять слишком большую длину волны, свет, который ей соответствует, не заметит частицы вообще. Он выстрелит сквозь нее, как радиоволны, проходящие сквозь стены дома, даже не замечая их. Однако имеющий «правильную» длину волны свет отразится, и вы будете в состоянии сообщить положение вашей частицы с точностью используемой длины. Одновременно вы сможете проверить, какова скорость частицы, и узнаете все, что хотите знать.

Элементарно.

Вы крутите ручку ультрасовременного мини-фонарика, чтобы получить очень мощный импульс. Настроившись, вы стреляете и… бац! Вы во что-то попали. В частицу. Там. Впереди вас. Свет отскочил от нее и вернулся обратно. Время, потребовавшееся для прохождения в обоих направлениях, позволяет точно определить, где находилась частица при попадании, и поэтому частица не может быть нигде больше. После обнаружения частица теряет характеристики квантовой волны. Из всех возможных положений она мгновенно занимает позицию за долю секунды до того, как была поймана вашим фонариком во время эксперимента. Точно так же, когда робот выбросил частицу в белую комнату, она передвигалась повсюду, пока не была обнаружена датчиком. Этот необратимый процесс называется коллапсом квантовой волны.

После наступления коллапса вы знаете, где находится частица, с точностью длины волны. Теперь вы хотите знать, с какой скоростью она передвигалась в точке обнаружения.

Но это не так-то легко.

На самом деле, вы никогда не будете в состоянии точно ответить на такой вопрос.

Никогда.

Помните: чем короче длина волны, тем большей энергией должен обладать соответствующий ей свет.

Таким образом, чем более точное положение вы получаете, тем более мощный свет необходимо использовать для фонарика, тем труднее попасть в частицу – и потому тем меньше известно о ее последующей скорости.

Для нашего мира это тривиальное высказывание.

Попробуйте точно определить в темноте положение движущегося объекта, направив на него что-то светящееся. Воздействие будет влиять на то, что вы собираетесь исследовать. Если свет вернется к вам, вы узнаете, где находился объект при столкновении с ним, но, если вы еще раз направите свет, чтобы узнать, куда двинулся объект, вы увидите, что его скорость изменилась из-за вашего первого воздействия на него.

И правда, тривиально.

Однако в квантовом мире это не просто тривиальная неопределенность. Это глубокое свойство природы. Оно говорит, что вы по большому счету не можете знать, где находится частица и с какой скоростью она движется. Это правило называется принципом неопределенности Гейзенберга в честь открывшего его немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга. Гейзенберг является одним из отцов-основателей квантовой теории атомного мира. В 1932 году он получил за нее Нобелевскую премию по физике. Он знал, о чем говорит. Но, как и все остальные с тех пор и поныне, он не понимал ее. Она лежит за пределами нашей интуиции и противоречит здравому смыслу.

Принцип неопределенности немедленно делает квантовый мир весьма отличающимся от нашего повседневного, классического мира.

Прямо сейчас вы знаете, где находится книга, которую вы читаете, по отношению к вашему телу и с какой скоростью она движется или не движется. Следовательно, вы знаете ее положение и скорость с довольно высокой степенью точности. Тем не менее относительно обоих параметров существует некоторая неопределенность – неопределенность, слишком незначительная, чтобы ее заметить, и потому она не имеет значения.

Однако в микромире при вашем микроразмере вы бы не смогли удержать в руках книгу или даже фонарик. Если даже вы точно знаете, где лежит мини-копия этой книги, неопределенность в отношении ее скорости будет огромной, поскольку вы направите на нее много частиц просто для определения ее местоположения и никогда не будете в состоянии увидеть ее. Или наоборот, если бы вы точно знали, с какой скоростью движется книга, вам не удалось бы никакими средствами ее обнаружить, что делает ее труднодоступной для чтения. В микромире положение и скорость сливаются в туманной концепции. То же происходит с эффектом Казимира, и поскольку технологии становятся все тоньше, с этой проблемой инженерам приходится сталкиваться все чаще.

НАШИ КЛАССИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕСТЕ И СКОРОСТИ НЕ ПРИМЕНИМЫ В МИКРОМИРЕ. ПРИРОДА РАБОТАЕТ ПО-ДРУГОМУ.

Тем не менее принцип неопределенности Гейзенберга не является загадкой.

Он – факт.

Строго говоря, он даже не неопределенность. Он просто говорит, что наши классические представления о месте и скорости не применимы в микромире. Природа работает там по-другому, и у нас есть объясняющая и предсказывающая ее теория: квантовая физика. И эти странные эффекты точно достигнут наших масштабов, но мы просто не созданы чувствовать их. Они становятся незначительными, когда в них вовлечено слишком много частиц. И это тоже хорошо известный факт.

Так как же насчет тайны, которую мы ищем? Она существует?

Да.

Мы выпустили кое-что из только что сделанных вами расчетов: происходит коллапс квантовой волны.

Это и есть тайна.

И действительно загадочная.

Оставленные в покое, квантовые частицы ведут себя как размноженные изображения самих себя (фактически в качестве волн), одновременно движущихся по всем возможным маршрутам в пространстве и времени.

Теперь еще раз, почему мы не ощущаем это множество вокруг себя? Потому что мы все время исследуем окружающие нас вещи? Почему все проводимые эксперименты говорят, что положение частицы вдруг заставляет частицу быть где-то скорее, чем везде?

Никто не знает.

Перед экспериментом частица представляет собой волну возможностей. После него она оказывается где-то, а затем где-то навсегда, а не снова везде.

Странно.

Ничто в рамках законов квантовой физики не позволяет случиться такому коллапсу. Это экспериментальная и теоретическая тайна.

Квантовая физика обуславливает, что во всех случаях, когда есть нечто, оно, естественно, может превратиться во что-то другое, но не может исчезнуть. А поскольку квантовая физика позволяет нескольким возможностям существовать одновременно, то эти возможности должны сохраняться даже после произведения расчетов. Но они этого не делают. Все возможности, кроме одной, исчезают. Мы не видим вокруг никаких других. Мы живем в классическом мире, где все основано на квантовых законах, но ничто не напоминает квантовый мир.

Таким образом, возникает вопрос: как мы можем заставить квантовые эффекты проявиться в нашем человеческом масштабе, чтобы мы могли исследовать их и увидеть коллапс волны, если он там действительно есть, собственными глазами? Возможно ли это? И если можно было бы увидеть квантовые эффекты вроде этого, то что мы ожидаем увидеть?

В 1935 году, через два года после присуждения ему Нобелевской премии за работу по квантовой физике, австрийский физик Эрвин Шредингер придумал эксперимент по выведению квантовых эффектов в нашем масштабе. В нем приняли участие кот и коробка. И хотя это был лишь гипотетический эксперимент, ученые не перестают задаваться вопросом, жив ли до сих пор сидящий в коробке кот или умер.

Вы собираетесь снова проделать эксперимент Шредингера. И я надеюсь, что вы не слишком любите милых, мурлычущих, невинных, игривых котят: есть большой шанс, что кот в ходе эксперимента может пострадать. В любом случае имейте в виду, что главная мысль здесь – заставить квантовые эффекты проявиться на макроуровне. Так что жертвы могут быть необходимы.

С такой оговоркой приступим к делу.

Для тех из вас, кто не знает: кот – это четвероногое, как правило, пушистое, хвостатое млекопитающее, живущее в тех же масштабах реальности, что и мы. Большинство людей любят обниматься с ними, но не все. Они бывают практически всех цветов, кроме зеленого, насколько мне известно.

Чтобы осуществить мысленный эксперимент Шредингера, вы решили выбрать очаровательного маленького черно-белого котенка и ищете коробку, настолько плотно закрывающуюся, что впоследствии никто снаружи не сможет ничего узнать о ее содержимом.

Кроме кота и коробки, вам нужно еще радиоактивное вещество, весьма особенное, про которое известно, что с ним с 50 %-ной гарантией произойдет радиоактивный распад во время эксперимента. Радиоактивные материалы очень непредсказуемы. Согласно квантовым законам, нет вообще никакого способа узнать заранее, распадутся ли они и испустят ли смертоносное излучение или нет. Существует лишь вероятность. Один шанс из двух для найденного вами вещества.

Теперь вам потребуется еще три предмета: прибор для регистрации излучения, молоток и флакон со смертельным ядом.

Потом вы соединяете все вместе таким образом, что, если прибор зафиксирует какое-либо излучение, испускаемое радиоактивным веществом, молоток разобьет флакон, и яд разольется. Ничего страшного, если бы не факт, что вы положили все эти вещи: молоток, радиоактивное вещество, яд и кота – в коробку и запечатали крышку.

И потом ждете.

Ну и что дальше?

Существует 50 %-ная вероятность, что кот отравится. Все зависит от радиоактивного распада.

Безумный эксперимент, согласитесь.

Безусловно, проводить его у себя дома не стоит.

И теперь возникает вопрос: мертв ли кот?

Квантовые эффекты действуют здесь, как и хотелось. И результат получается на макроскопическом уровне – достаточно заметным, чтобы его увидеть.

Но, если не открыть коробку, нет никакого способа узнать, произошел ли радиоактивный распад или нет, так что нет никакого способа утверждать, разбит флакон ли или нет, а следовательно, мертв ли кот или жив.

Ничего нового, думаете вы? Что ж, со всеми квантовыми вещами нужно быть бдительным и использовать здравый смысл экономно. Или же не использовать его совсем. Чтобы сделать там, в микромире, какие-нибудь выводы, нужно соблюсти законы квантового мира. В реальной жизни можно ожидать, что кот в коробке будет либо живым, либо мертвым.

Но тогда оба этих ответа были бы неправильными.

В квантовом мире что может случиться – случится. Вам следует использовать это утверждение сейчас.

Здесь распад и отсутствие распада радиоактивного вещества может случиться с равными шансами, так что происходят оба варианта. Подобно тому как частица может перемещаться влево и вправо от твердого столба одновременно, то и радиоактивный распад одновременно происходит и не происходит, пока никто не наблюдает. Как говорилось выше, большую часть времени такая суперпозиция возможностей остается нами незамеченной, потому что по какой-то неясной причине она не происходит – или не достигает наших масштабов. Однако в нашем особом эксперименте настройки произведены так, что наши глаза могут ее видеть: одновременность двух квантовых возможностей (распада и отсутствия распада) напрямую связана либо с драматической смертью, либо с выживанием кота.

Так что же гласят законы квантового мира?

Они гласят следующее: при событиях распада и отсутствия распада, непосредственно связанных с ядом, кот, до тех пор пока коробка не открыта, не может считаться ни живым, ни мертвым, а находится в обоих состояниях одновременно.

До того как вы откроете коробку, распад происходит и не происходит одновременно, так же как яд проливается и не проливается.

Так же как и кот мертв и не мертв.

Мертвый и живой.

Услышав это, вы сразу же открываете коробку, чтобы проверить.

Кот выскакивает, целый, невредимый и очень милый.

И на дне нет никакого дохлого кота.

Вы чешете затылок.

Все эти «суперпозиции состояний» и «последующий коллапс квантовых возможностей» вдруг выглядят довольно сложным трюком, а не реальным феноменом.

Может, мы неверно поняли? То, что кот действительно некоторое время был мертв и жив, или это все обман?

Давайте посмотрим.

Открытие коробки заставляет вас взаимодействовать с экспериментом, не так ли?

Ну да.

Так что вы вмешались. Вы пронаблюдали. А когда производится наблюдение, природа должна выбрать.

Так что выбор, коллапс, происходя реально, должен был случиться, оставив кота в живых.

Но замерла ли судьба кота до того, как вы открыли коробку? Или же это произошло с ней потом, молниеносно быстро?

Вы вернулись к первоначальному вопросу: происходит ли коллапс вообще?

Шредингер придумал свой мысленный эксперимент в 1935 году, и в течение многих лет никто не мог разгадать его загадку, пока французскому физику Сержу Арошу и американскому физику Дэвиду Вайнленду не удалось разработать реальный эксперимент, способный обнаружить те самые суперпозиции, которые существовали, когда должны были уже разрушиться.

КВАНТОВАЯ ЧАСТИЦА МОЖЕТ И ОДНОВРЕМЕННО СУЩЕСТВУЕТ В РАЗНЫХ, ВЗАИМОИСКЛЮЧАЮЩИХ СОСТОЯНИЯХ. НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ ЭТО ОСНОВНАЯ ПРИЧИНА, ПО КОТОРОЙ ИНЖЕНЕРЫ ПЫТАЮТСЯ СОЗДАТЬ КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ.

Хотя они не использовали кота.

Они использовали атомы и свет.

И они увидели, что квантовые суперпозиции вполне реальны; что практически любая квантовая частица может и одновременно существует в разных, взаимоисключающих состояниях. По сути, на сегодняшний день это основная причина, по которой инженеры пытаются создать квантовые компьютеры. Используя способность квантовых частиц находиться в разных состояниях одновременно, компьютеры могут в принципе получить в разы большую производительность, чем та, что может быть достигнута нашими классическими компьютерами, позволяя одновременно осуществлять «параллельные» расчеты. Арош и Вайнленд совместно получили за это Нобелевскую премию по физике 2012 года. Так или иначе, они доказали, что кот Шредингера на каком-то этапе эксперимента на самом деле был мертв и жив одновременно.

Так, и в чем здесь секрет?

Он связан с тем, что исчезло.

Суперпозиции реальны, отлично. Вот что доказали Арош и Вайнленд. Нам придется принять эту данность.

Но, когда вы открыли коробку, когда произошел коллапс и выпрыгнул живой кот, куда исчезли не увиденные вами возможности? И так как это должно было быть реальным на каком-то этапе, то куда же девался дохлый кот?

В этом и секрет.

Многие ученые задавались таким же вопросом, и в последнее время начали набирать популярность несколько предполагаемых ответов. Некоторые считают, что не наблюденные возможности постепенно расплываются, как капли чернил, попавшие в озеро; озеро, представляющее собой мир, в котором мы живем, как будто жемчужины нереализованных возможных реальностей рассеиваются в одной-единственной превалирующей реальности, частью которой мы являемся. Другие полагают, что ко всему этому какое-то отношение имеет наше сознание и что как раз сам факт эксперимента или даже мысли о нем замораживает реальность в одном состоянии, тем самым создавая ее.

И тут нам нужен американский физик-теоретик Хью Эверетт III.

Родившийся в 1930 году Эверетт был весьма странным человеком. Блестяще одаренный, он изучал математику, химию и физику, написав в итоге докторскую диссертацию под руководством одного из самых влиятельных американских физиков всех времен, Джона Арчибальда Уилера из Принстонского университета. Хотя Эверетт перестал заниматься физикой сразу же после защиты диссертации, в основном потому что, по-видимому, считал ее слишком странной. Неудачные попытки Уилера помочь идеям своего ученика быть серьезно воспринятыми научным сообществом, вероятно, также сыграли свою роль. В возрасте 21 года, забыв о теоретических вопросах, Эверетт начал трудиться над сверхсекретными разработками оружия в Вооруженных силах Соединенных Штатов и в конце концов умер от излишнего количества спиртного и сигарет. За сверхъестественное сходство судеб некоторых известных поэтов или художников, молча прожигавших свои таланты в годы молодости и презираемых сверстниками, диссертация Эверетта, написанная им в 1956 году, позже стала классикой. В ней он сделал экстраординарное заявление, что, раз квантовые идеи замечательно работают в микромасштабах, их следует всерьез использовать на всем отрезке пути до нашего масштаба. Все в нашей Вселенной создано из квантов, поэтому все следует рассматривать как огромную квантовую волну возможностей, существующих одновременно.

Если смотреть с такой точки зрения, никакого коллапса никогда не произойдет. Каждая возможность существует.

С этой точки зрения, вся Вселенная создает ответвление всякий раз, когда необходимо сделать выбор в результате эксперимента или чего-то еще. Следовательно, должно существовать непостижимо много параллельных вселенных, где все возможности, все альтернативные результаты являются фактами.

Согласно теории Эверетта, нас должны окружать параллельные сюжеты.

Вы медлите с решением, стоя между двумя лифтами, прежде чем зайти в один из них? Ваше второе я, находящееся в ответвленной параллельной вселенной, выбирает другой лифт. Еще в одной вселенной вы ударяетесь в стену между ними. А еще в одной поднимаетесь по лестнице. Таким образом, осуществляются все возможности.

В некотором смысле буквальное понимание квантовой физики Эверетта говорит о том, что если избавиться от эгоизма, то никогда не придется расстраиваться. Всякий раз, когда что-то плохое случается с вами здесь, в ваших бесконечно многих параллельных вселенных вам удается его избежать и чувствовать себя счастливым.

В еще одной бесконечности параллельных реальностей Эверетт все еще жив и даже читает эту книгу. В некоторых ему нравится то, что я о нем пишу. В других – не нравится. В еще одних он сам написал эту книгу, и в ней кот Шредингера – это зеленая собака.

Согласно интерпретации Эверетта, никакого реального выбора никогда не происходит по своей природе. Все возможности случаются.

Вы просто не знаете об этом.

Неудивительно, что он отказался от физики.

Безусловно, теория Эверетта странная, но теперь она серьезно воспринимается некоторыми из величайших физиков нашего времени вместе с большим количеством использованных в ней математических моделей, относящихся к происхождению пространства-времени. Конечно, не существует экспериментального подтверждения (или отказа от) заявления Эверетта, но оно служит заманчивой причиной того, почему реальность, в которой мы живем, не суперпозиция квантовых возможностей: возможности, нами не использованные, все равно воплощены, но в другом месте.

Теперь, когда вы привыкли к этой мысли, давайте быстренько подведем итог тому, с чем вы здесь столкнулись.

С самого начала путешествия вы в разное время побывали в микро– и мегамире. Проносясь по космическим царствам, вы выяснили, на что похожа крупномасштабная структура Вселенной и как она управляется общей теорией относительности. В микромире вы увидели, что квантовые законы природы отличаются от тех, к которым мы привыкли в повседневной жизни. Вплоть до этой части вы путешествовали по всему известному человечеству как теоретически, так и экспериментально. Вы познакомились с тем, чем является Вселенная независимо от масштаба, с точки зрения ученого начала двадцать первого века.

В этой части вы начали бегло касаться границ этих знаний. Вы увидели, что не только общая теория относительности и квантовая теория поля неохотно общаются друг с другом, но и квантовые законы, как представляется, не управляют нашей повседневной жизнью по причинам, которые могут завести некоторых так далеко, что повлекут за собой существование параллельных миров.

В седьмой части вы рассмотрите и более странные вещи.

Сейчас, однако, давайте продолжим упражнять свой ум и оставим микромир, чтобы вернуться к Эйнштейну. А как насчет его теории? Какие тайны можно обнаружить там?

И существуют ли они?

Являются ли они столь же вездесущими, как бесконечности, портящие квантовую теорию поля?

На оба последних вопроса ответ будет утвердительным.

 

Глава 4

Темная материя

Забудьте о котах, собаках и параллельных вселенных альтернативных реальностей.

Забудьте о квантовом мире.

Забудьте о мини-копии.

Сейчас вы в космосе в виде разума.

Вы увидели, что микромир наполнен тайнами, и намерены проверить, работает ли теория Эйнштейна везде или у нее тоже есть недостатки, даже не пытаясь превратить ее в квантовую теорию.

Так что вы в космосе. Земля позади вас, и вы летите вперед. Вы пролетаете мимо Луны, Солнца, соседних звезд.

Вплоть до этого места теория гравитации Эйнштейна работает превосходно. Звезды и планеты движутся так, как должны.

Вы направляетесь из Млечного Пути в межгалактическую среду, где и останавливаетесь.

Млечный Путь находится прямо под вами. Другие галактики светят на расстоянии. Огромные спирали из сотен миллиардов звезд, излучающие свет в непроглядно темной Вселенной.

Из того, что вы выяснили о гравитации, вы знаете, что, так же как у планет вокруг Солнца, скорость любой звезды в пределах галактики не может быть случайной. Звезды, летящие слишком быстро, неизбежно покинут безопасное убежище галактики, эти одинокие светила обречены на вечные странствия по гигантским просторам, отделяющим отдельные галактики друг от друга. Если бы звезды летели слишком медленно, то скатились бы вниз по склону пространства-времени, созданному всеми другими звездами, склону, который заставил бы их действительно двигаться в направлении ядра галактики, центрального утолщения, заполненного звездами, где они в конечном итоге проглатываются или разрушаются гигантской черной дырой, терпеливо дожидающейся своих жертв. Не имея нужной скорости, чтобы удержаться на стабильной орбите, звезда либо покидает свою галактику, либо обречена упасть, так же как мраморный шарик в миске либо скатывается на дно, либо вылетает из нее.

Помните, как закон всемирного тяготения Ньютона не сработал, когда гравитация оказалась слишком сильной? Вблизи Солнца его уравнения требуют корректировки с учетом вращения Меркурия. Эйнштейн обнаружил эти корректировки, чтобы совершить революцию в нашем видении пространства и времени. И теперь, спустя 100 лет, настала очередь Эйнштейна столкнуться с изменением масштаба. А как насчет действия теории гравитации Эйнштейна в отношении целых галактик? Работает ли его теория кривых пространства-времени, столкнувшись с сотнями миллиардов звезд вместо одной?

Именно это вы и собираетесь проверить.

Вы вынимаете секундомер и начинаете отсчет времени перемещения звезд по Млечному Пути. Одновременно подсчитать скорости 300 миллиардов звезд непросто, поэтому вы начинаете с окраин галактики, с конца одного из великолепных спиральных рукавов вдали от Стрельца А*, нашей собственной сверхмассивной черной дыры.

Вы засекаете десять секунд.

Звезда, за которой вы ведете наблюдение, пролетела 2500 километров. Неплохо.

Это соответствует в среднем скорости около 900 тысяч километров в час вокруг центра галактики. Совсем неплохо.

Соседние с ней звезды движутся практически так же быстро.

На самом деле любые две звезды, находящиеся на равном расстоянии от ядра нашей Галактики, имеют одинаковую скорость; самые медленные звезды расположены далеко от центра, в то время как самые быстрые, вроде звезды-спринтера S2, с которой вы столкнулись некоторое время назад, лежат глубоко внутри нее. И если вам интересно, сколько времени занимает полный оборот таких аутсайдеров вокруг Млечного Пути, ответ будет – около 250 миллионов земных лет. Долгое путешествие. Млечный Путь огромен. Солнце (а значит, и Земля), находясь немного ближе к центру, проходят путь вокруг Млечного Пути почти за 225 миллионов лет, период, называемый галактическим годом. Когда в последний раз Земля занимала то же положение в Галактике, что и сегодня, у динозавров оставалось еще 160 миллионов лет спокойной жизни… Если использовать такую терминологию, Большой взрыв произошел около 61 галактического года назад, и если мы начнем отсчет с сегодняшнего дня, то еще через 20 кругов Млечный Путь и Галактика Андромеды сблизятся настолько, что начнут сталкиваться. Кстати, Солнце взорвется несколько галактических месяцев спустя. Рассматриваемое таким образом, это событие вовсе не кажется таким отдаленным…

Прекрасно.

И на том спасибо.

Кажется, никаких проблем здесь с теорией Эйнштейна нет, за исключением…

За исключением того, что проблема есть.

Если быть откровенным, вы не первый, кто проверяет динамику вращения звезд вокруг Галактики. Их скорости известны уже довольно долгое время, с начала 30-х годов прошлого века, когда нидерландский астроном Ян Оорт измерил их.

Но Оорт зашел еще немного дальше.

Для начала он оценил количество материи, содержащейся внутри всего Млечного Пути. Затем проверил, совпадают ли наблюдаемые им скорости с ожидаемыми скоростями в отношении тех звезд, что не падают или не покидают галактику.

Они не совпали.

Не совпали вообще.

Находясь здесь, над Млечным Путем, вы можете проверить это самостоятельно.

Складывая массу каждой звезды с облаком пыли и всем видимым остальным, принадлежащим родной Галактике, вы придете к тому же загадочному выводу: здесь определенно недостаточно материи, чтобы удержать любую звезду от выкидывания из Галактики с учетом ее скорости.

И в отличие от несоответствия между теорией Ньютона и орбитой Меркурия, расхождение здесь вовсе не крошечное.

Должно существовать в пять раз больше материи, чем той, что вы можете видеть. В противном случае все звезды выкинуло бы из Галактики. В том числе и Солнце.

Должно быть, вы что-то упустили из виду. И Оорт тоже.

Не хватает не просто нескольких сотен миллионов звезд и окружающей их пыли, тогда бы вы могли обвинить себя или Оорта за небрежно выполненный подсчет. Кстати, это было бы нормально. Но превышение в пять раз? Что происходит? И вообще кто такой этот Оорт? Можно ли ему доверять?

Можно. Он был не просто обычный астроном. На самом деле его невероятные идеи помогли человечеству выяснить многое из того, что вы видели во время путешествия по Солнечной системе и Млечному Пути в первой части книги. Ему, например, приписывают демонстрацию того, что Солнце находится не в центре нашей Галактики (сейчас факт может показаться очевидным, но он таким не был, пока Оорт его не доказал). Он также человек, который выдвинул гипотезу о существовании огромного хранилища комет (миллиардов миллиардов комет), носящего теперь его имя – облако Оорта, которое вы пересекли на внешней границе Солнечной системы перед входом в гравитационное поле красного карлика Проксима Центавра.

Оорт был необычным ученым, вслед за тем объяснившим в 1932 году абсурдное несоответствие между видимой материей нашей Галактики и скоростью ее звезд, сделав на удивление смелое утверждение. Он заявил, что Млечный Путь заполняет неизвестный вид материи, которая еще никогда не обнаруживалась ни в какой форме, ни здесь на Земле, ни где-либо еще, потому что она не взаимодействует со светом, что делает невозможным ее наблюдение любым типом телескопа. Оорт назвал ее темной материей. Согласно его работе, видимые эффекты темной материи проявляются лишь косвенным путем, через гравитацию: темную материю нельзя увидеть, но она искривляет пространство-время, как и обычная материя, хотя таковой, безусловно, не является. Она даже не может состоять из тех же частиц, что образуют все привычное нам, в противном случае мы могли бы ее увидеть.

Такое открытие может показаться слишком огромным – и захватывающим, – чтобы оказаться правдой, но как бы ни хорош был Оорт, никто не совершенен. Он мог и ошибаться. Чтобы выяснить это, вы решаете взглянуть на другие галактики, чтобы рассмотреть их движение вокруг друг друга, точно так же как поступил швейцарский астроном Фриц Цвикки примерно через год после первоначального заявления Оорта в 1933 году.

Если бы темная материя оказалась реальной, присутствующей и гравитационно активной не только внутри Млечного Пути, но и снаружи и внутри других галактик тоже, она не просто изменила бы орбиты движущихся в галактике звезд. Она также повлияла бы на орбиты вращающихся вокруг друг друга галактик.

Так что вы пристально рассматриваете их.

Вы анализируете захватывающий космический танец огромных скоплений ярких звезд, и… у вас не остается больше сомнений.

Так же как Цвикки, вы вынуждены признать, что все галактики слишком быстро вращаются вокруг друг друга, не скрывая огромного количества гравитационно притягательной темной материи.

И темная материя не материя.

И не антиматерия.

Это нечто другое.

Никто не знает что.

Все проведенные с 30-х годов многочисленные эксперименты пришли к такому же выводу. Темная материя есть. Она существует. Везде есть материя, сверху которой обернута темная материя. И хотя я пытался на протяжении всей книги показать вам все знания о Вселенной, которыми я хотел бы поделиться с вами, в этом вопросе я вынужден признать, я не могу познакомить вас с ней ближе.

Почему?

Потому что даже сегодня, по прошествии более восьмидесяти лет после смелого предположения Оорта, мы все еще не имеем никакого понятия о том, из чего эта темная материя состоит. Мы знаем, что она существует. Мы знаем, где она находится. У нас есть карты ее присутствия внутри и вокруг галактик по всей Вселенной. У нас даже есть жесткие условия для того, что ею являться не может, но мы не имеем ни малейшего понятия, что она из себя представляет. И да, ее присутствие подавляюще: на каждый килограмм обычной материи, состоящей из нейтронов, протонов и электронов, приходится пять килограммов темной материи, состоящей неизвестно из чего. ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ СУЩЕСТВУЕТ ПОВСЮДУ, ВОКРУГ ГАЛАКТИК, ВОКРУГ НАШЕГО СОБСТВЕННОГО МЛЕЧНОГО ПУТИ И ПО ВСЕЙ ВСЕЛЕННОЙ.

Темная материя.

Неожиданная гравитационная тайна номер один. Она может означать, что теория Эйнштейна не работает в таких масштабах, точно так же как теория Ньютона не работала вблизи Солнца. Но было проведено много независимых исследований. Темная материя, кажется, действительно существует повсюду, вокруг галактик, вокруг нашего собственного Млечного Пути и по всей Вселенной, и вы не можете ее видеть.

Кажется, что во Вселенной намного больше невидимого, чем видимого.

 

Глава 5

Темная энергия

Миллиарды лет прошли с эпохи Темных веков нашей Вселенной, произошло много галактических катастроф, целые галактики сталкивались и сливались. Жестокость в космическом пространстве везде, и галактики, на которые вы теперь смотрите, лишь видимая ее часть.

Темную материю, существующую в подавляющем количестве: пять к одному, нельзя увидеть, и ее все еще так много, что она, должно быть, играла – и по-прежнему играет – роль в наблюдаемом вами космическом вальсе… Вальсе, исполнителями которого, как вы знаете теперь, являются скопления звезд, обернутые в невидимые плащи из темной материи.

Чем больше вы рассматриваете все эти вращающиеся вокруг галактики, тем больше танцоров и фигур вы видите и тем больше обитаемых миров с полностью отличающимися от нашего неба небосводами вы начинаете там воображать. И вдруг вы начинаете задаваться вопросом, а что если какая-то далекая цивилизация уже нашла ответы на наши человеческие вопросы… И тут вы застываете на месте, ослепленный.

Очень мощный источник света ударил вам в глаза.

Вы вглядываетесь в ночь, определяя, откуда он появился, но он исчез.

И вновь, так же внезапно, в вас ударяет еще один сноп света, исходящий откуда-то из невообразимо далекого места.

И еще один.

Выведенный из задумчивости, вы сосредоточиваетесь на галактиках, откуда, кажется, родом эти световые сигналы.

Не зная почему, ваше сердце колотится как сумасшедшее. Вы смотрите на световые лучи, наблюдая, как галактики расходятся, продолжая кружиться вокруг друг друга.

Что-то не так.

Галактики, откуда поступает свет, расходятся не по тому пути, по которому должны.

Мы говорим здесь не об их вращении вокруг друг друга, а о расширении Вселенной, о том, как все галактики расходятся, как семена мака в поднимающемся тесте пирога. С учетом того, что вы узнали об этом расширении, галактики движутся неправильно.

Это – неожиданная гравитационная тайна номер два. И она предполагает много, гораздо больше скрытой энергии, чем темной материи.

Чтобы понять, нужно знать, как оцениваются расстояния во Вселенной.

Когда вы лежали на пляже тропического острова, как раз перед началом своего путешествия в космическое пространство, как вы могли бы определить, какая звезда на ночном небе ближе, а какая дальше? Очевидно, что одной яркости недостаточно. Звезды бывают практически всех размеров, и их фактическая светимость может сильно отличаться. Яркая звезда, если смотреть с Земли, могла бы оказаться огромной и очень далекой или же небольшой, но гораздо более близкой. Необходимо использовать какой-то другой прием, и, как исторически сложилось, ученые придумали три различных метода для оценки космических расстояний.

Первый из них касается любого объекта, будь то планета или звезда, находящегося довольно близко к нам. Он – самый простой из всех и использует здравый смысл (ничего квантового здесь нет, так что здравый смысл допускается). Представьте себе, что вы смотрите на дерево через боковое окно автомобиля, мчащегося на трассе. Близко растущие к дороге деревья быстро пролетают мимо, в то время как находящиеся дальше деревья, как кажется, движутся гораздо более медленными темпами. Горные цепи на горизонте иногда вообще застывают на месте. Их можно использовать в качестве неподвижного фона. В космосе применима та же концепция. Поскольку Земля вращается вокруг Солнца, находящиеся рядом объекты обладают видимым движением, довольно очевидным на фоне очень далеких звезд, кажущихся неподвижными. Проверка того, насколько изменится положение объекта по отношению к этому фону, пока Земля обращается вокруг Солнца, позволяет ученым определить, насколько далеко в космосе расположен объект. Метод включает в себя математику, которую бы понял и Евклид 2200 лет назад. Он очень хорошо работает при оценке ближних расстояний – в пределах Млечного Пути. Но не работает при определении галактических расстояний. Галактики просто слишком далеко. Когда вы находитесь на Земле, вращающейся вокруг Солнца, ваше видение космоса может меняться на протяжении 300 миллионов километров с лета до зимы, но этого недостаточно, чтобы увидеть их в движении: галактики – все еще часть неподвижного фона. Чтобы узнать, где они, вам нужен метод номер два, который включает в себя весьма специфичный тип звезд, называемых цефеидами.

Цефеиды – очень яркие звезды, чья светимость колеблется между максимальным и минимальным уровнем интенсивности с впечатляющей регулярностью. Удивительно, но ученые выяснили способ связать этот колеблющийся период с общим количеством производимого ими излучения. И это все, что им необходимо знать, чтобы сказать, на каком они расстоянии: как звук рога затихает по мере увеличения расстояния от своего источника, то же происходит и со светом. Исследование собранных на Земле порций света, излученных далекими цефеидами, дает в итоге расстояние до них. И, скорее к счастью, цефеид много.

КОГДА ВЫ НАХОДИТЕСЬ НА ЗЕМЛЕ, ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ВОКРУГ СОЛНЦА, ВАШЕ ВИДЕНИЕ КОСМОСА МОЖЕТ МЕНЯТЬСЯ НА ПРОТЯЖЕНИИ 300 МИЛЛИОНОВ КИЛОМЕТРОВ С ЛЕТА ДО ЗИМЫ.

Но этот метод тоже имеет свои пределы: для измерения наибольших расстояний во Вселенной отдельные звезды-цефеиды больше нельзя использовать, потому что даже самые мощные телескопы не могут отличить их от соседних с ними групп звезд. Для исследований отдаленных уголков Вселенной необходим третий метод.

Возможно, вы помните из второй части книги труды американского астронома Эдвина Хаббла. В 20-е годы прошлого века Хаббл стал первым человеком, наблюдавшим расходящиеся далекие галактики и расширение Вселенной. Некоторые из ваших друзей любезно подтвердили этот факт, производя наблюдения ночного неба вокруг Земли своими телескопами, приобретенными за миллиард долларов.

В 20-е годы Хаббл использовал смещение светового спектра цефеид далеких галактик для определения их скорости и выяснил, что их стремление удалиться от нас пропорционально расстоянию до них: галактика, которая в два раза дальше от нас, удаляется от нас в два раза быстрее. Этот закон теперь называется законом Хаббла.

Метод номер три включает в себя использование закона Хаббла с противоположной стороны, когда цефеиды не могут быть выделены из своего окружения. По изменению смещения спектра излучения далеких галактик ученые могут определить, какое расстояние прошел их свет в процессе расширения Вселенной. Таким образом, можно узнать, насколько далеко находится сейчас галактика.

Закон Хаббла достаточно прост и достаточно хорошо стыкуется с известными фактами: пространство и время стали тем, чем являются сейчас, несколько миллиардов лет назад, пространство-время с тех пор расширилось, и, что кажется нормальным при расширении, вызванном интенсивным выделением энергии (Большой взрыв), скорость расширения замедлилась в течение миллиардов последующих лет.

С такой довольно логичной установкой все идет замечательно.

За исключением того, что она не соответствует тому, что вы только что видели.

Вспышки света, которые уловили ваши глаза, расходятся с законом. Смещение их спектра не соответствует великолепной, красивой, целостной картине, описанной выше. Что-то идет не так, и тайна номер два где-то задерживается.

Чтобы выяснить, о чем идет речь, давайте немного прогуляемся и взглянем на то, что вызвало необычайно мощные вспышки света, ударившие вам в глаза.

Начав свой путь от Млечного Пути, вы направляетесь к особенно красивой и красочной спиральной галактике, лежащей в 8 миллиардах световых лет от него. Вы преодолеваете огромное, расширяющееся расстояние, отделяющее нашу космическую семью от этого другого островка света, и, приблизившись к нему, залетаете в него сбоку. Вы проноситесь мимо миллионов звезд, сквозь облака пыли размером в тысячи вместе взятых солнечных систем и вдруг снова останавливаетесь.

Прямо перед вами не один, а целых два сияющих объекта привлекают ваше внимание. Они очень быстро вращаются вокруг друг друга немного асимметричным образом. Один из них – гигантская злая красная звезда. Второй – тоже яркая звезда, но во много раз меньше. Размером с Землю. И белоснежная. Но не дайте ввести себя в заблуждение. Несмотря на огромную разницу в размерах, хозяйка здесь – крошечная звезда, а не красный гигант. Маленький белый шар, оставшийся от ядра звезды, взорвавшейся за несколько сотен миллионов лет до вашего прибытия. Во время гибели звезды ее внешние слои разлетелись во всех направлениях, а сердце сжалось в комок и стало тем, что теперь светится прямо перед вами. Белый карлик. Чрезвычайно плотный и горячий объект. Обычные белые карлики остывают в течение десятков миллионов лет и выбрасываются из галактик, в конце концов становясь холодными темными одинокими космическими странниками. Но этот карлик тем не менее выбрал совсем другой путь.

Чтобы дать вам представление о плотности белого карлика, давайте сделаем бейсбольный мяч из различных материалов. Обычный мяч из резины, кожи и воздуха весит около 145 граммов. Тот же самый объем, заполненный свинцом, будет представлять собой шар весом около 2,3 килограмма. Заполненный самым плотным химическим элементом, встречающимся на Земле, – осмием – мяч весит теперь уже примерно в два раза больше: около 4,5 килограмма.

Теперь заполним тот же объем материалом, составляющим белый карлик, и получим мяч весом 200 тонн. В царстве чрезвычайно плотной материи белые карлики занимают третье место. Сразу за нейтронными звездами (называемыми так, потому что они содержат только нейтроны) и черными дырами. Следовательно, внутри них, как и внутри звезд, можно было бы ожидать чрезвычайно бурных реакций ядерного синтеза, но их не происходит. Если только они не найдут способ увеличиться в размерах. По правде сказать, белые карлики остаются белыми карликами до тех пор, пока содержат менее 140 % от массы нашего Солнца.

Но у этого карлика действительно есть чем поживиться. Звездой. Красным монстром.

Этого красного гиганта съедят заживо прямо на ваших глазах.

Обессиленная гравитационным полем, вызванным сверхъестественной плотностью белого карлика, звезда обречена. Она даже не может удержать собственные внешние слои. Пока она вращается вокруг карлика, ее поверхность отрывается, образуя длинный след яркой, жгуче-горячей плазмы, которая по спирали стекает вниз к жадному партнеру по танцу, создавая сверкающую, скрученную космическую реку, извивающуюся по направлению к поверхности белого карлика, где она захватывается им и сжимается.

Здесь работают потрясающие по своему масштабу энергии. Даже само пространство-время может ощущать их: как волны, возникающие на поверхности озера из-за двух вращающихся вокруг друг друга лодок, гравитационные волны создаются танцем красного гиганта и белого карлика, вызывая пульсацию, распространяющуюся по самой ткани Вселенной, видоизменяющую пространство и время, омывающие близлежащие объекты.

И пока вы смотрите на них, все больше и больше материи гигантской звезды падает в направлении поверхности белого карлика, и вы небезосновательно чувствуете, что должно произойти что-то необыкновенное. Белый карлик действительно набрал немало веса, достигнув 140 % массы Солнца, критического порога. Давление в его собственном ядре внезапно становится достаточным, чтобы вызвать новую, потрясающе бурную цепную реакцию, приводящую белого карлика к весьма примечательной гибели. В мгновение ока он взрывается. Взрыв в пять миллиардов раз ярче Солнца. Впечатляющая лебединая песня.

Такие события называются взрывами сверхновых типа Ia. Они происходят примерно раз в столетие в любой данной галактике. Они невероятно удобны для астрономов, потому что все очень похожи. Даже идентичны: они всегда возникают, когда белый карлик достигает 140 % от массы Солнца после высасывания энергии другой звезды, а следовательно, всегда светят одинаковым светом: 5 миллиардов солнц, объединенных в одно маленькое пятнышко не намного больше нашей Земли. Гораздо ярче цефеид, они – идеальные свечи, благодаря которым можно исследовать самые дальние уголки нашей Вселенной и проверить закон расширения Хаббла.

Сверхновые типа Ia настолько ярче, чем все остальное, что, в отличие от цефеид, построенные человеком телескопы могут вычленить их из далеких галактик. Зная их истинный блеск, как и в случае с цефеидами, ученые могут сделать вывод, насколько далеко они находятся и с какой скоростью расходятся от нас.

В 1998 году две независимые группы ученых, изучающих такие далекие сверхновые, опубликовали свои результаты. Одну группу возглавлял американский астрофизик Сол Перлмуттер, а другую – американские астрофизики Брайан Шмидт и Адам Рисс. Обе команды обнаружили, что около 5 миллиардов лет назад, после более 8 миллиардов лет обычного поведения, расширение Вселенной начало ускоряться.

Научное сообщество было шокировано.

Так же как будете и вы.

Мало того что такой вывод оказался неожиданным, он был радикально противоположным единственно допустимому результату.

В больших масштабах всем управляет общая теория относительности Эйнштейна, а теория гравитации Эйнштейна, как и закон всемирного тяготения Ньютона, допускает только притяжение объектов друг к другу. Следовательно, что бы ни заполняло Вселенную: материя, антиматерия или темная материя, – оно должно в конечном счете замедлять любое расширение. Не ускорять его.

Однако наблюдения Перлмуттера, Рисса и Шмидта говорили об обратном, и единственный возможный выход из такого противоречия – найти что-то абсолютно новое для объяснения такого ускорения. И это что-то должно было заполнять всю Вселенную. И ему требовалось обладать исключительным свойством: действовать как антигравитационная сила, отталкивая материю и энергию вместо того, чтобы притягивать их.

По какой-то неизвестной причине эта новая сила пересилила все другие крупномасштабные силы во Вселенной около пяти миллиардов лет назад. До этого ее влияние было равно нулю.

Эта весьма озадачивающая энергия была названа темной энергией, и, как ни странно, в результате расчета ее наблюдаемых эффектов, ее должно быть очень много.

По последним оценкам, огромное количество, собственно говоря.

В три раза больше, чем темной материи.

В пятнадцать раз больше, чем составляющей нас обычной материи.

За результат своего открытия, а именно что расширение Вселенной скорее ускоряется, чем замедляется, Перлмуттер, Шмидт и Рисс были удостоены в 2011 году Нобелевской премии по физике, а все энергетическое содержание Вселенной пришлось полностью пересчитать. Сегодня, по оценкам спутников НАСА, Вселенная состоит из следующего.

Темная энергия: 72 %.

Темная материя: 23 %.

Известная нам материя (включая свет): 4,6 %.

Все, что вы видели до сих пор во время всех путешествий, соответствует лишь 4,6 % общего содержания Вселенной.

Остаток неизвестен.

Однако, в отличие от темной материи, существование некой формы темной энергии допускалось в прошлом. Около ста лет назад. Самим Эйнштейном. Он даже называл ее своей «самой большой оплошностью», хотя сегодня кажется, что его оплошностью было как раз таки назвать ее оплошностью.

Возможно, из второй части вы помните, что Эйнштейну не нравилась идея о меняющейся, развивающейся Вселенной. Он предпочитал думать, что время и пространство были, есть и всегда будут существовать в том же виде, в каком он и ощущал их на собственном опыте. К сожалению, его общая теория относительности в своей простейшей форме утверждает обратное. Она гласит, что пространство-время может меняться и меняется. Чтобы допустить возможность Вселенной не эволюционировать, он рассчитал, что может каким-то образом изменить свои уравнения, введя в них новый, единственно допустимый дополнительный член. В то время это был смелый жест: уравнения Эйнштейна подразумевали (и до сих пор подразумевают), что локальное энергетическое содержание Вселенной полностью эквивалентно ее локальной геометрии, так что если один из двух членов может измениться, то другой тоже. Добавление куда-то в уравнение новой формы энергии, следовательно, меняло форму и динамику Вселенной. Под энергией Эйнштейн подразумевал все, что обладает гравитационным эффектом, что теперь включает в себя материю, свет, антиматерию, темную материю и все остальное, носящее обычный, достаточный, притягивающий гравитационный характер.

Но добавленный Эйнштейном член мог носить и тот и другой характер (притягивающий или отталкивающий), в зависимости от его математического значения. В физическом смысле он соответствовал энергии, действительно заполняющей всю Вселенную. Он назвал его космологической постоянной.

Благодаря ей Вселенная могла быть статичной и послушной, подчиняясь его философским взглядам.

Успокоенный, Эйнштейн мог снова спать по ночам.

Однако примерно десять лет спустя работа Хаббла превратила расширение Вселенной в доказанный факт. Статичной Вселенной больше не существовало. Так что Эйнштейн вычеркнул свою космологическую постоянную и назвал ее ввод в уравнение своей самой большой оплошностью.

Теперь, сто лет спустя, кажется достаточно ироничным, что то, что он стер на бумаге, могло стать для теоретиков столь необходимым инструментом, требующимся для объяснения самой великой неразгаданной тайны человечества: темной энергии, управляющей ускорением расширения Вселенной. Космологическая константа может сделать Вселенную полной противоположностью статичной, претерпевающей ускоренное расширение Вселенной. Она может решить головоломку про темную энергию. Единственной проблемой в этом случае будет выяснение ее собственного источника. Мы еще вернемся к этому в седьмой части.

А пока что мне бы очень хотелось, чтобы все могли допускать такие оплошности, как у Эйнштейна.

Чем бы ни оказалась темная энергия, идея о ней уже изменила наше видение космологии. До открытия Перлмуттера, Рисса и Шмидта для Вселенной виделось два возможных варианта будущего, в зависимости от ее итогового содержимого. В первом случае слишком большое количество материи и ее расширение обречены на каком-то этапе смениться своей противоположностью, и тогда гравитация пересилит все прочее, как если бы слишком сильная, прикрепленная ко всему пружина теперь разжалась. При таком сценарии вся Вселенная сожмется, и все закончится тем, что называется Большим сжатием. Это как Большой взрыв наоборот, ускоряющийся со временем и не перематываемый назад.

Второй вариант заключается в том, что материи или энергии будет недостаточно, чтобы удержать все от разбегания. Присутствие темной энергии у Перлмуттера, Рисса и Шмидта говорит о том, что это – наиболее вероятное будущее. Если только в один прекрасный день в наши телескопы не попадет еще какой-нибудь сюрприз, то есть шансы, что антигравитационное поле обеспечит вечное расширение, что приведет к будущему Большому замерзанию. Согласен, оба прогноза (Большое сжатие и Большое замерзание) представляют собой довольно мрачные перспективы. Но, как вы увидите в следующей и последней части, такое замерзание может быть вообще не концом.

Повторюсь еще раз, также возможно, что теория Эйнштейна просто не применима для таких огромных масштабов. В таком случае нам нельзя использовать его уравнения, чтобы сделать вывод о существовании темной энергии. Подобно тому как теории Ньютона, опробованные рядом с большой звездой, привели к вычислению ошибочных орбит, уравнения Эйнштейна вполне могли бы отдалиться от реальности на каком-то этапе. Однако по состоянию на сегодняшний день, скорее всего, темная энергия реальна, и даже существует вероятность, что она имеет квантовую природу. Весьма захватывающая перспектива для всех тех ученых, кто хотел бы связать микромир с мегамиром.

В любом случае, чем бы они ни являлись, темная материя и темная энергия весьма важны. Закон всемирного тяготения Ньютона помог нам обнаружить новые планеты вокруг Солнца. Гравитационная теория Эйнштейна привела нас к тайнам намного серьезнее, настолько серьезнее, что они могут содержать подсказки или ключи, открывающие двери в неизвестные миры нашей крупномасштабной реальности.

При необходимой скромности такие открытия оказывают сильное впечатление, и теперь настало время понять, почему общая теория относительности не может быть теорией всего и почему она предсказывает собственный закат.

 

Глава б

Сингулярности

Помните квантовые бесконечности?

Помните катастрофические последствия для пространства-времени бесконечного числа частиц, появляющихся везде, все время, в вакууме квантовой теории поля?

Чтобы изучить его, ученым пришлось либо выкидывать гравитацию и поступать с бесконечностями так, как будто их не существует, либо игнорировать находящееся в микромире. Тогда все работало просто прекрасно, до тех пор пока гравитация была не квантовой.

Теперь давайте ненадолго оставим все кванты в покое.

А как насчет самой гравитации? Возможно ли, чтобы известная нам материя, классическая материя, с которой мы взаимодействуем ежедневно, оказывала такое же воздействие на ткань Вселенной? Может ли она привести к коллапсу пространства-времени?

Ответ определенно положительный. И на этот раз мы даже увидим результат в небе.

Здесь хорошо работает образ множества очень тяжелых мраморных шаров, брошенных на тонкий резиновый лист.

Благодаря созданному ими искривлению близлежащие мраморные шары будут сдвигаться ближе друг к другу, создавая кучу, заставляющую резину прогибаться еще больше.

С каждым новым шаром, скатывающимся вниз и присоединяющимся к группе, резина становится все более и более вогнутой.

На каком-то этапе, либо потому что все шары скатятся вниз, либо потому что остальные шары находятся слишком далеко, процесс закончится.

Ничего странного.

Но если резиновый лист мягкий, как жвачка, если он недостаточно прочный, чтобы удержать кучу мраморных шаров в равновесии с его собственным натяжением, он вполне может продолжать прогибаться все больше и больше, даже если туда уже не скатываются шары, пока не прорвется.

Ни один материал не является настолько прочным, чтобы выдержать любой вес. Отсюда идея пороговой плотности: если поместить слишком большой вес на слишком хрупкую поверхность, то поверхность вокруг этой массы будет искажаться до тех пор, пока ее целостность не нарушится.

Теперь как насчет пространства-времени?

Хоть и не предусматривается, что оно прорвется, но пространство-время реагирует на очень высокие плотности, пожалуй, даже еще более драматичным образом, потому что ткань в данном случае не резина, а само пространство и время.

Пространство-время. Не плоская, а объемная ткань. Плюс время.

Пространство-время изгибается, искривляется и растягивается вокруг содержащихся в нем объектов, будь то материя или любой другой вид энергии. Это – его понимание Эйнштейном.

Продолжая накапливать энергию (независимо от ее формы) в заданном объеме, как и в случае с резиновым листом, вы просто обязаны в конечном итоге столкнуться с проблемой. За пределами определенного порогового значения ничто не сможет остановить все большее искривление пространства-времени, даже если в него больше ничего не падает.

По мере продолжения искривления то, что началось с изгиба, постепенно сдавливается, вследствие чего плотность внутри повышается, образуя порочный круг, неумолимо ведущий к коллапсу пространства-времени, коллапсу, усугубленному бесконечностями, с которыми общая теория относительности не может справиться. Такие бесконечности называются сингулярностями. Они не то же самое, что виденные вами ранее квантовые бесконечности. Они не имеют ничего общего с квантовыми процессами. Они возникают, когда в слишком малом объеме скапливается слишком много массы или энергии. Они локализованы. И возможность их существования возвещает крах теории гравитации Эйнштейна.

В конце 60-х и начале 70-х годов прошлого века, когда практически все сходили с ума, слушая психоделическую музыку либо выискивая новые фундаментальные частицы, английские физики-математики Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг доказали посредством набора получивших известность теорем, что такие коллапсы обязательно происходят во вселенной, управляемой в больших масштабах общей теорией относительности. С помощью своих теорем они показали, что общая теория относительности Эйнштейна имела весьма скромные характеристики предсказания собственной гибели.

Подобно тому как Ньютону требовалась более полная теория для объяснения движения Меркурия, стало ясно, что теорию Эйнштейна необходимо расширить хотя бы для того, чтобы объяснить эти коллапсы.

Где они происходят? – задаетесь вы вопросом. Можно ли найти их в природе или они – чисто теоретические фантазии?

Они реальны, и я уверен, что вы знаете, где их найти.

Одна такая сингулярность, мать всех остальных, лежит в прошлом Вселенной, когда вся ее энергия заключалась в катастрофически малом объеме.

В некотором смысле наша Вселенная родилась из такой сингулярности, и с тех пор пространство и время стали тем, чем являются сегодня.

Еще одна сингулярность лежит глубоко внутри всех черных дыр, усеивающих Вселенную.

Вопреки тому, что думают многие, черные дыры являются противоположностью пустых отверстий: они рождаются тогда, когда из-за какой-то катастрофы слишком много материи оказывается вдавленной в слишком малый объем. Как вы услышите позже, такой процесс может вызвать смерть гигантской звезды.

Вопрос, одновременно мучающий и будоражащий множество блестящих умов с момента появления теоремы Пенроуза – Хокинга, заключается в следующем: раз сингулярности, вероятно, случаются в природе, каким образом можно хотя бы представить себе, что происходит внутри них? Как можно даже подумать о местах, где пространство и время больше не имеют смысла? Какая теория может быть использована для исследования таких катастрофических коллапсов?

Теория, включающая в себя мега– и микромир.

Раз и черные дыры, и источник происхождения Вселенной состоят из огромного количества материи и энергии, ограниченного весьма малым объемом, ответ должен включать в себя теорию, смешивающую гравитационные и квантовые процессы.

Независимо от выбранной нами для понимания Вселенной теории, лучшей, чем у Эйнштейна, она должна включать в себя квантовые аспекты гравитации, то есть пространство-время.

Пенроуз и Хокинг доказали, что теория гравитации Эйнштейна имеет ограничения, что она не может объяснить всю Вселенную ни в прошлом, ни в настоящем: она терпит крах еще до достижения рождения пространства-времени, еще до того, как кто-то займется исследованиями того, что находится на дне современных черных дыр.

С учетом вышесказанного можно было бы подумать, что вся вина за трудность нахождения квантовой теории гравитации лежит на гравитации, детище Эйнштейна. Но вы видели, что это не так. Есть также и проблемы, связанные с квантовым видением мира.

Тем не менее, какой бы трудной ни казалась задача, но сейчас вы попытаетесь смешать обе теории, ибо настало время нырнуть в черную дыру.

 

Глава 7

Серый – это новый черный

Учитывая ситуацию, вы чувствуете себя необычайно хорошо.

Вы не эфирное тело, вы не можете посмотреть сквозь себя, и ваши руки, ноги и все остальное положительно реагирует на приказы двигаться. Вы – плоть, кости и кровь, и ваше сердце бьется как обычно. Небольшая боль в шее подтверждает: вы чувствуете то же, что на Земле. Но находитесь в космическом пространстве. Ваш гид-робот вместе с жестяным желтым корпусом и трубой для выброса частиц летит рядом, такой же материальный и реальный, как и вы.

Вы оглядываетесь вокруг.

Футуристический аэропорт исчез. Вы ничего не узнаете, но догадываетесь, что должны находиться внутри какой-то галактики, недалеко от ее центра. Миллиарды и миллиарды звезд сияют как обычно. Везде. За исключением участка прямо перед вашими глазами, темного пятна пространства-времени, лишенного звезд.

Обогнав робота, вы понимаете, что участок темноты движется на фоне неподвижного фона звезд.

И он уже близко.

Висящая в пространстве пустота. Темная угроза, нависшая над всем и вся.

Вы знаете, что это такое.

Оно огромно, почти в 10 миллиардов раз больше массы Солнца. Но эта черная дыра ничем не напоминает ту, что вы видели в центре Млечного Пути. Тут нет окружающего ее пылающего кольца. Так же как поблизости нет и собирающейся упасть туда звезды. Это черная дыра уже сожрала и переварила все бывшие когда-то рядом звезды, равно как и почти весь космический мусор.

Теперь она абсолютно чиста. У нее нет никакой пищи, кроме случайно влетающих в нее метеоритов, сбившихся с курса в результате отдаленных катастроф. Некоторые из них находятся на пути в нее.

– Если там, внизу есть хотя бы намек на квантовую гравитацию, мы найдем его, – объявляет машина.

– А это опасно? – спрашиваете вы.

– Конечно. Это же черная дыра.

Вы снова смотрите в сторону черной дыры, сравнивая ее с той, что встретили в начале книги. Здесь нет струй света, вырывающихся из ее полюсов. Есть только довольно округлое, плоское черное пятно пустоты. Вы скользите по спирали вниз по созданному ей склону пространства-времени. Во время падения образы далеких звезд, проходящих вблизи ее краев, выглядят искаженными и находятся отнюдь не там, где были долей секунды раньше. Из точек света они становятся маленькими яркими полосками, покрывающими внешний край темного диска. А потом они исчезают, как будто проглоченные темной пустотой, прежде чем появиться на другой стороне – где последовательность искажения воспроизводится снова, но в обратном направлении, пока они снова не становятся похожи на далекие сверкающие точки.

Свет, похоже, искажается этой дырой, по-видимому, расширяющейся изнутри подобно темной шахте, в то время как ее края действуют как кривая линза.

Сопровождаемые роботом, вы по-прежнему падаете вниз по спирали. Вы все еще довольно далеко от того, что окажется черной дырой, но уже чувствуете обреченность, и вдруг вам хочется сбежать, пока не слишком поздно, что бы это ни означало, что бы ни показал вам робот по прибытии к цели.

– Оглянись через левое плечо, – говорит робот после минуты молчания.

Вы оборачиваетесь. Огромная глыба направляется прямо в черную дыру. Это вращающийся астероид размером с гору. Он проносится с поразительной скоростью примерно в ста километрах от вас.

Вы фокусируете свое зрение на темной серебристой поверхности астероида, единственного объекта, движущегося по направлению к черному диску черной дыры.

Истинный размер астероида сжимается по мере его отдаления. Теперь он размером с персик на расстоянии вытянутой руки. А теперь размером с небольшой, искаженный орех, а потом вдруг, когда ваше спиралевидное падение выносит вас на другую сторону от черной дыры, появляются сразу два изображения астероида. Один слева, а другой справа от вас. Искажение пространства-времени вокруг темного пятна таково, что свет, кажется, получает возможность достичь ваших глаз несколькими путями…

– Астероид скоро провалится, – говорит робот почти с сожалением.

– Провалится? – спрашиваете вы, все больше беспокоясь. – Что ты имеешь в виду под словом «провалится»? Сквозь что?

– Сквозь горизонт.

– Сквозь что?

– Сквозь горизонт событий черной дыры. Предел невозврата. Увидишь. Или не увидишь. Ни один человек или машина никогда не оказывался так близко к черной дыре, не говоря уже о нахождении внутри нее. Существует теория о том, что должно произойти там, внизу. Но она может и ошибаться. Пройдя сквозь горизонт, мы покинем границы известного.

– Может, не надо слишком приближаться к нему? – предлагаете вы.

– А может, надо, – живо отвечает робот. – Это же исследование. Нам придется согласиться с некоторыми возможными рисками.

– И где же тогда искать горизонт?

– Везде.

Направляя свою трубу то влево, то вправо, робот поочередно указывает на два противоположных места вблизи края черной дыры в направлении двух изображений астероида и между ними.

Теперь, переводя глаза от одного изображения к другому, вы ждете, что они оба продолжат падение, исчезнув за горизонтом, в дыре. Но к тому времени, как вы завершили еще один полный оборот, небольшой, размером с орех, серебристо-коричневый астероид все еще плывет над темной пустотой. Как ни странно, он, кажется, совсем не изменился с того раза, когда вы были над ним. Более того, похоже, что он больше не собирается двигаться или вращаться.

– Он не падает! – кричите вы с облегчением, так что, может быть, вам не грозит сегодня оказаться разорванным в клочья черной дырой.

– Падает, – исправляет вас робот. – Его там больше нет.

– Очень смешно.

– Он исчез, – настаивает робот. – Остался только его образ. То есть искажение пространства-времени в действии. Пространства и времени. Наше время, твое и мое, не течет одинаково с астероидом. Он уже за горизонтом. Его изображение еще на горизонте. Как-то так.

Пока вы осознаете это, мимо вас, в пустоту, проносится еще один объект: на этот раз – сверкающий камень. Он выглядит очень похоже на огромный алмаз – и на самом деле является именно им. Некоторые звезды, умирая, могут оставить после себя алмазы размером с Луну.

Наблюдая за его падением, вы завершаете еще один круг вокруг черной дыры и понимаете, что стали гораздо ближе к ней, чем раньше. И движетесь куда быстрее. Еще ряд оборотов, и несколько изображений астероида и алмаза оказываются рядом, словно застывшие в сюрреалистической темноте, становящиеся все более и более искаженными. И то же самое происходит со всем наблюдаемым вами остальным.

Что бы ни говорили вам глаза, робот опять прав: астероид и алмаз безвозвратно исчезли. А черная дыра выросла в размерах, поглотив их обоих. Или по крайней мере увеличился ее горизонт.

– И что ты хотел заставить меня увидеть? – спрашиваете вы робота. – Как пустая дыра растет, проглатывая вещи?

– Черные дыры отнюдь не пусты, – зловеще произносит робот.

На самом деле, черные дыры представляют собой полную противоположность пустоте: они – то, что происходит, когда слишком много материи и энергии оказывается в чересчур маленьком пространстве. Для ее создания требуется колоссальная энергия. Насколько нам известно, только самые огромные из ярких звезд излучают достаточное количество энергии, чтобы, умирая, сжать свое сердце в такое целое.

Ранее во время путешествия вы столкнулись с белыми карликами, а белые карлики – результаты подобных сжатий, но они не настолько экстремальны, как черные дыры. Все типы таких остатков звездных катастроф производят впечатление, но черные дыры выходят за пределы всех их. И раз уж мы здесь, то, пока вы по спирали проделываете вниз еще пару кругов вокруг черной дыры, в которую неумолимо падаете, позвольте мне назвать еще одну причину, почему они столь пугающие и таинственные.

Если бы вам пришлось оказаться на каком-нибудь объекте во Вселенной, будь то астероид, планета или звезда, вы могли бы послать оттуда световой сигнал, определив ваше положение. Но чем плотнее объект, на котором вы оказались, тем большим количеством энергии должен обладать ваш сигнал, чтобы подняться вверх по склону, созданному вокруг данного объекта в пространстве-времени. Это так же, как в случае с миской: чем она глубже, тем быстрее вам нужно разогнать мраморный шарик в нижней части для того, чтобы проделать по спирали весь путь вверх и оказаться снаружи. Сидя на планете, звезде или белом карлике, вы должны последовательно посылать все больше и больше энергии для выхода сигнала в космос, чтобы избежать его притяжения и падения обратно.

Черные дыры еще хуже. Они содержат так много материи и энергии и, следовательно, создают настолько крутой пространственно-временной склон, что все, чему не повезло подойти к ним на слишком близкое расстояние, обречено на падение туда. Согласно Общей теории относительности, ничто в нашей Вселенной не имеет достаточной мощности, чтобы избежать гравитационного захвата черной дырой. Даже свет. Точка невозврата, за которую ничто не может выйти, – горизонт событий черной дыры – лежит где-то там, где, по всей видимости, застыли образы астероида и алмаза, если смотреть на них из-за ее пределов.

НИЧТО В НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ НЕ ИМЕЕТ ДОСТАТОЧНОЙ МОЩНОСТИ, ЧТОБЫ ИЗБЕЖАТЬ ГРАВИТАЦИОННОГО ЗАХВАТА ЧЕРНОЙ ДЫРОЙ. ДАЖЕ СВЕТ.

Темнота продолжает вырастать перед вами, словно огромный рот, готовый проглотить вашу реальную сущность.

Далекие звезды повсюду теперь выглядят совершенно иначе. У вас даже возникает приводящее в замешательство ощущение того, что то, что вы видите перед собой, на самом деле находится сзади… Повернув голову, вы понимаете, что это не просто ощущение, а реальный факт. Свет, излучаемый сияющими за вашей спиной звездами, перемещаясь с обычной для него скоростью, обгоняет вас и несется вниз по склону, созданному черной дырой. Все лучи, распространяющиеся слева от монстра, вновь появляются уже справа от него, совершив, словно на американских горках, разворот на 180 градусов. А затем эти лучи разворачиваются вам навстречу, ослепляя. Поэтому, глядя вперед, вы видите находящееся позади вас…

С того места, где вы находитесь, на самом деле, можно увидеть всю Вселенную, просто глядя вперед.

А так как вы продолжаете опускаться по спирали, все становится еще более запутанным.

Образы астероида и алмаза теперь снова пришли в движение: по мере того как вы оказываетесь все ближе к ним, их и ваше время все сближаются, и вот они внезапно исчезают совсем.

Вы только что видели, как они пересекают горизонт, сквозь который они, вероятно, прошли несколько часов назад, по их собственному времени.

Летящий рядом с вами робот развернулся, его труба теперь указывает в сторону космоса.

Вы тоже медленно оборачиваетесь, опасаясь того, что можете там обнаружить.

И то, что вы видите, лежит за пределами воображения.

Все находящиеся повсюду звезды, секунду назад казавшиеся замершими, теперь перемещаются. Отсутствие их неподвижности, как правило, незаметное даже на отрезке длиной в человеческую жизнь, теперь для вас очевидно. Начиная с ближайших и заканчивая самыми отдаленными, все они несутся по пространству и времени. Некоторые из них движутся настолько быстро, что даже оставляют след на сетчатке ваших глаз, рисуя затухающие кривые света на вашей картинке Вселенной. Точно так же как раньше, когда вы неслись по Вселенной, разгоняясь все ближе к скорости света, вы наблюдали жизни космонавта, его детей и детей его детей, пролетающие в прошлом, и их время ускорялось по сравнению с вашим. На тот момент ваше время и их были разными из-за вашей скорости. На этот раз все это происходит из-за гравитации вследствие искривления пространства-времени, обусловленного наличием черной дыры. Ибо здесь, вокруг черной дыры, ваше время течет медленнее, чем где-либо еще. Вы видите разворачивающееся будущее Вселенной, и это опять же то, что на практике подразумевает пространство и время, объединенные в пространство-время.

– Мы уже пересекли горизонт? – вдруг спрашиваете вы с беспокойством. – Или нам придется вечно падать внутрь?

Робот снова оборачивается, чтобы взглянуть на вас, и вы с большим удивлением понимаете, что его труба расширилась. Собственно говоря, он выглядит так, будто предназначен уже для выбрасывания не частиц, а шаров для боулинга…

– Мы еще не пересекли, – отвечает он. – Но ты как раз собираешься.

Если бы вы были более благоразумны, то сказали бы, что обнаружили в голосе робота нотку удовольствия. Но прежде, чем вы успеваете отреагировать, он выстреливает тяжелым мячом прямо вам в грудь. Вы не в состоянии избежать удара, и у вас нет другого выбора, кроме как поймать летящий в вас снаряд. Мгновенно его скорость толкает вас вниз, по направлению к зияющей темноте…

Вы кричите, отчаянно стараетесь ухватиться за что-нибудь, пытаясь остановить свое падение, но вокруг нет ничего, чтобы задержаться.

Вы падаете. Робот отдаляется.

Одна ваша секунда соответствует уже его одной минуте.

А теперь часу.

А теперь дню.

А теперь году.

Пока робот продолжает удаляться, миллионы лет проплывают перед вами. Звезды взрываются. Новые звезды рождаются. И вы видите все это.

Прошли уже миллиарды лет снаружи дыры. Другая галактика сливается с той, в которой вы находитесь.

Робота больше нигде не видно. Вы предоставлены самому себе.

И вы паникуете.

Вы пересекли горизонт черной дыры. Ошарашенный, вы смотрите в будущее всего. Охваченный страхом, не в силах сосредоточиться, вы падаете вперед ногами, устремив взгляд вверх, над вашей головой, на разворачивающуюся жизнь всей Вселенной, в то время как сами исчезаете в бездне неизвестного небытия, на дне которого лежит сингулярность.

И теперь вы опускаете взгляд, чтобы посмотреть в нее, в загадочное сердце черной дыры, где противоположность небытия, сама материя, создающая весь этот нонсенс, должна создать где-то и этот абсурд.

К вашему большому удивлению, вы вообще ничего не видите. Даже своего тела. Ни ног. Ни носа. Ни даже не вашей собственной руки.

Свет может упасть на вас сверху, придя снаружи, но отсюда ничего не сможет подняться – изнутри, с любого направления, независимо от его близости. У света нет на это достаточной энергии. Вы пересекли горизонт черной дыры и теперь обречены вечно падать в направлении поверхностей многих разрушившихся звездных ядер, объединившихся во время бесконечного падения, пока они слишком сильно не растянут пространство-время для общей теории относительности Эйнштейна с неизвестными последствиями.

На самом деле, если бы вы реально оказались там, то были бы мертвы, ибо если даже свет не может проделать крошечный путь от ваших ног к глазам, то нет никакого способа, с чьей помощью кровь смогла бы взобраться по склону пространства-времени, по которому вы скользите вниз, чтобы достичь вашего мозга.

Но так как нам еще много чего предстоит увидеть, то мы предполагаем, что вы все еще живы.

Не желая смотреть в эту бездонную тьму, вы решаете снова взглянуть вверх на Вселенную и на то, как ее изображения текут вниз по направлению к вам сквозь теперь уже далекий горизонт. Но вы не можете. Любое движение, предполагающее перемещение части вашего тела вверх, в направлении «наружу», запрещено. Это потребовало бы энергии, которой не обладает даже свет.

Ни одного движения вверх не допускается.

Как только вы начинаете задаваться вопросом, существует ли что-то хуже этого, приливные силы начинают истязать ваше тело. Гравитационное влияние невидимого присутствия черной дыры теперь начинает тащить ваши ноги вниз сильнее, чем руки и голову. Гравитация черной дыры удлиняет ваше тело. Вы собираетесь закончить свою жизнь растянутым, как спагетти.

Даже если бы коварный робот вооружил вас самыми мощными из изобретенных ракетных двигателей, это бы ничего не изменило.

Вне зависимости от мощности двигателя, как только бы вы попытались двигаться вверх по направлению к горизонту черной дыры, то почувствовали бы, как вас растягивает на скользкой, натянутой ткани пространства-времени, словно беспрерывно работающая беговая дорожка, чья скорость всегда превышает вашу с огромным отрывом, увлекает вас вниз.

По мнению Пенроуза и Хокинга, вас затянула сингулярность пространства-времени, лежащая где-то там внизу, сингулярность, которую никогда не будет видно из космоса. Ни одному лучу света не позволено проникнуть за горизонт, сингулярность скрыта им. Там, внизу, само представление о пространстве и времени ломается, так же как за некоторое время до Большого взрыва. Никто никогда не мог проникнуть в сердце сингулярности и выйти, чтобы рассказать о ней. Такие места, по-видимому, должны навсегда остаться под покровом тайны.

Согласно общей теории относительности, ни вы, ни какой-либо принадлежащий вам атом никогда не сможет выбраться оттуда.

Грустная мысль, особенно теперь, когда вы полностью разорваны, превратившись в длинную нить из всех частиц, составлявших ваше тело.

Да, мысль грустная, но общей теории относительности не стоит доверять там внизу.

Ибо мы должны помнить, что общая теория относительности не является квантовой теорией поля.

И в тот момент, когда это приходит вам в голову, надежда немедленно возвращается, и вы превращаетесь в мини-копию.

И ждете.

Сначала ничего не происходит.

А потом, как ни удивительно, вы видите, что все составляющие вас элементарные частицы исчезают.

Или выпрыгивают, если быть более точным.

По существу, они делают квантовый скачок.

И теперь они снаружи.

Снаружи черной дыры, где, к вашему счастью, они снова собираются в мини-копию вас.

И там вас встречает робот.

В данный момент вам очень хочется наброситься на него и попытаться вырвать из его корпуса металлическую трубу, мстя за тот выстрел, что увлек вас за горизонт черной дыры, но прежде, чем вы успеваете что-то сделать, раздается металлический голос робота:

– Я ждал тебя около 10 миллиардов лет. Я рад, что ты узнал меня.

И внезапно у вас пропадает решимость причинить ему боль. И, кроме того, есть более важные вещи для раздумий. Не в последнюю очередь о том, что вы только что пережили на примере гравитационных и квантовых полей, взаимодействующих друг с другом.

Все вокруг и звезды снова движутся незаметно медленно. 10 миллиардов лет действительно прошло с тех пор, как вы пересекли (извините, были вытолкнуты за) горизонт черной дыры. Вы смотрите на черное пятно пространства, из которого чудом спаслись. На первый взгляд, кажется, изменилось немного; но теперь, когда вы знаете, что искать, это похоже на то, как если бы убрали еще одну завесу, и вы действительно видите. Излучающиеся черной дырой частицы спасаются бегством, удаляясь от нее, и у вас появляется ощущение, что темный монстр испаряется.

Может быть, так происходит все время, понимаете вы, но вы просто не замечали. Но как такое может быть?

Как сказал однажды Ричард Фейнман: «Только тот действительно понимает феномен, кто может привести множество разных причин, чтобы он случился».

Таким образом, пока вы с роботом наблюдаете за ливнем высыпающихся в космос частиц, я приведу вам четыре причины, почему сквозь черные дыры протекают частицы. Все они связаны с процессом, с которым вы уже столкнулись.

Первая из них – самая простая.

Как вам известно, квантовые частицы могут заимствовать энергию из своего поля. И они могут делать это, даже находясь за горизонтом черной дыры. С помощью этой заимствованной энергии они некоторое время могут двигаться быстрее скорости света. Недолго, но достаточно для совершения квантового прыжка из зоны невозврата черной дыры. Это то, что сделали вы, будучи своей мини-копией. Это – квантовый процесс.

Все способы понять, что с вами случилось, являются квантовыми по своей сути, так что все они сопровождаются обычным предупреждением о вреде вашему здоровью, ибо, как и многое из того, что вы видели в квантовом мире, они могут показаться абсурдными.

Вторая причина – не исключение: можно сказать, что все провалившиеся сквозь горизонт черной дыры частицы одновременно не совершали этого. И делали, и не делали. Из всех возможных путей частица (рассматриваемая как волна) может выбрать упасть в дыру, и в большинстве случаев она промахнется, потому что за пределами черной дыры гораздо больше пространства, чем в ней. Удивительно, но эта тщательно разработанная идея заставляет черную дыру испаряться точно так же, как и первая причина выше.

Третья причина заключается в следующем: из-за разделяющего их горизонта вакуум за горизонтом черной дыры горизонта отличается от вакуума снаружи, так некая форма силы вакуума, эффект Казимира, заставляет горизонт вталкиваться внутрь, в результате чего черная дыра сжимается и испаряется. Это опять-таки каким-то чудом дает тот же результат, что и выше.

Четвертая и последняя причина, которую я здесь приведу, это та, что рождение пар частиц-античастиц происходит вблизи всех горизонтов черных дыр, причем античастицы сваливаются в дыру чаще, чем частицы; точно так же, как вокруг нас, как правило, частиц больше, чем античастиц. Перейдя горизонт, античастица обязана в конечном итоге аннигилировать с находящейся там частицей, заставляя их обеих исчезнуть, и снаружи остается только частица: частица, созданная вместе с античастицей, близнец частицы, аннигилировавшей внутри. Опять же это дает в итоге тот же результат.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ИСПАРЯЮТСЯ. ОНИ ПРОТЕКАЮТ.

Все эти квантовые эффекты вы наблюдали и прежде, но здесь они применяются в непосредственной близости от черной дыры. И все ведут к одному и тому же выводу: черные дыры испаряются. Они протекают.

Поэтому когда вы теперь смотрите на блеск черной дыры, то понимаете, что этот космический монстр черной дыры, на протяжении миллиардов лет поглощавший целые звезды, уже не черный, а серый. И сокращающийся.

Еще более удивительным является факт, что чем больше частиц она излучает, тем горячее становится, а чем жарче становится, тем больше частиц из нее выбрасывается. Замкнутый круг, неумолимо ведущий к ее смерти.

Смерть черной дыры.

Каким бы невероятным это ни показалось, черная дыра, на которую вы смотрите, сокращается, испуская некоторое излучение. Энергия пространства-времени, хранящаяся в ней в результате поглощения целых миров, теперь возвращается обратно в космическое пространство, частица за частицей в каждый момент времени, как будто, подобно радиоактивному распаду, существовавшие вокруг черные дыры лопаются, давая частицам второй шанс…

Все квантовые поля природы, возбуждаемые тем, что является не чем иным, как самым мощным гравитационным объектом, известным во Вселенной, в настоящее время используют это неожиданное золотое дно, чтобы наполнить себя энергией. По мере того как черная дыра становится все горячее и горячее, их фундаментальные частицы – до сих пор дремавшие – просыпаются и выходят наружу. Вы видите, как это происходит. И чем меньше становится черная дыра, тем сильнее возбуждение полей, тем более энергично выбрасываются из нее частицы. Гравитационная энергия в очередной раз преобразовывается в материю и свет.

Пока весь процесс разворачивается на ваших глазах, вы понимаете, что он – полное противоречие земным законам: горячая вода в кружке на планете Земля не нагревается, испаряясь. Обычно она остывает. Если бы это было иначе, то забытый на столе горячий кофе привел бы к катастрофе. Вечерние новости пестрели бы историями вроде: «Еще одна чашка кофе подожгла стол, что привело к возгоранию всего здания. Не забывайте всегда обезвреживать ваши горячие напитки, сливая их в соответствующие резервуары».

ЧЕМ БОЛЬШЕ ИСПАРЯЮТСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ, ТЕМ БОЛЬШЕ ОНИ СЖИМАЮТСЯ И СТАНОВЯТСЯ ГОРЯЧЕЕ. НИКТО НЕ ЗНАЕТ, ЧТО ПРОИСХОДИТ В КОНЦЕ ЭТОГО ПРОЦЕССА. ИСЧЕЗАЮТ ЛИ ОНИ? ЧТОБЫ ВЫЯСНИТЬ ОТВЕТ, НЕОБХОДИМО УЗНАТЬ, КАКИЕ ЗАКОНЫ ИМИ УПРАВЛЯЮТ. УЧЕНЫЕ ИЩУТ ИХ, НАЧИНАЯ С 1975 ГОДА.

Черные дыры явно отличаются от чашек кофе. Чем больше они испаряются, тем больше они сжимаются, тем горячее они становятся. Никто не знает, что происходит в конце этого процесса. Исчезают ли черные дыры с финальным взрывом? Остаются ли от них странные, крошечные остатки с особыми свойствами? Чтобы выяснить ответ, необходимо узнать, какие законы управляют сингулярностью, скрытой глубоко внутри. Ученые ищут их, начиная с 1975 года. Это был тот год, когда Стивен Хокинг обнаружил на бумаге, что черные дыры испаряются.

Сначала он не поверил собственным расчетам. Свет казался выходящим из места, где никакому свету не предполагалось быть вообще. Так что он снова повторил свои расчеты. И снова. Только чтобы убедиться, что свету и частицам действительно удалось найти выход из черных дыр. Он опубликовал свое открытие в журнале Nature и мгновенно стал известен во всем мире, за пределами научных кругов. Квантовые эффекты заставили черные дыры испаряться. Что бы ни очутилось внутри них, не обречено остаться там навсегда. Оно выходит наружу, пусть и не обычным способом. Обладая способностью испаряться, черные дыры ведут себя так, будто обладают температурой, известной сегодня как температура Хокинга.

Наблюдая, как из черной дыры выходят остатки энергии, вы понимаете, что то, на что вы смотрите, сообщает вам, что микромир и мегамир способны общаться, если им, конечно, приходится это делать. Излучение черных дыр до сих пор является единственным доказательством, что наши теории могут в этом отношении отражать природу. Это конкретный намек, говорящий, что теория квантовой гравитации все-таки может быть возможна. Любому серьезному сопернику такой теории придется рассчитать температуру Хокинга и испарение черных дыр – весь путь до самой смерти черной дыры.

– Черные дыры могут умирать, – говорите вы громко вслух, не в силах поверить.

– Как и все остальное в этой Вселенной, – подхватывает робот.

Но примерно в конце 70-х годов прошлого века открытие Хокинга также привело к довольно странному и весьма нервирующему заявлению. Имея в руках свою формулу температуры, Хокинг попытался извлечь и расшифровать из найденного им излучения информацию о том, что в первую очередь составляет черную дыру. Чтобы упростить процесс, он начал с уже полностью сформированной черной дыры и «бросал» в нее различные предметы, чтобы увидеть, как преобразует каждый из них последующее излучение. Удивительно, но не оказалось никакой разницы. Ничто в испускаемом излучении не сообщало ему ничего о брошенных в дыру вещах, кроме их массы. Из того, что он мог сказать, казалось, что черные дыры целиком и полностью избавляются от характеристик того, что они поглотили. Кроме их массы. Независимо от того, проваливались ли сквозь горизонт черной дыры люди, стопки книг, астероиды или алмазы, если у них оказывалась одинаковая начальная масса, то впоследствии они испарялись абсолютно одинаковым образом. Так что для черных дыр, по версии Хокинга, люди, книги и камни были одинаковыми на вкус. Для всех нас это означает, что для черных дыр какое-то значение имеет лишь наша масса, что может задеть достоинство некоторых. Для ученых, однако, это стало философской катастрофой.

До работы Хокинга предполагалось, что черные дыры поглощают все, что пересекает их горизонт, и растут, и это не представляло собой проблемы. Все, что упало внутрь, не теряется. Оно просто хранится за горизонтом, и трудно (на самом деле невозможно, но кто знает) извлечь его обратно.

Имея ошеломляющую информацию об испарении черных дыр, мы сталкиваемся с ее тревожным осуществлением на деле: вещи начинают пропадать из реальности. Независимость излучения Хокинга от того, что именно попадает в дыру, означает, что эти темные монстры становятся провалами памяти нашей Вселенной. И раз черные дыры испарили хранимое в недрах прошлое, к которому не только трудно, но и невозможно получить доступ, то его просто нигде больше нельзя будет найти. Оно исчезло навсегда. Наука искала Теорию всего, теорию объяснения всего в одной формуле, и первый же результат, достигнутый в результате такой попытки, нанес невыносимый удар по науке в целом. Науке, навечно лишенной шанса объяснить потерянное прошлое, очутившееся в черных дырах, велено отказаться от надежды однажды описать и понять всю историю Вселенной. Излучение Хокинга стало колоколом, возвещающим не конец квантовой физики или общей теории относительности, но конец физики как средства познания, откуда произошла Вселенная. Эта проблема была дублирована информационным парадоксом черных дыр.

Сегодня физики больше знакомы с грубыми приближениями Хокинга, используемыми им для достижения результата. Но и через 40 лет после своего открытия, когда Хокинг попросил меня поработать над этой проблемой вместе с ним, она осталась окутанной тайной. Но теперь появились намеки, что выход может быть найден, если применить то, что известно о квантовом мире, к самим черным дырам, и тогда оказывается, что черные дыры могли существовать, а могли и не существовать… Куда привели ученых такие размышления, вы узнаете в следующей, заключительной части книги.

Однако на данный момент, находясь в неизвестном количестве миллиардов лет в будущем, вы вдруг вспоминаете о подозрительном счастье робота по поводу вашего возвращения из черной дыры. Разве вас не удивило тогда, почему он был так обрадован, что вы его узнали?

Вы думали, что это было искренне, не так ли? Но, вероятно, ничего подобного, и теперь вы знаете причину: робот не был уверен, помните ли вы что-нибудь вообще. Он не знал, очистит или нет черная дыра ваше тело и разум от всей содержащейся в них информации. Когда вы узнали его и хотели разорвать его на куски за то, что он толкнул вас, то он узнал…

Он узнал, что вы вспомнили все, что информация в вашем случае не была потеряна, даже если у вас нет ни малейших воспоминаний о том, как вам удалось вернуться сквозь горизонт черной дыры.

Вы помните, что стали набором из фундаментальных частиц. А потом – что оказались снаружи.

В промежутке произошел квантовый скачок или что-то другое.

Выяснение того, как именно это могло случиться, – именно то, что предполагает достичь приличная теория квантовой гравитации. И так как это то, что вы будете исследовать в ближайшее время, позвольте мне подчеркнуть тот факт, что с начала этой части книги вы вошли в чисто теоретический мир. Темная материя никогда не была создана в лаборатории, так же как и темная энергия, то же самое справедливо и для черных дыр: их испарение до сих пор не было обнаружено никаким экспериментом, прямо или косвенно. Иначе Хокинг получил бы Нобелевскую премию.

Испарение черной дыры, например, довольно трудно обнаружить.

Насколько трудно?

Посмотрим.

Возьмем Солнце.

Чтобы превратить его в черную дыру, вам нужно было бы сжать его до сферы шесть километров в ширину. Это эквивалентно примерно двум третям диаметра Лондона. Большинство черных дыр во Вселенной рождаются при гибели гигантских звезд, так что они должны быть больше Солнца (оно не является гигантской звездой). Теперь давайте предположим, что одна из этих черных дыр «солнечной массы» проглотила все поблизости и теперь тихо существует где-то вдали от всего. Ее температура излучения, температура Хокинга, должна составлять примерно одну десятимиллионную градуса выше абсолютного нуля (а абсолютный ноль равен около -273,15 °C).

Одна десятимиллионная доля градуса – не так много. Ее трудно измерить отдельно. Но это не главная проблема.

Основная проблема заключается в том, что температура Хокинга гораздо ниже, чем космическое микроволновое фоновое излучение температурой 2,7 °C, омывающее все в видимой Вселенной. В результате черные дыры солнечной массы не рассматриваются в настоящее время как испаряющиеся. По правде говоря, на сегодняшний день никто никогда не видел их в этом состоянии. Они есть и всегда были замаскированы остаточным реликтовым излучением эпохи Большого взрыва.

А так как чем тяжелее черная дыра, тем ниже ее температура, то хуже всего приходится крупным, сверхмассивным монстрам, которые сидят в центре большинства галактик Вселенной. Их температура Хокинга даже холоднее, чем у дыр с солнечной массой, не говоря уже о том, что они окружены чрезвычайно горячими кольцами падающей в них материи.

Следовательно, то, что могло бы принести Хокингу Нобелевскую премию, может находиться в микромире, так как крошечные черные дыры должны быть очень горячими.

К сожалению, тут все еще есть проблема: ученые достаточно уверенно говорят, что заметили гигантские черные дыры, но никогда не видели ни одной крошечной. Хотя это к делу не относится. Давайте предположим, что они есть. Можем ли мы на практике извлечь что-нибудь из них?

Чтобы выяснить это, позвольте мне сделать небольшое отступление от темы, которое прольет некоторый свет на то, что я раньше назвал стеной Планка.

В начале XX века один из самых впечатляющих ученых всех времен основал то, что мы сегодня называем квантовой физикой. Он был немец, как и Эйнштейн, и звали его Макс Планк. Он получил Нобелевскую премию по физике в 1918 году.

Из собственных открытий Планк понял, что существует масштаб, за пределами которого квантовые эффекты игнорировать нельзя. Возьмите большой объект, и все будет в порядке. К нему можно применить ньютоновское понимание природы, и независимо от того, что от него ожидается, он соответствует реальности, к которой мы привыкли в нашей повседневной жизни. Но стоит сжать этот объект до микроскопических размеров, и видение Ньютона начинает разваливаться. Ньютон, позвольте мне повториться, открыл способ описать мир в привычном людям масштабе. Это согласуется с нашим здравым смыслом. Для мегамира преобладает видение Эйнштейна. Для микромира – Планка. Там мы и должны рассматривать квантовый мир. И существует природная константа, позволяющая нам понять, где он начинается. Она называется постоянной Планка.

Постоянная Планка находится на равных с двумя другими универсальными природными константами, а именно со скоростью света и гравитационной постоянной, которая говорит нам, каким образом две массы притягиваются друг к другу.

Однажды Планк решил поиграть с этими константами и создал из них три вещи. Первая стала массой. Вторая – длиной. И еще одна – единицей времени.

Масса оказалась равной 21 микрограмму. 21-миллионная часть грамма. Ее называют массой Планка.

Длина составила приблизительно 10 метров. Это – длина Планка.

Время получилось равным около 10 секунды. Оно называется временем Планка.

Чему они соответствуют?

Они соответствуют масштабам, за пределами которых ни гравитация, ни квантовая физика не могут использоваться независимо друг от друга. Они являются порогами, за которыми для объяснения происходящего требуется квантовая гравитация, хотя ряд эффектов квантовой гравитации могут появиться до достижения этих масштабов.

Что это означает на практике?

Что ж, это означает, что масштабы Планка указывают размер самой маленькой возможной черной дыры.

Так что самая маленькая черная дыра, которую может представить себе сегодняшняя наука, весит около 21 микрограмма. Как ни странно, этот вес наш ум может принять. Но, похоже, он не впечатляет. Хотя он огромен, если втиснут в мельчайший объем пространства-времени: сферу шириной в длину Планка. Такая черная дыра испарится за… 10 секунды. Время Планка.

Предположим, что мы могли бы измерить такие крошечные и так быстро происходящие вещи. Тогда нам необходимо было бы создать черную дыру планковской массы для ее изучения. Но с нашими нынешними технологиями достаточно мощный ускоритель частиц для создания такой черной дыры при столкновении движущихся на высоких скоростях частиц должен быть размером с нашу Галактику. Само собой разумеется, что это выходит далеко за пределы наших возможностей, и я сомневаюсь, что кто-то готов приступить к сооружению такого устройства (кроме Хокинга, по понятным причинам). Хотя утешение может прийти из космического пространства, где могут быть обнаружены такие крошечные черные дыры, выплескивающие свою последнюю энергию. И только если пока еще неизвестному феномену захочется сообщить нам, где и что искать, тогда кому-то могло бы чрезвычайно повезти немедленно его обнаружить.

Хотя никто не сомневается, что излучение Хокинга существует. А это значит, что где-то там, в микромире, маячит новая реальность: квантовая реальность, содержащая в себе пространство и время собственной персоной.

И именно из-за нее, как вы сейчас увидите, в умах некоторых из самых блестящих ныне здравствующих ученых возникла самая необычная картина нашей Вселенной.