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

Это еще не парадокс, а просто новое воплощение идеи Хокинга о разрушении черных дыр. Реальный вопрос таков: что происходит с объектами, которые проваливаются в черную дыру? Гибель дыры должна приводить к их освобождению, но как? Возможно, они вырываются в виде тех вылетающих частиц. Если собрать такие частицы и сложить их вместе, то, может быть, удастся восстановить все объекты, поглощенные дырой. Для этого частицы должны быть запутанными друг с другом так, чтобы коллективно они сохраняли все свойства всего попавшего в дыру. В этом-то и загвоздка. Мы хотим, чтобы запутанность выполняла двойную обязанность: сохраняла пустоту вакуума, воспринимаемую падающим внутрь наблюдателем, и одновременно хранила память о жертвах дыры. Возможно, это чересчур. Запутанность — ограниченный ресурс, во многом такой, как энергия, и ее, по всей видимости, недостаточно для выполнения обеих задач. Либо дыра — это не вакуум (в этом случае общая теория относительности несправедлива), либо падение в дыру необратимо (в этом случае квантовой теории поля конец). Теоретики ищут выходы из этой ситуации, например, предполагают, что запутанность можно структурировать и таким образом сбалансировать обе потребности. Если это не удастся, для выхода из тупика потребуется новая физика — нелокальные эффекты, которые превратят дыру в улицу с двусторонним движением или уничтожат разницу между внутренним и внешним пространством. «Это означает жесткое крушение локальности», — говорит Полчински.

Еще одна головоломка возникает, когда вы спрашиваете, как дыра хранит попавшие в нее объекты (или части, на которые она разрывает их) до момента высвобождения. Дыра должна расти, чтобы вместить эти объекты, а она не растет в той мере, какую предполагает локальность. Черные дыры должны быть похожи на чемоданы. Представьте, что у вас есть старый чемодан с 10 отделениями, каждое из которых вмещает пару носков, а потом вы покупаете новый чемодан в два раза больше по размерам и в восемь раз больше по объему. Вы ожидаете, что в новом чемодане будет 80 отделений и что он вместит 80 пар носков. В этом контексте локальность означает, что индивидуальные отделения будут иметь тот же размер, а в новом чемодане их просто будет больше. Преимущество заключается не просто в том, что вы можете уложить в него больше одежды, а в том, что эта одежда будет более разнообразной. Физики говорят, что более внушительный чемодан имеет более высокую энтропию. Энтропию обычно описывают как неупорядоченность, однако ее можно представить и как потенциал разнообразия, т.е. разнообразие путей, которыми можно упаковать чемодан без перегруза, без разбухания и других изменений внешнего вида.

При такой логике удвоение радиуса черной дыры должно увеличивать ее объем в восемь раз, пропорционально должна возрастать и вместимость. Этого, однако, не происходит. Когда черная дыра удваивается в радиусе, ее масса возрастает лишь в два раза, а энтропия — в четыре раза. Вместимость дыры меньше, чем предсказывают теории, основанные на локальности. Это все равно что открыть новый чемодан и обнаружить в нем всего 40 отделений вместо 80 обещанных в магазине. Вы наверняка почувствуете себя обманутым.

Четырехкратное увеличение энтропии означает, что внутренняя сложность дыры возрастает в зависимости не от объема, как предсказывает локальность, а от площади ее горизонта. Фактически увеличение ширины и длины дыры повышает ее вместимость, но дополнительная высота не дает ничего, словно это измерение иллюзорно. Объект выглядит трехмерным, однако ведет себя как двумерный. И то, что справедливо для черных дыр, справедливо и для других мест, поскольку все может превратиться в черную дыру при достаточно сильном сжатии. Пространство словно насмехается над нами. Оно предлагает так много места для вещества, но на деле не содержит его столько, сколько способно вместить. А когда вы пытаетесь наполнить его, то странным образом не можете сделать этого. Возникает вопрос, есть ли здесь пространство на самом деле или это обман вроде зеркальных стен, заставляющих маленькую квартирку на Манхэттене казаться просторным пентхаусом.

•

Обманчивость черных дыр — это уменьшенная версия того, что происходит во вселенных с границей. Опять же, объем пространства может коллапсировать на ее внешней поверхности. Эта догадка не просто уничтожает нашу концепцию пространства, а говорит о том, чем можно заменить ее.