Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Безусловно, локальность играет важную роль в нашей повседневной жизни, но представляется, что фундаментальная природа реальности не сводится к тем явлениям, которые обладают конкретными координатами в пространстве. Опять же, здесь нам снова может помочь многомировая интерпретация квантовой механики. При других подходах пространство принимается как данность и вся работа ведется в контексте пространства. Но эвереттовская философия, центральное место в которой отводится волновой функции, позволяет признать, что пространство может выглядеть принципиально по-разному в зависимости от того, с какой точки зрения мы его рассматриваем, а может и вообще оказаться концептуально бесполезным. Физики по-прежнему сражаются со следствиями, вытекающими из этой идеи, но она уже успела привести нас к некоторым любопытным результатам.

⚪ ⚪ ⚪

В общей теории относительности черная дыра – это область пространства-времени, которая искривлена настолько сильно, что оттуда ничего не может вырваться, даже свет. Граница черной дыры, отделяющая ее от внешнего мира, называется горизонтом событий. Согласно классической теории относительности, площадь горизонта событий может только увеличиваться, черные дыры растут по мере того, как в них попадают материя и энергия, но не могут сбрасывать свою массу в окружающий мир.

До 1974 года все считали, что в природе так все и устроено, пока Хокинг не объявил, что квантовая механика все меняет. При наличии квантовых полей черные дыры должны естественным образом испускать частицы в окружающую среду. Эти частицы образуют спектр абсолютно черного тела, поэтому у каждой черной дыры есть температура: сравнительно массивные черные дыры холоднее, тогда как очень маленькие черные дыры невероятно горячие. Формула для вычисления температуры излучения черной дыры высечена на могильном камне Хокинга в Вестминстерском аббатстве.

Частицы, излучаемые черной дырой, уносят с собой энергию, из-за чего черная дыра постепенно теряет массу и наконец полностью испаряется. Хотя было бы неплохо зафиксировать излучение Хокинга в телескоп, этого не удастся сделать ни с одной из известных нам черных дыр. Хокинговская температура черной дыры, сравнимой по массе с Солнцем, составит около 0,00000006 кельвина. Любой подобный сигнал не будет виден на фоне других источников, например таких, как реликтовое микроволновое излучение, отголосок Большого взрыва; температура этого излучения составляет 2,7 кельвина. Даже если бы такая черная дыра совершенно не росла за счет аккреции материи и энергии, потребовалось бы около 10⁶⁷ лет, чтобы она полностью испарилась.

Есть стандартная история, которую рассказывают в ответ на вопрос, почему черные дыры излучают. Я ее рассказываю, Хокинг ее рассказывал, все ее рассказывают. История такова: согласно квантовой теории поля, вакуум напоминает булькающее варево из частиц, которые возникают и сразу же исчезают, как правило, парами, и каждая такая пара состоит из частицы и античастицы. Обычно мы этого не замечаем, но поблизости от горизонта событий черной дыры одна из этих частиц может свалиться в черную дыру и никогда уже не выбраться оттуда, а другая частица улетает в окружающий мир. Тому, кто наблюдает за этим издалека, будет казаться, что ускользнувшая частица обладает положительной энергией, поэтому для достижения равновесия та частица, что упала в черную дыру, должна иметь отрицательную энергию. Поглощая такие частицы с отрицательной энергией одну за другой, черная дыра постепенно теряет массу.

С эвереттовской точки зрения, согласно которой первична волновая функция, можно описать этот процесс еще точнее. История с появлением и исчезновением частиц – наглядная метафора, помогающая интуитивно понять физику этого процесса. Но на самом деле у нас есть только квантовая волновая функция полей, расположенных поблизости от черной дыры. Причем эта волновая функция не статична: она эволюционирует, в данном случае давая чуть уменьшившуюся черную дыру и частицы, разлетающиеся от нее во все стороны. Ситуация вполне схожа с процессами, происходящими в атоме: электроны, имея небольшой избыток энергии, перескакивают в состояния с более низкой энергией, излучая при этом фотоны. Разница только в том, что атом в конце концов достигает состояния с наименьшей возможной энергией и остается в нем, тогда как черная дыра (насколько мы понимаем) просто испаряется без остатка, в последний момент взрываясь, давая вспышку высокоэнергетических частиц.