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

Усиливает загадку и то, что все вещество, попадающее в черную дыру, скапливается в самом центре, в ее так называемой сингулярности. Общая теория относительности гласит, что вещество достигает бесконечной плотности и пространство-время разрывается подобно перегруженной сумке. Так где тогда находится сингулярность? Пространство-время, относительно которого должно определяться ее положение, прекращает существование. В нем в буквальном смысле нельзя сказать «там-то, там-то». Как ни странно, сингулярность не существует нигде и в то же время существует везде. Это не локализованный объект, а холистическое свойство пространства-времени.

•

Еще одна яркая демонстрация гравитационной нелокальности происходит, если пространство имеет границу. Сказать, что пространство имеет границу, — значит вернуться к Аристотелю, который считал, что космос заключен в хрустальную сферу и похож на необъятный снежный ком. Эта идея была отвергнута. Насколько современные астрономы могут судить, пространство бесконечно во всех направлениях без каких-либо краевых галактик. Однако это условный факт, а не твердое требование. Нет такого закона физики, который запрещал бы Вселенной иметь границу. Физики не устают забавляться с гипотетическими моделями, в которых одно или несколько измерений пространства имеют конечный размер.

Даже бесконечная Вселенная может иметь границу — такую, которая расположена в бесконечности, что для физиков-теоретиков является вполне реальным местом. Чтобы понять почему, задумаемся над тем, что означает не иметь границы. Поверхность Земли — хороший пример: вы можете купить билет на кругосветный перелет, отправиться на запад и возвратиться к начальной точке, не повторяя маршрут. Вселенная может, в принципе, иметь сферическую форму, позволяющую выйти в пространство и обойти ее целиком. По общему правилу, если вы не можете сделать полный виток, значит, Вселенная имеет границу. Даже в отсутствие сплошной стены или пропасти, кишащей драконами, бесконечные пустыни представляют непреодолимое препятствие. Бесконечность может иметь ту же самую структуру, что и любая другая область пространства. Объекты могут располагаться в бесконечности. События могут происходить там. Бесконечно удаленная граница явно создает практические сложности для космических путешественников — только воображаемый звездолет способен достичь ее. Впрочем, концептуально она в точности напоминает снежный ком.

Независимо от того, где она находится, на определенном расстоянии или в бесконечности, граница является последним рубежом фронтира и, как любая граница, находится в отдаленном месте. Гравитация может править в большей части Вселенной, но ее действие не доходит до края пространства. Там гравитационное поле исчезает, поскольку граница фиксирует форму пространства, подобно тому как пресс-форма фиксирует очертания глиняного горшка. «Пространство-время на границе не меняется, — говорит Маролф. — Оно фактически прибито к границе, так что динамическая гравитация там отсутствует». В силу отсутствия гравитации на границе там нет и нелокальности (по крайней мере, гравитационного характера). Граница служит абсолютной точкой отсчета, поэтому все существующие кафе и студенческие центры имеют объективно определенное местоположение. Количественные показатели, такие как энергия, являются совершенно однозначными. Вы можете разместить измерительную аппаратуру на границе и получить надежные показания.

Хотя пространство-время и прибито к границе, в остальных местах оно всегда неустойчиво. Поэтому Вселенная имеет своеобразный двойственный характер: одна ее часть ведет себя локально (граница), а другая (подавляющая) — нелокально. Как следствие, холизм Вселенной, понятие, которое звучит почти мистически, становится очень осязаемым. Локальность на границе позволяет проводить там измерения, а нелокальность подавляющей части Вселенной связывает эти измерения с остальным пространством. «Количественные показатели, которые кто-то может считать априорно независимыми, на деле связаны вместе, — объясняет Маролф. — Таким образом, можно считать граничные наблюдения идентичными основной массе наблюдений». Поскольку граница отслеживает все происходящее в космосе, она является образом Вселенной в целом — идеальным образом, без потери точности воспроизведения. Наблюдатель, созерцающий ее, должен знать все, что вы делаете.