Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Вероятно, в истории науки квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна являются самыми новаторскими теориями. Обе они фундаментальны, и обе описывают самый сущностный смысл нашего мира. Однако при попытке их объединить нам приходится преодолевать некий психологический барьер. И черные дыры, как никакие иные небесные объекты, демонстрируют этот неразрешимый конфликт.

Общая теория относительности описывает самое большое из всего большого – пространство-время. Жизнь каждого начинается и кончается в пространстве-времени; драма всей Вселенной проходит в пространстве-времени. Это театр, где разыгрывается эволюция нашей Вселенной. В пространстве-времени у всего есть свое место, свои точные координаты. Но, вспоминая сравнение пространства-времени с растянутой простыней, мы видим, что сцена этого театра не статична. Пространство-время больше напоминает гибкий фон – подыгрывающий, реагирующий, меняющийся в зависимости от действий актеров. Черная дыра – радикал на этих космических подмостках, она – тот персонаж, который разрывает декорации и ставит перед нами самые важные вопросы.

Все имеет время и место? Это верно? Нет! Ведь есть еще вторая, настолько же фундаментальная квантовая теория. Если теория относительности описывает очень большое, то квантовая теория рассказывает нам о самом малом из малого – о составе материи: о молекулах, атомах и элементарных частицах. При этом именно “строительные кирпичики” света – фотоны – делают пространство-время измеримым. Эти кванты света “вытягивают” пространство-время из мрака абстрактного математического описания на яркий свет данной нам в ощущениях реальности. Именно здесь встречаются теория относительности и квантовая механика.

Но, в отличие от теории Эйнштейна, в квантовой физике не у всего есть собственное место или собственное время. На протяжении очень коротких отрезков времени процессы могут идти и в одном, и в противоположном направлении. До тех пор, пока никто не видит частицу, она может одновременно находиться сразу в двух или в нескольких местах. В предельных случаях – на очень малых расстояниях и на очень коротких отрезках времени – квантовая теория открывает перед нами микроскопический мир, который чужд нам так же, как и макроскопический мир на краю черных дыр. Тем не менее обе теории, мирно уживаясь друг с другом, например, в смартфонах, вошли в нашу повседневную жизнь. Каждый чип, каждый полупроводник в нашем телефоне – это прикладная квантовая механика. Без квантовой механики не было бы интернета и процессоров компьютеров. Ну, а навигационная система телефона, с помощью которой мы определяем свой маршрут, использует результаты общей теории относительности.

На краю черных дыр происходит принципиальное столкновение этих двух теорий. Здесь должна “работать” совершенно новая физика, и на протяжении многих лет десятки тысяч самых блестящих ученых нашей планеты размышляют о том, какой эта новая физика должна быть. Однако явного успеха они пока не добились.

До сих пор это была чисто теоретическая проблема. Среди прочих ею занимался и выдающийся астрофизик Стивен Хокинг, пытавшийся понять, что происходит с квантовыми частицами на горизонте событий.

В физике квантовые объекты – самые маленькие из известных шалунов. Бог в своей бесконечной мудрости позволяет им вытворять такое, что нам и не снилось. Например, не спрашивая ни у кого разрешения, они могут “позаимствовать” немного энергии. Вся штука в том, что отдать ее обратно они должны так быстро, что никто этого не заметит.

Пустое пространство можно представить себе в виде гигантского пенящегося океана. Раз за разом брызги и капельки воды спонтанно взлетают в воздух, а затем падают вниз, вновь смешиваясь с водой в океане. Граница между океаном и воздухом размывается. Даже не плавая в воде, вблизи поверхности океана вы промокнете.

Точно так же крошечные частицы появляются и опять исчезают и в пустом пространстве. Следовательно, на самом деле пустое пространство не совсем пустое – скорее, оно заполнено взвесью частиц. Но, естественно, чтобы создать частицу из ничего, требуется энергия. Откуда же она берется? Над океаном дует ветер, поставляющий энергию каплям воды, но в пустом пространстве ветра нет. Поэтому природа использует простой, известный всем бухгалтерам трюк – она на короткое время занимает энергию у виртуальных квантов света. При этом образуется квантовая пара, состоящая из двух во всем противоположных друг другу “близнецов” – частицы и античастицы. Можно даже сказать – миниангела и минидемона. Если одна из частиц заряжена положительно, то другая – отрицательно; если одна вращается вправо, то другая – влево; если одна из частиц – материя, то другая – антиматерия. Вернемся к аналогии с океаном: частица напоминает капельку воды в воздухе, а античастица – пузырек воздуха в океане.