Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для чёрных дыр, Большого взрыва и теорий всего

Как-то раз осенью мы с Доном Маролфом беседовали о проблеме гравитации в студенческом центре Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, закусывая салатами и любуясь видом на лагуну. Стоп! Откуда мне известно, что я сидел именно в этом студенческом центре в тот осенний день? В соответствии с принципом локальности я занимал определенное положение, студенческий центр занимал свое положение, и если эти положения совпадали, то я был там. Координаты в GPS-навигаторе в моем телефоне совпадали с координатами центра, а дата совпадала с датой на календаре, висевшем на стене. Вместе с тем эта вроде бы простая процедура не выдерживала критики. «Чтобы задать вопрос о том, “здесь” ли мы, нужно знать, что подразумевается под этим “здесь”, а это не так просто сделать», — говорит Маролф.

Одной из очевидных сложностей является то, что Калифорния тектонически активна. Тектоническая плита, на которой располагается Санта-Барбара, смещается на пять сантиметров в год на северо-запад относительно остальной Северной Америки и географической широты и долготы. Поэтому у студенческого центра нет фиксированного положения. Если я вернусь туда через несколько лет и попаду в точку с теми же координатами, то окажусь в лагуне. Картографические компании должны периодически анализировать смещение тектонических зон и учитывать его.

Можно, конечно, предположить, что студенческий центр все равно имеет определенное положение в абсолютном смысле, как занимаемое пространство. Однако пространство не более стабильно, чем тектоническая плита. Оно может опускаться, подниматься и деформироваться. Когда массивное тело смещается, оно распространяет возмущения по всему пространственно-временному континууму, изменяя его. Положение кафе может в результате измениться. Именно этот механизм, а не таинственное ньютоновское действие на расстоянии определяет передачу гравитации от одного места к другому в соответствии с теорией Эйнштейна. Как и геологические колебания, гравитационные возмущения распространяются с определенной конечной скоростью, а именно со скоростью света.

Чтобы представить себе изменение формы пространства-времени, разуму необходимо преодолеть сложности абстрагирования. Пространство-время не настолько осязаемо, как геологический ландшафт. Его просто нельзя увидеть, не говоря уже о том, чтобы распознать форму. И все же мы можем узнать кое-что по косвенным признакам. Объекты, которые свободно движутся в пространстве, не встречая помех со стороны других объектов, похожи на капли дождя, оставляющие следы на ветровом стекле автомобиля: они вычерчивают форму пространства. Например, астрономы регулярно регистрируют лучи света от звезд, которые сначала идут параллельно, проходят мимо гигантских скоплений массы вроде Солнца, а потом пересекаются. Учебники и статьи, описывающие это явление, обычно утверждают, что гравитация Солнца изгибает лучи света, однако это не совсем правильно. Лучи остаются такими прямыми, что прямее некуда. В действительности Солнце изменяет правила геометрии, т.е. искривляет пространство таким образом, что параллельные лучи могут пересекаться.

Изменение формы пространства и времени — это не просто предмет экзотических разделов физики. Оно влияет на движение любого падающего тела. Бейсбольные мячи, фужеры, дорогие смартфоны — все, что выскальзывает из ваших рук, движется с ускорением вниз к полу, поскольку масса Земли искривляет время. (Искривление пространства играет незначительную роль в этих случаях.) «Низ» определяется направлением, в котором время течет более медленно. Часы на уровне моря тикают медленнее часов на вершине Денали; часы, прикрепленные к вашей лодыжке, отстают от часов на запястье. По меркам человека, эти отклонения очень малы — от силы триллионные доли, — однако они достаточны, чтобы влиять на темп, с которым падающие тела набирают скорость. Когда яблоко падает с дерева, вы, фактически, видите, как оно катится по горизонталям времени.

•

Хотя изменение формы пространства-времени объясняет тот вид нелокальности, о котором говорил Ньютон, оно создает ряд новых разновидностей. Начнем с того, что общая теория относительности позволяет пространству-времени изгибаться и образовывать туннель, или кротовую нору, соединяющую две удаленные части Вселенной. Вход в такую нору похож на дверь, ведущую не в соседнюю комнату, а в другое место Вселенной. Вы можете пройти через нее, скажем, к альфе Центавра, и на это путешествие уйдет всего четыре года. Астрономы пока что не нашли кротовых нор, но общая теория относительности допускает их существование, да и предсказание Эйнштейна следует воспринимать как реальную возможность.