Интерстеллар: наука за кадром

Наблюдая с помощью высокоточных инструментов за большими объектами, мы тоже видим флуктуации. Но флуктуации больших объектов крайне малы. В детекторах гравитационных волн ЛИГО (см. главу 16) положения 40-килограммовых зеркал[81] определяются с помощью лазерных лучей. Положения зеркал флуктуируют, но величина этих флуктуаций намного – в десять миллиардов раз! – меньше размеров атома (рис. 26.2). Тем не менее лазерные лучи ЛИГО уже в течение нескольких лет отслеживают эти флуктуации. (Конструкция ЛИГО, однако, не позволяет флуктуациям мешать измерению гравитационных волн. Мы с моими учениками успели это доказать.)

Рис. 26.2. 40-килограммовое зеркало, подготовленное для установки в ЛИГО. Его положение квантовомеханически флуктуирует – очень-очень слабо, на одну десятимиллиардную от диаметра атома

Поскольку объектам человеческих и больших масштабов присущи лишь крохотные квантовые флуктуации, физики зачастую их не учитывают. Игнорирование флуктуаций сильно облегчает формулы и упрощает расчеты.

Если мы возьмем обычные квантовые законы, не учитывающие гравитацию, а затем отбросим флуктуации, мы получим законы ньютоновской физики – законы, которые в течение нескольких последних столетий использовались для описания планет, звезд, мостов и бильярдных шаров (см. главу 3).

Если же взять законы квантовой гравитации (о которых мы знаем пока немного) и пренебречь флуктуациями, то должны получиться законы теории относительности (которые изучены куда лучше). Флуктуации, которыми мы пренебрежем, – это, например, пена из крохотных флуктуирующих червоточин («квантовая пена», которой пронизано все пространство; см. рис. 26.3 и главу 14)[82]. Без учета флуктуаций законы теории относительности точно описывают искривление пространства и времени вблизи черной дыры и замедление времени на Земле.

Рис. 26.3. Квантовая пена. Есть некоторая вероятность (скажем, 0,4), что пена будет иметь форму а, другая вероятность (скажем, 0,5) – что b, и еще одна (0,1) – что с (Рисунок Мэтта Зимета по моему наброску; из [Торн 2009].)

Все это время мы вели к главному: если бы профессору Брэнду удалось открыть законы квантовой гравитации и для балка, и для нашей браны, тогда, исключив из этих законов флуктуации, он мог бы найти точную форму своего уравнения (см. главу 25). И узнал бы причину гравитационных аномалий и как ими можно управлять – то есть как можно их использовать для эвакуации человечества с Земли.

Профессор (в Кип-версии) хорошо это понимает. Кроме того, он знает, откуда можно получить законы квантовой гравитации. Из сингулярностей.

Сингулярности: область квантовой гравитации

Источник сингулярности – это место, где искривление пространства и искривление времени возрастают неограниченно, где они становятся бесконечно большими.

Если мы представим, что искривленное пространство нашей Вселенной подобно волнующейся поверхности океана, тогда источник сингулярности похож на верхушку волны, которая вот-вот обрушится вниз, а недра сингулярности подобны бурлению разбившейся волны (рис. 26.4). Гладкая волна – перед тем, как она разобьется, – подчиняется «гладким» законам физики, таким как законы теории относительности Эйнштейна. Бурун требует иных законов – таких, как законы квантовой физики с их квантовой пеной.

Рис. 26.4. Сингулярность как верхушка океанской волны, которая вот-вот обрушится

Сингулярности лежат в сердцевинах черных дыр. Законы теории относительности однозначно говорят нам об этом, хоть они и не могут объяснить, что происходит внутри сингулярностей. Для этого предназначены законы квантовой гравитации.

В 1962 году я перешел из Калтеха (где окончил бакалавриат) в Принстонский университет, чтобы учиться на доктора физических наук. Я выбрал именно Принстон, потому что там преподавал Джон Уилер. Ведь Уилер тогда был флагманом в теории относительности.

Рис. 26.5. Джон Уилер в 1971 году читает лекцию о сингулярностях, черных дырах и Вселенной

Одним сентябрьским днем я с трепетом постучал в дверь кабинета профессора Уилера. Это была моя первая встреча с этим великим человеком. Широко улыбаясь, он приветствовал меня, провел внутрь и сразу же – как будто я был его достославным коллегой, а не полнейшим новичком – начал разговор о тайнах звездных коллапсов. Коллапсов, в результате которых образуются черные дыры с сингулярностями в их сердцевине. В этих сингулярностях, утверждал он, «вершится пылкий брак законов теории относительности с законами квантовой физики». Плоды этого брака, говорил Уилер, законы квантовой гравитации, в сингулярностях расцветают полным цветом. Если бы мы могли разобраться в сингулярностях, мы бы узнали законы квантовой гравитации. Сингулярности – это розеттский камень[83] для расшифровки квантовой гравитации.