Карло Ровелли

Гипотеза белых дыр

Об устройстве Вселенной, гравитации и теории относительности

Посвящается Франческе – моей спутнице в науке и мечтах

Самое прекрасное, что мы можем испытать, – это ощущение тайны. Она источник всякого подлинного искусства и науки. Тот, кто никогда не испытал этого чувства, кто не умеет остановиться и задуматься, охваченный робким восторгом, тот подобен мертвецу, и глаза его закрыты.

Альберт Эйнштейн

© А.К. Дамбис, перевод на русский язык, 2025

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2025

Часть первая

1

Лиха беда начало. С первыми словами открывается космос. Словно первый взгляд девчонки, в которую я готов влюбиться: едва заметная улыбка разворачивает перед глазами целую жизнь. Я колебался, прежде чем приступить к написанию этой книги, словно собирался пройтись по лесу позади собственного дома в Канаде, еще не представляя, куда, собственно, пойду.

Вот уже несколько лет я занимаюсь изучением белых дыр – неуловимых младших собратьев черных дыр. Эта книга – о них. Сначала я постараюсь рассказать, как образуются черные дыры. Их на небе найдено уже несколько сотен. О том, что происходит на границе этих странных звезд – на горизонте, где время замедляется вплоть до полной остановки, а пространство как будто рвется на части. А после мы двинемся дальше, в те сокровенные глубины космоса, где теряет смысл понятие пространства, а время как будто поворачивает вспять. Где рождаются белые дыры.

Это рассказ о незавершенном приключении. Как всегда бывает в начале пути, я не очень-то представляю, куда заведет меня дорога. Не спросишь же сразу после первой улыбки, где будем жить вместе… Обдумываю план полета: прибываем на границу горизонта. Входим. Спускаемся до самого дна. Проходим сквозь него, как Алиса сквозь зеркало, – и выходим в белую дыру. Теперь зададимся вопросом: что будет, если время повернет вспять? Выйдем наконец, чтобы вновь узреть светила – всё те же наши звезды – спустя мгновение и несколько миллионов лет. Или – время прочтения нескольких страниц этой книги.

Следите за мной?

•

Марсель. Хэл стоит у доски в моем кабинете. Я сижу за столом, откинувшись на спинку большого кресла и, не отрываясь, гляжу на Хэла. Через окно льется ослепительный свет Средиземноморья. Так начинается мое приключение с белыми дырами.

Хэл – американец, по-моему, с небольшой примесью крови чероки. Возможно, именно она придает такую прелесть его блестящим идеям. Сейчас он преподает в колледже, но когда-то и сам был студентом. Деликатный, пунктуальный, со спокойными манерами очень взрослого парня, он пытается объяснить мне что-то, что до меня не доходит. Идею о том, что, возможно, происходит в черной дыре в самый момент завершения ее долгой жизни.

Вспоминаю его слова: уравнения Эйнштейна не меняются, если перевернуть время, – для получения «отскока» следует обратить время и «склеить» решения. Я запутался.

Потом я вдруг понимаю, что же он имеет в виду. Обалдеть! (Я итальянец, я не могу молчать, как чероки!) Иду к доске и черчу. У меня колотится сердце.

Подумав, Хэл соглашается: «Да, примерно так». Я: «Это черная дыра, которая внутри превращается в белую через квантовый туннельный эффект, а снаружи при этом может оставаться прежней». Он, еще немного поразмыслив: «Да. Не знаю… Как думаешь, это сработает?»

Получилось. Во всяком случае, в теории. С того разговора в ярком свете марсельского дня прошло девять лет. Я продолжал развивать гипотезу о возможности превращения черных дыр в белые, вовлекая все новых студентов и коллег. Эта идея и сейчас кажется мне очень красивой.

Хэл

Не знаю, верна ли она. Не знаю даже, существуют ли на самом деле белые дыры в реальном мире. Про черные дыры мы знаем многое – мы их наблюдаем, а вот белые дыры до сих пор никто не видел.

Когда я был аспирантом в Турине, теоретическую физику нам преподавал Марио Тонин. Он утверждал, что Бог каждую неделю читает знаменитый журнал Physical Review D, и если какая-нибудь из опубликованных там идей ему нравится, то – чик! – он реализует ее на практике, перенастраивая, если нужно, универсальные законы.

Если это так, то, Боже, сделай, чтобы черные дыры в конце концов превращались в белые!

•

Перечитываю предыдущие строки – рассказ о моем первом знакомстве с белыми дырами. Хочу объяснить все по порядку: что представляют собой объекты, о которых мы говорили с Хэлом, что мы о них знаем и чего не знаем, какую проблему мы пытались решить, в чем состоит идея Хэла, какие из нее вытекают следствия, что значит «перевернуть время» (это несложно) и что значит «у времени есть направление» (это немного посложнее)…

Следуйте за мной, и вместе мы дойдем до границы горизонта черной дыры, войдем в него, спустимся на самое дно, где пространство и время «исчезают», и, миновав его, выскочим в белую дыру, в которой время перевернуто, а оттуда – в будущее.

Итак, вперед, к белым дырам!

2

Вообще-то нет, давайте пока отправимся к черным дырам. Чтобы понять, что такое белые дыры, надо сначала получить ясное представление о черных. Так что же такое черная дыра?

Первым в этой области ошибается Альберт Эйнштейн. В 1915 году, после десяти лет безумных и отчаянных усилий, он публикует фундаментальные уравнения своей важнейшей теории – общей теории относительности, которую в наше время преподают во всех университетах мира.

А всего через несколько недель получает письмо от младшего коллеги – Карла Шварцшильда [1], который тогда служил лейтенантом в германской армии и умер через несколько месяцев от болезни, развившейся у него на восточном фронте. Письмо это заканчивается следующими прекрасными словами: «Как видите, война не слишком меня потрепала. Несмотря на тяжелые обстрелы, я смог выкроить немного времени и совершить прогулку по миру ваших идей». Прогулка по миру ваших идей!

Прогулка Шварцшильда по миру идей Эйнштейна происходила в перерывах между боями, среди трупов немецких и русских парней, зверски убитых из-за человеческого идиотизма, правившего бал (совсем как сейчас: умереть за передел границ – что может быть глупее?). Именно она принесла точное решение только что опубликованных Эйнштейном уравнений.

Эти уравнения (единственная формула в моей книжке «Семь этюдов по физике») дались ему нелегко – об этом свидетельствует ряд статей с разными вариантами формул, причем все – неправильные. Быть Эйнштейном означало иметь мужество публиковать ошибочные результаты.

Наконец, в 1915 году уравнения приобрели истинный вид. Тот самый, что в последующие десятилетия заставил физиков пересмотреть представления о природе пространства и времени, позволил понять, что часы в горах идут быстрее, чем на равнине, что Вселенная расширяется, что существуют гравитационные волны и т. д. Уравнения, которые мы сейчас используем для исследования космоса, пожалуй, самые прекрасные из физических уравнений.

На этих страницах мы установим с ними тесные, но сложные отношения: уравнения Эйнштейна послужат нам проводниками, подобно Вергилию для Данте, потому что обобщают все лучшее, что мы знаем о пространстве, времени и гравитации. Это инструмент, с помощью которого мы достигаем понимания. Они говорят нам, чего следует ожидать на границе черной дыры и внутри нее, показывают, что представляют собой белые дыры, служат путеводной звездой в этом странствии через диковинные ландшафты. Но весь смысл истории, которую собираюсь рассказать я, состоит в том, чтобы пойти и взглянуть, что же происходит там, где эти уравнения перестают работать. Там, где придется от них отказаться. Такова наука.

На полпути нам придется расстаться с опорой и поддержкой в лице этих уравнений и поддаться очарованию более сладостного. Так же, как, в сущности, поступает Данте, который на половине пути покидает Вергилия и отдает себя во власть более пленительной спутницы.

Вернемся к Шварцшильду. Сформулированное им в письме Эйнштейну решение теперь приводится во всех университетских учебниках. Оно описывает происходящее с пространством и временем в окрестности массивного объекта – например, Земли или Солнца. Под действием тяготения пространство и время искривляются (я сейчас постараюсь объяснить, что это означает). Именно из-за этого искривления пространства и времени тела падают на Землю, а планеты обращаются вокруг Солнца – оно и есть причина силы тяготения.

Шварцшильд исследовал, как тела под действием тяготения движутся вокруг массивных объектов вроде Земли или Солнца. Пытаясь ответить на этот же вопрос, Ньютон тремя столетиями раньше открыл дорогу к современной науке. И вот теперь Эйнштейн и Шварцшильд поправили Ньютона, уточнив предсказанный им характер движения тел вблизи массивных объектов.

Но решение, найденное Шварцшильдом, не просто дает небольшую поправку к движению планет – оно также привносит нечто принципиально новое и весьма странное. Если масса очень сильно сконцентрирована, то вокруг нее образуется своеобразная «скорлупа» – сферическая поверхность, на которой все ведет себя крайне странно: например, часы, которые всегда замедляются вблизи массивных объектов, здесь попросту останавливаются. Время «замораживается». Перестает течь. А пространство растягивается в направлении этой концентрированной массы, словно всасываясь в длинную воронку – так, что на этой диковинной поверхности растяжение превращается в дыру: расположенные непосредственно внутри за ней точки оказываются бесконечно далекими.

Остановившееся время, разорванное пространство… Все это производит впечатление бессвязного бреда. Эйнштейн резонно заключает, что такие вещи не имеют смысла – этой нелепой поверхности в реальности не существует.

Вообще-то из расчетов следует, что для получения такой скорлупы надо сжать массу до невероятно малых размеров. Например, для формирования соответствующей поверхности вокруг Земли всю нашу планету придется упаковать в шарик для пинг-понга. Абсурд! Эйнштейн решает, что подобные рассуждения не представляют интереса: невозможно сконцентрировать массу до такой степени, чтобы образовалась эта странная скорлупа.

Время покажет, что Эйнштейн ошибался. Он недостаточно верил в собственные уравнения. Ему не хватило мужества принять неожиданные следствия собственной теории. Настолько сконцентрированные массы существуют, и теперь мы это знаем. На небе их миллиарды. Это черные дыры.

Астрономы обнаружили как объекты такого рода размером в несколько километров, так и исполинские черные дыры размером с целую Солнечную систему. Не исключено, что существуют и маленькие, как шарик для пинг-понга, и даже совсем крохотные, с волосок, черные дыры, но их еще никто не наблюдал. Пока.

Большинство известных черных дыр порождены звездами, в которых прекратилось горение. Это крупные звезды, настолько массивные, что, если бы не горение в их недрах, они были бы раздавлены собственным весом. Звезды сжигают водород, из которого состоят, превращая его в гелий. Выделяемое при этом тепло порождает давление, которое уравновешивает силу тяжести и не дает звезде сокрушить саму себя. В таком режиме звезда живет миллиарды лет.

Но ничто не вечно. В конце концов водород оказывается израсходованным, превратившись в гелий и прочий негорючий «пепел»: звезда делается похожей на автомобиль без бензина. Температура падает, вес берет верх. Звезда сжимается под действием собственного тяготения. Сила тяжести большой звезды чудовищна, и ни одна самая прочная порода не может выдержать такое давление. Ничто не способно предотвратить «обрушение» звезды, и вот она сжимается, обрушиваясь внутрь собственного горизонта. Образуется черная дыра.

•

В 1928 году, еще до того, как все это становится понятно, телефонная компания «Белл» нанимает 23‐летнего физика Карла Янского для исследования радиопомех. Янский собирает простейшую антенну размером 30 метров – странного вида конструкцию из металлических трубок, установленных на колеса, которая может вращаться в произвольном направлении. Коллеги называли ее «каруселью Янского». Вот как она выглядела:

С помощью этой антенны Янский регистрирует всевозможные радиосигналы: молнии от проходящих гроз, шумы от радиоантенн и т. д.

Среди прочих он обнаруживает любопытный устойчивый сигнал – своего рода свист, регистрируемый при каждом повороте «карусели».

Направление антенны

Сестра Янского вспоминает, что отец, воспитывая их, любил повторять: «Исследуйте всё!» Янский потратил на исследование этого свиста больше года. Его интенсивность возрастает и уменьшается с периодом 24 часа, и поначалу Янский думал, что он исходит от Солнца, поскольку оно тоже проходит над антенной раз в 24 часа. Но дьявол, как всегда, в деталях: более точное исследование показало, что период изменения интенсивности свиста немного короче и составляет 23 часа 56 минут. То есть максимум сигнала понемногу сдвигается на все более раннее время, как если бы наблюдатель сверялся со слегка отстающими часами. Странно. Это не может быть Солнце…

Наконец, коллега-астроном замечает, что 23 часа 56 минут – это период вращения звезд вокруг нас. (Звезды на небе совершают один полный оборот чуть быстрее Солнца, потому что Земля и Солнце кружатся вокруг друг друга с периодом в один год.) Следовательно, таинственный радиосигнал может исходить только от звезд! Направление определить нетрудно: сигнал приходит оттуда, куда направлена антенна при максимуме интенсивности. Перелистав звездный атлас, астрономы понимают, что сигнал исходит из центра нашей Галактики…

Новость настолько сенсационная, что «Нью-Йорк Таймс» пишет о ней в статье «Новые радиоволны ведут к центру Млечного пути». 15 мая 1933 года американская радиостанция Эн-би-си с многомиллионной аудиторией в прямом эфире передает исходящий из космоса свист и интервью с Янским. «Добрый вечер, дамы и господа, сегодня вечером в прямом эфире вы услышите радиоимпульсы, пришедшие из-за пределов Солнечной системы, откуда-то со звезд». Янский объясняет, что сигнал исходит из центра нашей Галактики. Диктор добавляет, что для того, чтобы сигнал, излученный на расстоянии в тридцать тысяч световых лет, смог достичь нас, его мощность должна быть «огромной… в миллионы миллионов раз больше мощности любого радиопередатчика на Земле».

За пять дней до этого, 10 мая 1933 года, на площади Опернплац в Берлине нацисты устроили самое масштабное сожжение книг. Среди них были преданы огню тексты Владимира Маяковского («Мой стих дойдет до цели… и не как свет умерших звезд доходит») и книги Альберта Эйнштейна и об Эйнштейне. Спустя восемьдесят лет, благодаря заложенным в них идеям, мы знаем, что представляет собой таинственный свист, услышанный однажды миллионами американцев: это излучение раскаленного вещества, которое, падая на исполинскую черную дыру в центре нашей Галактики, в бешеном вихре кружится вокруг нее. Вокруг огромной черной дыры диаметром с земную орбиту и массой в четыре миллиона Солнц.

Сейчас я готовлю третье издание этой книги, и как раз сегодня астрономы опубликовали изображение той самой черной дыры, расположенной в центре нашей Галактики. На нем запечатлено горячее вещество, которое обращается в непосредственной близости от черной дыры, порождая то самое излучение, что сто лет назад уловила антенна Янского. Вот этот снимок:

Глядя на него, я прихожу в восторг. Я изучал черные дыры всю жизнь, не будучи уверенным в их существовании… А теперь передо мной настоящее прямое изображение! В университетские годы я и подумать не мог, что когда-нибудь его увижу.

Всего каких-то двадцать лет назад многие сомневались в самом существовании черных дыр. В январе 2000 года, когда я перебрался из Америки во Францию, новый заведующий кафедрой спросил меня: «Ты же не считаешь, что черные дыры реально существуют?» Теперь и он поверил. Не в упрек ему… В этом состоит красота науки: нет ничего плохого в том, чтобы изменить свое мнение – таким образом мы учимся. Лучшие ученые – те, кто часто пересматривает свои представления, как это делал Эйнштейн.

На приведенном выше снимке запечатлена самая настоящая черная дыра, или, лучше сказать, ее горизонт – окружающая дыру странная поверхность, маленький темный диск в центральной части в обрамлении обращающегося вокруг него горячего вещества.

Горизонт послужит нам входом.

3

Давайте подойдем к этому порогу. Что происходит на горизонте большой черной дыры, там, за веществом, крутящимся в бешеном вихре и раскаленном настолько, что его заметила решетка из металлических трубок на расстоянии тридцати тысяч световых лет?

Потребовались десятилетия, чтобы разобраться. Эйнштейн не единственный, кто ничего не понял. Этот вопрос долгое время ставил в тупик физиков и астрофизиков. Только во второй половине ХХ века ученые начали понимать, что представляют собой горизонты. Даже сегодня некоторые из моих коллег путаются в этом вопросе.

Ну так давайте отправимся туда!

В своем произведении под названием «Сон, или Лунная астрономия» Иоганн Кеплер, который первым понял, как именно планеты обращаются вокруг Солнца, описывает прогулки по Солнечной системе, устроенные его матерью, летевшей на метле, чтобы показать вблизи Солнце и планеты.

Мать Кеплера судили за колдовство. Но если вы спросите, была ли она на самом деле ведьмой, скажу, что суд, на котором ее защищал сын, вынес оправдательный приговор.

Кеплер хотел заглянуть за границы современной ему науки с помощью математики, интуиции, логики, воображения, здравого смысла. Любопытство влекло его туда, где никто никогда не был. Путешествие по Солнечной системе, в атомное ядро, внутрь живых клеток, в переплетения нейронов нашего мозга, за горизонты черных дыр…

•

На Земле горизонтом называют удаленную линию, на которой заканчивается часть земной поверхности, доступной взгляду. Если мы сядем на корабль и поплывем к этой линии, то можем ее пересечь и отправиться за горизонт. В пересечении этой линии нет ничего особенного – разве что иногда по этому поводу устраивают небольшой праздник. Мы просто исчезнем из поля зрения смотрящих с берега без каких бы то ни было последствий для корабля и экипажа.

Вы удивитесь, но то же самое верно для горизонта черной дыры. Путешествуя на звездолете, мы можем приблизиться к ее горизонту когда захотим. Можем достичь и пересечь его. При этом ничего особенного не произойдет. Для нас. Наши часы продолжат тикать в обычном ритме, расстояния вокруг останутся привычными.

Тем временем для наших друзей, наблюдающих издалека, происходит вот что: когда мы входим внутрь горизонта черной дыры, они перестают видеть нас. Мы оказываемся за их горизонтом, как исчезает за горизонтом корабль. Если же мы после этого попробуем посветить назад, наружу, чтобы нас увидели, то луч света не выйдет из-под горизонта. Он будет захвачен внутри его скорлупы и не дойдет до наших друзей. Сила гравитационного притяжения внутри горизонта настолько велика, что заставляет вернуться обратно даже свет.

•

Почему же решение Шварцшильда, сбивая с толку Эйнштейна и остальных, показывает, что часы на горизонте останавливаются, а пространство разрывается? Если горизонт можно пересечь и все останется нормальным, получается, что решение Шварцшильда ошибочно?

Нет, не ошибочно. Просто оно написано с точки зрения наблюдателя, который находится вдали от горизонта. Решение Шварцшильда – что-то вроде географической карты пространства снаружи горизонта.

Известно, что на географических картах бывают странности. Возьмем карту Земли, состоящую из двух кругов:

Экватор на ней оказывается исключительным местом – линией разрыва земной поверхности. На самом деле никакого разрыва на экваторе нет, там вообще не происходит ничего особенного (разве что жарко). Поверхность Земли не плоская и поэтому не умещается на одной карте, но она не кончается на границе карты. Пространство-время не плоское и поэтому не помещается на одной карте, но оно не ограничено полностью рамками шварцшильдовского решения.

С Эйнштейном и остальными происходит вот что: они неправильно понимают решение Шварцшильда – как если бы, глядя на приведенную выше карту, заключали, что Земля заканчивается на экваторе. Эту ошибку совершали десятки лучших ученых на протяжении многих десятилетий (и даже сегодня это случается с заслуженными профессорами).

Каким же образом становится ясно, что это ошибка? В конце концов, никто из нас еще не видел воочию, что же происходит на горизонте черной дыры.

Никто не видел, но у нас есть теория. Система уравнений, из которых получается решение Шварцшильда, позволяет также рассчитать, что происходит, когда мы приближаемся к горизонту. Расчет совсем несложный. Я предлагаю своим студентам сделать его в качестве упражнения при изучении общей теории относительности. Но потребовалось время, чтобы кто-то первым додумался выполнить его и понял, что означает полученный результат.

Дэвид Финкельштейн

Первым этот шаг делает Дэвид Финкельштейн в 1958 году (мне было тогда два года), мыслящий глубоко и дерзко, ученый и человек огромной культуры, чья сфера интересов охватывала политику, искусство, музыку и науку. Он покинул нас несколько лет назад, в 2016 году. Мне посчастливилось познакомиться с ним в последние годы его жизни – у него была борода пророка и солидные, но в то же время непринужденные манеры. Это был один из тех редких ученых, которые открывают новые направления мысли. Мы еще встретимся в ним на следующих страницах.

В 1958 году Финкельштейн публикует прекрасную работу «Асимметрия прошлого и будущего гравитационного поля точечной частицы», в которой разъясняет, что такое горизонт [2]. Выглядит как название технической статьи, но имейте в виду, что вынесенная в заголовок мысль будет ключевой в этой книге. Асимметрия прошлого и будущего.

Расчеты Финкельштейна показывают, что при приближении к горизонту и при его пересечении наши часы не замедляются и с окружающим нас пространством ничего особенного не происходит. Так же, как ничего особенного не происходит на корабле, когда он пересекает линию горизонта и исчезает из нашего поля зрения.

•

Почему же в решении Шварцшильда часы останавливаются?

Потому что решение Шварцшильда описывает происходящее с точки зрения удаленного наблюдателя. Издалека действительно выглядит так, будто часы замедляются и останавливаются при достижении горизонта. И никакого противоречия между двумя точками зрения нет.

Представим, что мы отправились в страну, откуда почта идет с каждым днем все дольше, и каждый день пишем письмо отцу. Он будет получать наши письма через все более увеличивающиеся промежутки времени, потому что мы продвигаемся в места, откуда почта идет все медленнее. Для него мы как будто замедляемся: сначала он каждый день получает весточку, из которой узнает, что у нас происходило в течение прошедшего дня, а потом ему придется ждать дни и даже недели, чтобы узнать, что у нас случилось всего лишь за день… Для него все происходит так, будто наша жизнь замедляется.

Если же мы потом доберемся до пустыни, где вообще нет никакой почтовой связи, то у отца останется лишь последнее письмо, отправленное за мгновение до того, как мы оказались в пустыне, и доставленное спустя очень долгое время. Для нашего отца граница пустыни – это место, где наше время для него остановилось, горизонт, за которым мы ему не видны. Для него мы выглядим замершими на границе пустыни.

Нечто похожее происходит, когда мы пересекаем горизонт черной дыры. Если отец наблюдает за нашим движением к горизонту, то для него тиканье наших часов замедляется, потому что по мере нашего приближения к черной дыре свету требуется все больше времени, чтобы выбраться и добраться до отца. Если он подождет еще какое-то время, то увидит, как при приближении к горизонту течение нашей жизни замедляется и, наконец, совсем застывает с последним тиканьем перед пересечением горизонта.

В пустыне или внутри горизонта черной дыры мы продолжаем жить как обычно, но отцу не приходят от нас никакие вести, сколько бы он ни ждал.

Другими словами, для тех, кто там находится, время не застывает. Но для удаленных наблюдателей оно вблизи горизонта невероятным образом замедляется.

•

Сравнение с письмами, которые посылают путешественники, приближаясь к пустыне, хорошо, но только отчасти. Есть важное отличие: если, вместо того чтобы углубиться в пустыню, мы повернем обратно и вновь обнимем нашего отца, то время, прошедшее с нашей последней встречи, будет одним и тем же и для нас, и для него. Если он постарел на один год, мы тоже станем старше на один год.

А вот с искажением времени вблизи горизонта все не так: оно настоящее. Если мы приблизимся к горизонту, задержимся вблизи него, а потом вернемся, то время, прошедшее для нас с предыдущей встречи с отцом, окажется меньше времени, прошедшего для него. Он постареет сильнее, чем мы.

Это не эффект перспективы – речь идет о реальном искажении времени, вызванном гравитацией: там, где тяготение сильнее, время течет медленнее, чем в местах с более слабым тяготением. Именно это имеют в виду, когда говорят об «искривлении» пространства-времени. Время действительно течет по-разному в разных местах.

•

Итак, вблизи горизонта время замедляется не только в том смысле, что для удаленных наблюдателей наши движения воспринимаются замедленными, но и в том, что в случае нашего возвращения для оставшихся вдалеке пройдет больше времени, чем для нас. Однако мы при этом вообще не почувствуем никакого замедления. Для нас время будет течь как обычно.

Возможно, дорогой читатель, ты захочешь спросить, а какое же время «настоящее» – то, что на горизонте, или то, что у наблюдателя? Ответ – никакое. Революция Эйнштейна состоит как раз в понимании того, что этот вопрос не имеет смысла. Это все равно, что спросить, какие места на Земле находятся «вверху», а какие – «внизу». У любого места на Земле – свое «вверху» и свое «внизу». Разные точки зрения. Таким же образом у любого места во Вселенной – свое время. Разные места могут отправлять сигналы – как, например, свист черной дыры в центре нашей Галактики, – но время в разных местах течет по-разному, и никакое время не является «более настоящим», чем другое.

Следовательно, замедление времени вблизи горизонта связано с соотношением характера течения времени в разных местах. И время на горизонте останавливается только по отношению к удаленному наблюдателю.

В этих соотношениях между временами заключена ткань мира. Универсального времени нет: реальность представляет собой сеть, сплетенную из множества локальных времен посредством возможности обмениваться сигналами. Вблизи горизонт выглядит нормальным местом. Издалека – местом, где время останавливается.

Дэвид Финкельштейн понял это.

Альбрехт Дюрер. Меланхолия I

•

Финкельштейн написал статью о знаменитой гравюре «Меланхолия I» Альбрехта Дюрера – мастера перспективы эпохи Возрождения.

Это сложное произведение, наполненное символами. Думаю, неслучайно, что первым сущность горизонта черных дыр понял не выдающийся математик с большим опытом в технических вопросах, а человек, способный написать работу об Альбрехте Дюрере и перспективе эпохи Возрождения.

Открытие прямой перспективы стало и общим открытием перспективного аспекта реальности. Неоднозначность гравюры отражает и передает неоднозначность перспективы. В своем толковании гравюры Финкельштейн утверждает, что Дюрер передает тоску того, кто тщетно пытается достичь абсолютной истины и красоты. Если все, чего мы достигаем, – не более чем вид в перспективе, то универсальная и абсолютная истина недостижима. Если верить толкованию Финкельштейна, Дюрер говорит именно об этом: недостижимость абсолюта – источник нашей меланхолии.

(Мне же, наоборот, она представляется источником сладостного головокружения, головокружения от чувства легкости, противоречивости тонкой реальности, частью которой мы являемся…)

4

Сейчас мы пересечем горизонт и понаблюдаем черную дыру изнутри. Прежде чем мы войдем в нее, позвольте сделать еще одно отступление (можете его пропустить, если хотите).

Всего лишь приблизившись к горизонту и еще не войдя в черную дыру, мы уже столкнулись кое с чем, озадачившим нас, – относительностью времени. Факт установленный, но тем не менее смириться с ним нелегко. Возможно, это самое трудное испытание в предстоящем путешествии.

Так же и Данте, перед тем как переступить судьбоносный порог, сталкивается с очень серьезным препятствием в виде трех диких зверей. Как и всякий путник, он знает, что труднее всего сделать первый шаг – сойти с привычной тропы.

Как возникают и завоевывают доверие странные идеи вроде относительности времени?

Такого рода резкие фундаментальные изменения в концепции нельзя назвать чем-то новым для современной науки. Наоборот, это глубинное течение питает наше познание мира. Именно так мы по-настоящему учимся – изменяя некоторые основополагающие представления из тех, что казались нам очевидными.

Мы поняли, что Земля круглая (это было две тысячи лет назад) и что она движется (около пятисот лет назад). На первый взгляд обе идеи представляются нелепыми. Земля кажется плоской и неподвижной. Трудность в принятии подобных новшеств связана не с самими идеями, а с необходимостью отвергнуть устоявшиеся убеждения: сомнение в них долгие века казалось немыслимым. Мы всегда уверены в правильности наших естественных интуитивных представлений, и именно это убеждение мешает нам учиться новому.

Следовательно, трудность не в том, чтобы научиться, а в том, чтобы разучиться. В великом трактате «Диалоги о двух системах мира» Галилей основное место уделяет не аргументам в пользу того, что Земля движется, а разрушению укоренившегося интуитивного представления о невозможности этого.

Чтобы прийти к представлению об относительности времени, потребовалось двадцать шесть столетий таких революционных переосмыслений. Ниже я привожу краткий обзор двух с половиной тысячелетий эволюции научной мысли.

1. Первым был Анаксимандр (VI в. до н. э.): он рассуждает, что раз Солнце, Луна и звезды вращаются вокруг нас, то для них должно найтись и свободное место под Землей. Следовательно, Земля висит в пустоте.

2. Аристотель (IV в. до н. э.) замечает, что во время лунных затмений диск Луны ненамного меньше земной тени, и значит, Луна – это большое небесное тело, размером лишь немного меньше Земли.

3. Аристарх (III в. до н. э.) обращает внимание на то, что когда Луна находится в фазе одной четверти, угол между направлением на Солнце и Луну (угол α на рисунке) почти прямой (измерьте его в ближайшую такую фазу – это нетрудно). Таким образом, [в этот момент] в треугольнике Солнце – Земля – Луна два угла почти прямые (Луна освещена наполовину).

У треугольника с двумя почти прямыми углами одна из вершин находится очень далеко от двух других. Следовательно, Солнце намного дальше Луны. Но у Солнца и Луны почти одинаковый видимый размер на небе, следовательно, Солнце должно быть намного больше Луны, а это означает, что оно огромное, гораздо больше Земли! Тогда разумно заключить – как это предположил Аристарх двадцать три века назад, – что это маленькая Земля танцует вокруг исполинского Солнца, а не наоборот.

4. Приходится дождаться Коперника (XVI в.) и Кеплера (XVII в.), чтобы этот ход мысли доказал свою эффективность в объяснении движения планет. Но чтобы убедить человечество в том, что, вопреки интуиции, Земля действительно движется, потребуется еще и ораторское искусство Галилея (XVII в.), продемонстрированное им в «Диалогах».

5. Ньютон (XVII в.) – один из величайших ученых, который, опираясь на результаты Коперника, Кеплера и Галилея, фактически создает современную физику. Он задается вопросом, что же удерживает Землю и другие планеты на их орбитах. Ньютон полагает, что все тела «естественным» образом движутся (идея Аристотеля) с постоянной скоростью (идея Галилея) в физическом пространстве, описываемом геометрией Евклида (его собственная идея), но отклоняются от такого движения под действием неких «сил». Благодаря своему выдающемуся математическому мастерству он показал, что сила, удерживающая планеты и Луну на их орбитах, – то же самое тяготение («гравитация»), которое тянет нас вниз. «Сила», действующая на расстоянии, – гениальная идея Ньютона! Это первая догадка о том, что, кроме сталкивающихся материальных тел, есть и кое-что иное.

6. Исследуя электрические и магнитные силы, Фарадей и Максвелл (XIX в.) понимают, что силы не действуют мгновенно. Между причиной и следствием есть некоторая задержка – время прохождения света. Свет распространяется быстро, и запаздывание выходит небольшим: Ньютон был почти прав, и следствие наступает почти мгновенно после причины. Но не совсем. «Нечто», рассеянное в пространстве, переносит силу от одного тела к другому постепенно. Это «нечто», о котором догадался Фарадей, мы называем «физическим полем», а «посредниками» служат электрические, магнитные и гравитационные поля.

7. В поиске аналогичных уравнений для гравитационного поля – тех самых, для которых Шварцшильд нашел одно из возможных решений, – Эйнштейн (XX в.) натыкается на самое впечатляющее открытие со времен Анаксимандра: оказывается, геометрия пространства и времени, измеряемая метрами и часами, определяется как раз гравитационным полем – тем, что переносит силу тяготения. Таким образом, уравнения для гравитационного поля описывают также характер искажения пространства и времени (это одно и то же). Итак, гравитация – это искажение времени и пространства, вызванное объектами. Искажение пространства включает замедление часов относительно других часов. Итак, мы пришли к искажению времени.

Масса Земли замедляет время вблизи нашей планеты. Замедление это малó, но его действительно можно измерить с помощью сверхточных часов. Самое заметное его проявление – привычная нам гравитация, падение тяжелых объектов вниз. Таково одно из прямых следствий замедления времени. Чтобы показать это, требуются некоторые математические выкладки, но факт в том, что камень падает потому, что движется по прямой траектории в пространстве-времени, искаженном локальным замедлением времени.

В этой поразительной идее – что гравитация есть следствие искажения пространства и времени – и заключается общая теория относительности Эйнштейна. Идея невероятно простая (так же, как идея Анаксимандра) и озадачивающая (так же, как идея Анаксимандра), она ставит под сомнение то, что казалось очевидным – что геометрия физического пространства должна быть евклидовой, то есть привычной школьной, а время везде течет одинаково.

Конец отступления [3].

5

Вот мы и прибыли. Мы на пороге горизонта. Давайте переступим его. Благодаря Финкельштейну мы не боимся, что физический мир там заканчивается. Это не первый раз, когда мрачная фраза «Оставь надежду, всяк сюда входящий» звучит угрожающе без особых на то оснований.

Так войдем же с мужеством, подобающим тем, кто шагает в неизвестность, слыша голос Одиссея: «…Отдайте постиженью новизны, // Чтоб, солнцу вслед, увидеть мир безлюдный! // Подумайте о том, чьи вы сыны: // Вы созданы не для животной доли, // Но к доблести и к знанью рождены» [4]. Чтобы, как у спутников Одиссея, «…кормой к рассвету, свой шальной полет // На крыльях вёсел судно устремило, // …» [5]

Мы внутри черной дыры, в ее сокровенных недрах.

Если мы запаслись хорошими звездными атласами, то поймем, когда переступим порог, за которым уже поздно посылать весточки домой. Затормозить и повернуть обратно уже не получится. Здесь из-за горизонта не выходит даже свет, и тем более не можем вернуться мы. Никакая ракета не поможет нам избежать падения в центр.

Чтобы выбраться отсюда, придется предпринять еще одно путешествие.

Если мы будем повнимательнее, то поймем, что оказались внутри черной дыры, просто посмотрев вокруг. Пространство здесь сферически симметрично, как и снаружи – вокруг горизонта. Но снаружи достаточно мощная ракета может вознести нас наверх, к сферам все большего и большего диаметра. А здесь, внутри, что бы мы ни делали, мы перемещаемся исключительно к сферам меньшего размера. Тянущая нас вниз гравитация настолько сильна, что предотвратить спуск не получится, как ни старайся.

Итак, подобно Данте и Вергилию, мы спускаемся по кругам ада.

•

Внизу, в слепом мире черной дыры, геометрия пространства и в самом деле напоминает дантовский ад. Вообразите воронку. Очень длинную воронку. В каждый момент времени такой воронкой можно представить внутреннюю область черной дыры [6]. Чем старше черная дыра, тем длиннее воронка. Протяженность внутреннего пространства очень старой черной дыры может достигать миллионов световых лет. Представить, на что она похожа в заданный момент времени, может помочь этот рисунок [7]:

Но даже самая огромная такая воронка не бесконечна: на дне ее все еще находится звезда, падающая сама в себя и создающая черную дыру.

В отличие от дантовского ада, который, насколько нам известно, неизменен, наша воронка со временем вытягивается и сужается.

Я нарисовал последовательность воронок, чтобы было понятнее. Каждая из них представляет внутренность черной дыры в очередной момент времени: чем выше нарисована воронка, тем она старше. Так принято у физиков (не знаю, почему, возможно, это влияние геологов, которые тоже рисуют прошлое внизу, а будущее вверху, потому что более древние слои расположены глубже под землей). Так что рисунок следует «читать» снизу вверх: поднимаясь, трубка удлиняется и сужается.

По ходу спуска в черную дыру мы в каждый момент времени оказываемся все глубже в воронке. Вот так:

Такова форма пространства внутри черной дыры: беспредельная бездна (темная, глубокая и туманная), которая по мере нашего падения сжимается вокруг нас, но мы все равно не можем достичь дна, куда упала звезда, породившая эту черную дыру.

Откуда мы это знаем, если пока никто не добрался туда, чтобы взглянуть и, вернувшись, рассказать нам? Все просто: внутренняя область черной дыры описывается уравнениями Эйнштейна. У нас пока нет никаких оснований в них усомниться, учитывая, что все удивительные и неожиданные предсказания, основанные на них, подтвердились.

Эти уравнения служат нам замечательными проводниками, которые, подобно кроткому Вергилию («Ты мой учитель, вождь и господин!»), указывают нам путь все дальше вниз, в слепой мир.

6

Но рано или поздно настает момент, когда не помогут даже лучшие проводники. Всегда рано или поздно что-нибудь вызывает сомнения. Говорят, что великий наставник чань-буддизма [8] китаец Линьцзи Исюань учил: «Встретишь Будду – убей Будду» [9].

Там, на дне, куда мы падаем, есть области, где искривление пространства-времени становится настолько сильным, что следует ожидать проявления квантовых эффектов, как это всегда бывает в экстремальных условиях. Уравнения Эйнштейна не учитывают подобного, и мы остаемся без проводника.

Действительно, в определенных условиях уравнения Эйнштейна уже не работают: степень искривления становится бесконечной, значения переменных тоже обращаются в бесконечность, и двигаться дальше невозможно. Теория Эйнштейна – наш верный провожатый – покидает нас. Области, о которых идет речь, – точки, «каспы», складки – называются «сингулярностями».

Но дьявол – в деталях. Мы видим, где именно уравнения перестают работать. Хочу обратить ваше внимание на то, что эта деталь и стала главным источником путаницы, которая до сих пор сбивает с толку даже самых опытных ученых. Именно ясность в этом вопросе позволила нам с Хэлом найти выход из тупика.

Может показаться, что странные вещи должны происходить на дне воронки – внизу, в центре черной дыры (в заштрихованной зоне на рисунке).

Но это не так. В центре воронки есть лишь падающая в саму себя звезда и нет сингулярных областей. Там уравнения продолжают работать.

Но как? Если мы вошли в очень старую черную дыру, то разве звезда в ней не прекратила падение давным-давно? Разве не прошла небольшая вечность после ее коллапса? Обрушиваясь сама в себя, звезда сдавливается в точку за очень малое время. Как же она может оставаться в фазе падения спустя все это время?

Время, время… В этом всегда все дело! «Давно» для одних не значит «давно» для других. «Давно» для нас не значит «давно» для звезды. Там, на дне, время течет невероятно медленно. Снаружи могут пройти миллионы лет, но там – всего лишь доли секунды. Нет [10], звезда все еще продолжает свое падение на дно невероятно длинной воронки, которая тем временем становится все длиннее и тоньше, потому что во времени звезды прошли лишь считаные мгновения. Область, где искривление становится бесконечным, где уравнения Эйнштейна перестают действовать… в общем, самое интересное лежит не там!

Оно в будущем. Оно в том, что происходит после временнóго промежутка, который показывает предыдущий рисунок. Оно в серой зоне вот этого рисунка:

Диаметр воронки постепенно сужается, то есть цилиндр становится более искривленным, подобно все более туго свернутому рулону. Чем плотнее закручен рулон, тем сильнее искривление пространства-времени. Когда кривизна доходит до масштабов заветной «шкалы Планка» [11] – шкалы, на которой пространство и время подчиняются квантовым эффектам, – мы оказываемся в области, где из-за них нарушаются уравнения Эйнштейна [12]. Это и есть серая зона на последнем рисунке.

Пренебрегая этими эффектами, по-прежнему продолжая полагаться на теорию Эйнштейна, мы увидим, что сжатие пространства продолжится вплоть до катастрофы: тонкая длинная трубка продолжит вытягиваться и истончаться, пока не схлопнется в линию (заодно раздавив и нас).

А потом? А потом – всё. Пространство сплющено, время закончилось, мы уперлись в стену. Если считать, что уравнения Эйнштейна по-прежнему работают, время действительно заканчивается.

Значит, сингулярная, квантовая область находится в будущем – там, где трубка схлопывается в линию и становится бесконечно длинной. Вопреки тому, как продолжают считать некоторые, она не в центре шара, где расположена черная дыра и где нет ничего, кроме падающей на себя (коллапсирующей) звезды. Это недоразумение и есть источник путаницы в вопросе о черных дырах.

Другими словами, при желании понять происходящее с черной дырой противопоказано считать ее стационарным конусом с сингулярностью в центре. Ее надо представлять в виде длинной трубы, на дне которой прячется звезда, ее породившая: труба вытягивается и сужается, а в будущем схлопывается в линию. Сингулярность не в центре, а после. Это и есть ключевой момент нашей истории.

Вот где мы в конце концов окажемся, падая внутрь черной дыры. «Всех ниже, всех темней, всех дальше он // От горней сферы, связь миров кружащей» [13].

Вот мы и пришли к квантовой зоне. И что теперь?

Уравнений Эйнштейна, самых прекрасных среди физических уравнений, самых надежных провожатых на протяжении всей моей научной карьеры, уже недостаточно. Мы остались без поводыря. «Но мой Вергилий в этот миг нежданный // Исчез, Вергилий, мой отец и вождь, // Вергилий, мне для избавленья данный» [14].

Куда же дальше? Вот об этом мы и говорили с Хэлом в тот день в Марселе.

7

Что делать, оказавшись без помощи наставников? Может быть, без звезд плавать и неплохо, но как научиться тому, чего мы еще не знаем?

Чтобы научиться чему-то новому, можно, например, сходить и посмотреть. Заглянуть за холм. Для этого дети покидают родной дом и отправляются путешествовать. А если кто-нибудь уже сходил туда, то всё, что он узнал, дойдет до нас в виде рассказа, лекции, книги или страницы в Википедии. Аристотель и Теофраст отправляются на остров Лесбос, чтобы рассмотреть рыбок, моллюсков, птиц, животных и растения, описывают их в нескольких книгах и открывают мир биологии.

Чтобы заглянуть подальше, у нас есть приборы. Галилей наводит телескоп на небо и видит то, что мы, люди, даже представить себе не могли, представляя нашему взору бескрайний мир астрономии. Физики анализируют спектры элементов и собирают данные об атомах, открывая дверь в мир квантов. В основе многих новых знаний лежат точные наблюдения. Но мы не можем ни добраться до дна черной дыры, ни взглянуть на него, потому что даже свет не способен выбраться оттуда…

Туда, куда не отправишься физически, можно совершить мысленное путешествие. Поменять перспективу в воображении, чтобы увидеть вещи с другого ракурса.

Список в главе 4 открывает Анаксимандр – первый человек, составивший географические карты. Что это такое? Это изображение обширной территории, какой она предстала бы, гляди мы на нее с высоты птичьего полета или даже выше. Цивилизации, путешествия и торговля существовали уже тысячи лет, но до карт никто не додумался. Этот скачок дался нелегко. Мы привыкли видеть Землю с близкого расстояния – разве кто-нибудь глядел на нее с такой высоты? Представить себя орлом и задаться вопросом, что мы увидим с небес, – в этом и состоит смена перспективы. У Анаксимандра оказалось достаточно воображения. Так что именно он первым догадался, какой Армстронг и Коллинз увидят Землю с Луны.

Или величайший астроном древности – Гиппарх. Один из полученных им результатов замечательно показывает, насколько эффективным может быть воображаемое путешествие. Речь идет об оценке расстояния до Луны. Посмотрите на следующий рисунок (он не в масштабе – на самом деле Солнце гораздо дальше и намного крупнее), я снабдил его пояснениями самого Гиппарха.

Первый шаг в этом изысканном геометрическом рассуждении таков: «А что бы я увидел, если бы дошел до вершины конуса земной тени?» Гиппарх представляет себя там, наверху, далеко-далеко от Земли, в межпланетном пространстве, и оборачивается, чтобы взглянуть, как Земля закрывает Солнце… Да, в своем воображении.

Он воображает, будто долетел до вершины конуса земной тени, чтобы оглянуться. Теперь Земля для него закрывает Солнце, и угол α равен половине угла, под которым видно Солнце. Угол β равен половине видимого размера Луны. Солнце и Луна кажутся одинаковыми, следовательно, α = β. И тогда Евклидова геометрия говорит нам, что две пунктирные линии параллельны. Меж тем из рисунка видно, что радиус Луны плюс радиус тени (в том месте, где находится Луна) в сумме дают радиус Земли. Наблюдения затмения показывают, что радиус диска тени в два с половиной раза больше радиуса Луны, а радиус Земли – втрое. Монета диаметром 1 сантиметр на расстоянии 110 сантиметров в точности закрывает лунный диск от нашего взора (проверьте!), следовательно, расстояние до Луны в 110 раз больше ее диаметра. А значит, расстояние до Луны составляет 110, деленное на 3,5, то есть около 30 земных диаметров. Совершенно верно. Гениально! И все это на основе простых наблюдений невооруженным глазом, которые любой может выполнить у себя в саду!

Коперник глядит на Солнечную систему, как будто видит ее, стоя на Солнце. Кеплер летает на метле своей матери. Эйнштейн задумывается, что бы он увидел, если бы прокатился на луче света… Вот что значит помещать себя в ситуации, все более далекие от повседневного опыта. Воображать, будто смотришь на все с другой точки зрения. Представлять, какой бы мы увидели черную дыру, если бы вошли в нее.

•

Но как это – «пойти и взглянуть» мысленным взором? Анаксимандр не парил в небе с орлами, Кеплер не летал на метле (это уж точно), а Эйнштейн не катался на луче света… Как же сходить и взглянуть туда, куда мы дойти не в состоянии?

Думаю, что ответом будет попытка вслепую нащупать баланс между тем, что «взять с собой», а что «оставить».

То, что мы берем, дает нам представление о наших ожиданиях. Чтобы попасть внутрь черной дыры, мы применяем уравнения Эйнштейна, которые предсказывают ее геометрию. Эйнштейн использует уравнения Максвелла. Кеплер – книгу Коперника. Это карты, правила, общие соображения, на которые мы полагаемся, потому что они хорошо себя зарекомендовали.

И в то же время мы понимаем, что от чего-то придется отказаться. Анаксимандр отказался от идеи о том, что все вещи падают параллельно, Эйнштейн – от идеи, что все часы тикают в унисон… Если мы откажемся от слишком многого, у нас не останется инструментов для продвижения вперед, но если мы слишком много возьмем с собой, то не сможем найти путь к пониманию. Не думаю, что существуют какие-то рецепты, кроме метода проб и ошибок. Пробовать и пробовать снова. Этим мы и занимаемся. «Уважь любовь и труд неутомимый…» [15]

Мы снова и снова по-разному сочетаем знакомое и привычное, пытаясь найти комбинацию, которая что-нибудь прояснит. Отбрасываем детали, которые поначалу казались важными. Рискуем, хотя и осторожно. Наведываемся на границу нашего знания. Присматриваемся к ней, проходим ее вдоль и поперек, нащупываем возможности, пробуем новые концепции и сочетания.

Новые концепции мы добываем из старых, изменяя их и подстраивая. Мы, люди, мыслим аналогиями. Ньютоновские «силы» заимствованы из повседневного опыта толкания. Протяженные в пространстве электрические и магнитные поля Фарадея скопированы у крестьян. Эйнштейн понял, что время порой течет медленно, а порой – быстро, но разве мы сами не знали этого?

Запад научился творчески применять «мышление по аналогии» для построения в каждом поколении новых концепций, оставив в наследство современному человечеству все великолепие научного мышления. Но именно Восток первым осознал с неумолимой ясностью, что мысль развивается посредством аналогий, а не силлогизмов. Аргументы такого рода исследовали еще древнекитайские философы-моисты, их логику использует один из величайших трактатов человечества «Чжуан Цзы». Для научного мышления важны строгая логика и математика, но это лишь одна из двух необходимых составляющих. Вторая – это творческий дух, освободившийся в ходе эволюции от жесткой структуры. Вот он-то и питается аналогиями и новыми сочетаниями.

Электромагнитное поле – не поле пшеницы; эйнштейновское замедление течения времени – не то, как растягивается время от скуки; в случае с силой тяготения никто ничего не толкает и не тянет. И все же аналогия очевидна. Она заключается в том, что какой-то аспект понятия берут и используют в другом контексте, с сохранением части исходного смысла и утратой какой-то другой его части. Так получаются новые сочетания, которые порождают новые смыслы. Так работает наука в лучших ее проявлениях.

Я считаю, что так работает и лучшее искусство. Наука и искусство – это постоянная реорганизация нашего понятийного пространства, того, что мы называем смыслом. Искусство не в арт-объекте и тем более не в некоем таинственном духовном мире – оно в сложном устройстве нашего мозга, в калейдоскопической сети отношений «по аналогии», с помощью которых наши нейроны реагируют на объект и ткут то, что мы называем смыслом. Нас это трогает, потому что в какой-то степени выводит из привычного дремотного блуждания, заставляет еще раз ощутить радость встречи с чем-то новым. Радость того же рода дает наука. Свет Вермеера обнаруживает резонанс света, который нам до сих не удалось постичь; отрывок из Сапфо («Горько-сладкий Эрос» – эссе Энн Карсон) намекает на способы переосмысления желаний; черная пустота Аниша Капура [16] ставит нас в тупик, совсем как черные дыры общей теории относительности, – наводит на мысли о других способах переходить от самых грубых теорий к абстрактным понятиям неуловимой ткани действительности…

Путь от наблюдения до понимания может быть долгим. Множество серьезных шагов было сделано благодаря одной лишь работе мозга без единого нового наблюдения: титаны науки Коперник и Эйнштейн получили свои эпохальные результаты на основе уже известных наблюдений (Коперник и вовсе опирался на наблюдения, выполненные более чем за тысячу лет до него). Новое можно найти даже в давно известном, опираясь на детали, которые не вписываются в общую картину. «Блуждает стрелка компаса как хочет, // кидать повторно кости бесполезно. // … // Спасительный проход?» [17] – нить, которая может привести нас к истине, если ее распутать. Намеки, которые подсказывают нам, как переосмыслить все на этот раз.

Именно способность менять образ мыслей позволяет совершать прорывы. Ведь что сделал Коперник? До него в мире было всего два семейства сущностей – земные (такие как горы, люди, капли дождя и т. д.) и небесные (такие как Солнце, Луна и звезды). Земные сущности падают, а небесные бегают по кругу. Земные сущности преходящи, а небесные вечны. Все абсолютно разумно. Требуется отвага, граничащая с безумием, чтобы хотя бы представить иной способ устройства мира. Коперник делает это: его космос разделяется по другому принципу. Солнце остается само по себе и образует отдельный класс. К другому классу относятся планеты, в том числе Земля со всем, что на ней. Да, Земля – всего лишь одна из планет, и потому горы, люди и капли дождя принадлежат к тому же классу, что и крошечные точки на небе – как Венера и Марс. А Луна… ну, она сама по себе и составляет отдельный класс. Все обращается вокруг Солнца, а Луна – вокруг Земли.

Изменение порядка вещей – нелегкое дело, но именно с этим наука справляется лучше всего. То, как устроены мы и наш взгляд на мироздание, нельзя назвать ни безусловным, ни единственно возможным – это лишь то, что мы как-то выработали в ходе эволюции, чтобы управляться с повседневными делами. Нет ни малейших оснований считать, что наши правила работают за этой границей. Разделение сущностей на земные и небесные хорошо для обычной жизни, но никак не для понимания космоса и нашего места в нем.

Как переосмыслить реальность, чтобы преодолеть сингулярность, которую уравнения Эйнштейна предсказывают для будущего черной дыры? Что мы найдем по ту сторону сингулярности? Что нас ждет в Зазеркалье Алисы?

Какой багаж нам стоит взять с собой, а какой оставить, чтобы двигаться налегке и суметь пройти сквозь зеркало за пределы времени, покорного общей теории относительности?

Часть вторая

1

Вот мы и добрались до того летнего дня, когда Хэл после месяцев проб, ошибок, хождения по ложному следу и отвергнутых идей предложил обратить время вспять и соединить два пространства-времени туннельным эффектом. О чем он говорил?

О том, что может оказаться по ту сторону сингулярности.

В основе его идеи лежала простейшая аналогия. Образование черной дыры представляет собой падение: прекратившая гореть звезда падает на саму себя и оказывается раздавлена собственным весом; вошедший в черную дыру объект падает; пространство – длинная труба на рисунках, приведенных несколькими страницами ранее, – сдавливается, падая само в себя.

Что происходит с объектами при падении? Они доходят донизу и потом… отскакивают. Если уронить баскетбольный мяч на пол, он отскочит и полетит вверх.

Как движется мяч после отскока? Задумайтесь на мгновение: он движется так, словно видеоролик его падения прокручивают в обратном направлении, назад во времени. Отскакивающий мяч – все равно что падающий мяч, съемку которого мы смотрим от конца к началу.

Итак, мы убедились, что сингулярная зона черной дыры находится не в «центре», а в конечной точке падения. Не может ли быть так, что в тот момент, когда черная дыра достигает этой нижней точки – красной области на последних рисунках, – она просто отскакивает и движется обратно подобно мячу, как если бы время повернуло вспять? [18] Траектория падения – это черная дыра. Что же мы увидим, если вообразим это видео, прокрученное в обратном направлении?

Мы увидим белую дыру.

2

Так что такое белая дыра?

Мы знаем множество черных дыр, но, как я уже говорил, еще до того, как мы их увидели, уравнения Эйнштейна рассказали, как они возникли. Многие (как и мой заведующий кафедрой в Марселе) сомневались в их реальном существовании – черные дыры казались слишком экзотичными, – но это были уже хорошо знакомые теоретикам объекты – решения уравнений.

Белые дыры – это тоже решения уравнений Эйнштейна. Так что и их мы хорошо знаем.

Больше того, это даже не какое-то другое решение уравнений Эйнштейна, а все то же, описывающее черную дыру, но записанное с противоположным знаком времени. То же самое решение, которое мы всего лишь рассматриваем в обращенном времени. Белая дыра – это то, как выглядела бы черная дыра, если бы мы могли снять ее и прокрутить пленку от конца к началу.

Как и все уравнения фундаментальной физики, уравнения Эйнштейна не различают направления времени, не различают прошлого и будущего: они говорят, что некий процесс может происходить, и тот же самый процесс, обращенный во времени, тоже может происходить [19].

Падая и достигнув дна, черная дыра «отскакивает» и заново переживает свою историю в обратном времени, подобно отскочившему баскетбольному мячу, – превратившись в белую дыру.

Этот рисунок иллюстрирует продолжение эволюции пространства внутри черной дыры:

После входа в квантовую зону (она обозначена серым цветом) труба перестает вытягиваться и сужаться, отскакивает и возвращается к прежней позиции, укорачиваясь и расширяясь.

В черную дыру можно войти, но из нее нельзя выйти. Из белой дыры, наоборот, можно выйти, но в нее нельзя войти. (Если заснять объекты, входящие в дыру, а потом прокрутить видео в обратном направлении, эти объекты будут выглядеть исходящими из дыры.) Все вошедшее в черную дыру может пересечь красную зону, перейти в белую дыру и потом выйти наружу.

Просто, не правда ли?

•

Но может ли такое произойти? Для перехода из черной дыры в белую пространство и время должны миновать красную зону. И там им придется нарушить уравнения Эйнштейна. Пусть даже на краткое мгновение, в момент отскока.

Нарушение уравнений Эйнштейна вполне ожидаемо: мы уже знаем, что перед достижением сингулярности начинают действовать квантовые эффекты. Но допускают ли они подобный отскок?

Ученые хорошо разбираются в квантовой физике атомов, электронов, света, лазеров… Но здесь речь идет о квантовой физике пространства и времени.

Именно поэтому меня так интересуют черные и белые дыры. Я всю жизнь пытался понять именно квантовые аспекты пространства и времени. Концептуальную структуру, без понимания которой не выйдет сориентироваться в условиях квантованного пространства и времени. Это моя большая любовь. «Следы огня былого узнаю!» [20] Вижу, как он мерцает на дне черной дыры.

Мои отношения с теоретической физикой включали главным образом участие в создании математической структуры для описания квантовых пространства и времени. Построенная нами структура называется петлевой теорией квантовой гравитации и служит для понимания происходящего в тех областях черной дыры, где бал правят квантовые свойства пространства и времени, где наши интуитивные представления о непрерывных пространстве и времени уже не работают. «О благородный разум, гений свой // Запечатлей…» [21].

3

Что значит «квантовое поведение»? [22] Простейшее из квантовых свойств – дискретность. В малых масштабах все процессы оказываются дискретными, и даже свет при малой интенсивности проявляется в виде «крупинок» света – фотонов.

Это фундаментальная идея. Применяя ее к пространству, мы должны предположить существование элементарных пространственных «крупинок» конечного размера. Квантов пространства. «Произвольно малых» вещей не существует – есть нижний предел делимости. Таким образом, сочетание теории Эйнштейна и математического аппарата квантовой теории говорит нам: любая физическая сущность дискретна, а значит, и пространство тоже [23].

Необходимый математический аппарат был разработан Роджером Пенроузом – великим английским релятивистом, удостоенным Нобелевской премии в 2020 году – как раз тогда я писал первый вариант этой книги. И этот математический аппарат тоже родился из простой аналогии – понятия сети. Сеть представляет собой множество узлов, соединенных связями. Узлы – это элементарные «крупинки» пространства. «Кванты пространства», как фотоны – кванты света. Но фотоны движутся по пространству, в то время как из квантов пространства оно соткано.

Связи соединяют соседние узлы в сети и делают множество узлов связной, то есть «пространственной», структурой. Роджер Пенроуз назвал эти структуры «спиновыми сетями», позаимствовав термин из математического описания симметрий пространства. В этой области важную роль играют вращения, которые на английском языке называются «спин» [24].

Схема спиновой сети и ее квантов пространства

В 1958 году англичанин Пенроуз встретился с американцем Финкельштейном – тем самым, который понял, как работают горизонты, и обсуждал гравюры Дюрера. Финкельштейн прибыл в Лондон, чтобы выступить с докладом о горизонте черной дыры, в котором он только что разобрался. Незадолго до этого Пенроуз закончил обучение в Оксфорде и отправился в Лондон, чтобы послушать Финкельштейна. После доклада двое молодых людей основательно побеседовали. Пенроуз уже начал разрабатывать основы математического аппарата спиновых сетей и, разумеется, рассказал о нем Финкельштейну.

Встреча изменила обоих. Пенроуз увлекся черными дырами. Интерес, который пробудил в нем доклад Финкельштейна, привел Пенроуза к доказательству неизбежности процесса образования черных дыр, а спустя 60 лет – к Нобелевской премии за этот результат. Финкельштейна же увлекла идея дискретности пространства, которую Пенроуз начал разрабатывать, придумав спиновые сети. Финкельштейн долгое время пытался найти квантовое описание пространства-времени, образованного элементарными квантами. Так, по стечению обстоятельств, произошел обмен интересами между двумя искателями приключений в мире идей [25].

Когда произошла эта беседа, мне было два года. Спустя 37 лет мы вместе с Ли Смолином открыли для себя математический аппарат спиновых сетей и описываемое им пространство «крупинок». Мы применили квантовую механику к общей теории относительности, объединив две области исследования, которыми 30 лет назад обменялись Пенроуз и Финкельштейн.

В это время – а дело было в 1994 году – Ли часто бывал у меня в Вероне. (Как я понял потом, он приезжал не только ради меня, но и потому, что увлекся одной из моих очень симпатичных веронских подруг.) Начав рассчитывать свойства элементарных квантов пространства, мы поняли, что заново открываем спиновые сети Пенроуза, и тогда Ли слетал в Оксфорд, чтобы получить у Пенроуза разъяснения на их счет. С тех пор Роджер Пенроуз стал для нас своеобразным старшим братом. Но вернемся к черным дырам.

Если пространство «крупинчато», то внутреннюю область черной дыры невозможно сдавить до размеров меньше одной «крупинки». Сжатие, которое сдавливает трубу внутри черной дыры, должно прекратиться раньше, чем достигнет сингулярности. Что же произойдет в этот момент?

4

Второе характерное свойство квантовых явлений состоит в том, что объекты не всегда обладают определенными свойствами. У частицы не всегда есть положение. И даже так: как правило, у нее его нет. Определенное, однозначное положение у нее есть в момент столкновения с другой частицей или попадания на экран. Между столкновениями, между моментом испускания энергии и моментом отображения конкретного положения у частицы нет: происходит скачок (переход). Чтобы стало понятнее, можно вообразить движение частицы как распространение волны, которая при столкновении концентрируется.

Одно из следствий этого волнового аспекта реальности – так называемый «туннельный эффект», свойство объектов проходить барьеры, которые иначе непроницаемы. Представьте себе, что вы швыряете шарик в стену. С точки зрения классической физики шарик не может пройти сквозь стену. На самом деле реальность такова, что у шарика есть некая вероятность (пусть даже ничтожно малая) оказаться по ту сторону. Это и называется туннельным эффектом: получается, как будто любой такой шарик может с некоторой вероятностью найти (воображаемый) «туннель», позволяющий пройти через барьер.

В этом состояла первая идея Хэла: внутренняя область черной дыры может пройти через зону, запрещенную уравнениями Эйнштейна – красную зону на рисунке, – и посредством туннельного эффекта попасть «на другую сторону».

Таким образом, квантовые свойства пространства и времени позволяют внутренней области черной дыры «проскочить» за сингулярность, тогда как классические уравнения предсказывают остановку времени. Тут мы имеем дело со скачком не частицы, а самого пространства-времени. Скачок пространства-времени – это не явление, происходящее в пространстве и времени, не пространственное и не временнóе. Это квантовый переход – «скачок» – из одной конфигурации пространства-времени в другую. Петлевая теория гравитации описывает квантовые переходы этого типа.

Обычные уравнения квантовой механики дают вероятность перехода из одной конфигурации в другую для физической системы в пространстве. Уравнения петлевой теории гравитации дают вероятность скачков из одной конфигурации пространства в другую.

При переходе через область, где, по теории Эйнштейна, наступает конец времени, на короткое мгновение время и пространство перестают существовать.

Вот оно. Здесь квантовые свойства пространства и времени «мерцают». Мы можем пройти через то, что теория Эйнштейна описывает как границу реальности, и попасть на другую сторону. Уравнения петлевой квантовой гравитации позволяют вычислить вероятность такого события.

•

В этом все дело. В этом суть нашей научной проблемы, вопроса о жизни черных дыр и моей книги. Скачок на ту сторону «конца времени», предсказанного общей теорией относительности, возможен: он предусмотрен квантовой теорией, которая определяет его точные числовые характеристики. Это настоящий скачок, как и все квантовые скачки, – разрыв непрерывности. Мгновенный разрыв пространственно-временного континуума. И тем не менее он схвачен и описан имеющимися уравнениями. Вот так: уравнения квантовой гравитации описывают мир, который богаче простого пространственно-временного континуума.

Взойдя на гору Чистилища, Данте остается без Вергилия, но в то же самое мгновение, охваченный волнением, видит Беатриче: «Следы огня былого узнаю!» [26]

Посредством ослепляющей игры – глаза Беатриче, Солнце и собственные глаза Данте – поэт совершает переход за конец Вселенной. Беатриче смотрит на Солнце, Данте – в глаза Беатриче, а потом, вслед за ее взглядом, также глядит на Солнце: «Там можно многое, что не под силу // Нам здесь…» [27]

Данте охвачен светом: «И вдруг сиянье дня усугубилось…» [28]

…И вновь он растворяется в глазах Беатриче: «А Беатриче к вечным высотам // Стремила взор; мой взгляд низведши вскоре… // Я устремил глаза к ее глазам…» [29]

В скачке – одно лишь озеро света: «Я видел – солнцем загорелись дали // Так мощно, что ни ливень, ни поток // Таких озер вовек не расстилали» [30].

…И он улетает по ту сторону пространства и времени.

5

Вернемся к иллюстрации перехода из черной дыры в белую, добавив некоторые детали.

Я добавил линию звезды, которая формирует черную дыру, потом «отскакивает» и, наконец, выходит из белой дыры. Звезда при этом все время находится на дне длинной воронки. Справа от этой схемы я также добавил область вне черной и белой дыр.

Зона квантового перехода изображена красным. В остальном все в этом графике должно соответствовать теории Эйнштейна.

Я разделил зону квантового перехода на три части, обозначив их A, B и C, потому что именно так, без особой фантазии, их обозначают в научной литературе (ну, и на рисунке они расставлены не по алфавиту).

Зона A представляет собой внутренний переход от геометрии черной дыры к геометрии белой дыры. В последние годы многие исследователи изучали этот переход в рамках петлевой теории гравитации. Детали полученных ими результатов могут различаться, но почти все работы говорят о возможности такого перехода.

Зона C – это «отскок» звезды. Очень похоже на то, что, согласно петлевой теории гравитации, произошло при Большом взрыве. Таким образом, Большой взрыв мог быть огромным космическим «отскоком» («Большой отскок»), при котором сжимающаяся Вселенная достигает максимальной плотности, дозволяемой квантами, потом «отскакивает» и начинает расширяться. В черной дыре заключена не целая Вселенная, а всего одна звезда, но физика похожа: при чрезвычайно высокой плотности кванты становятся дискретными и создают давление, которое препятствует дальнейшему сжатию и приводит к «отскоку». В обоих случаях давление, под действием которого обрушение сменяется отскоком, вызвано явлением квантовой гравитации.

В момент максимального сжатия сверхсдавленная звезда называется «планковской звездой» [31], потому что при этом достигается масштаб квантовой гравитации – планковская шкала [32]. В более широком смысле «планковской звездой» называют явление целиком – обрушение звезды в черную дыру, отскок, белую дыру и так далее, вплоть до выхода материи наружу.

С математической точки зрения самая трудная зона – это зона B, собственно квантовый скачок горизонта из черной дыры в белую. Сейчас исследователи занимаются прежде всего его расчетом. Эти расчеты, в свою очередь, основаны на так называемой ковариантной петлевой теории, известной также под колоритным названием «спиновая пена».

Перечитываю эти строки, чтобы в очередной раз переписать их. Я в Вероне, на площади, носящей имя поэта. Передо мной его строгое изваяние. Я сижу на большой ступеньке Лоджии Фра Джокондо, где впервые увидел свою первую любовь.

Для меня это родной город, куда я возвращаюсь при каждой возможности из своих (счастливых) странствий по миру. Для него Верона была местом тягостного изгнания, где он узнал, «…как горестен устам // Чужой ломоть…» [33] (хлеб в Вероне соленый, а не пресный, как во Флоренции) и «как трудно на чужбине // Сходить и восходить по ступеням» [34].

Передо мной Палаццо делла Раджоне (Дворец Разума) с длинной широкой лестницей. Если подумать, Дворец Разума был здесь уже во времена моего поэта, хотя лестница – вряд ли. Конечно же, он часто стоял тут семьсот лет назад. Здесь он написал «Рай», здесь, на краю этой самой площади, просматривал свои записи…

Поблизости, в маленькой церкви Святой Елены, рядом с клуатром кафедрального собора (где я тайком целовался с девчонками, пока какой-то возмущенный священник не застал нас), где находится, пожалуй, самая старая библиотека в мире (я сам видел пергаменты III века и кодексы V века), он прочел лекцию «Вопрос о воде и о земле», в которой рассуждал, почему суша выступает наверх, когда естественное место суши – ниже воды. Разумный вопрос! Кто-то сказал, что он сделал это, чтобы получить возможность преподавать в «студии» – веронской школе, ставшей впоследствии известным университетом. Кто знает, правда ли это… Во всяком случае, должность он не получил, поскольку его не сочли достаточно квалифицированным… или поскольку он оказался недостаточно своим для «банды» – он, который воспевал всю Вселенную, как никто другой.

Но я отвлекаюсь. Вернемся к переходу от черной дыры к белой. Со звездой все ясно, с внутренней областью дыры все ясно, с горизонтом все ясно.

Но этого недостаточно. Не хватает самого важного перехода: если описанное выше происходит внутри черной дыры, то что же происходит снаружи? Как может область вне черной дыры превратиться в область вне белой дыры, если по эту сторону не ожидается ничего квантового?

Чтобы ответить на этот вопрос и понять догадку Хэла, мы должны немного получше разобраться в том, что такое белая дыра.

Будьте готовы к неожиданностям.

6

Чем отличается область вне белой дыры от области вне черной дыры? Если я нахожусь снаружи, то как я смогу отличить черную дыру от белой?

Ответ – никак. Снаружи белая дыра неотличима от черной.

Как и всякая масса, черная дыра притягивает – и точно так же делает белая дыра. Планеты могут обращаться вокруг черной дыры – и точно так же вокруг белой. И так далее. Можно падать в черную дыру, а можно – в белую.

Это сбивает с толку. Белая дыра – своего рода черная дыра наоборот, но это не означает замену притяжения на отталкивание. Да, именно так: время меняет направление, но притяжение все равно не становится отталкиванием [35]. Повторю еще раз: с точки зрения внешнего наблюдателя черная дыра и белая дыра ведут себя совершенно одинаково – в обоих случаях это масса, притягивающая к себе посредством силы гравитации.

•

Но как же так? Черная и белая дыры кажутся настолько разными объектами! В одну можно только войти, из другой – только выйти. И несмотря на это, они могут быть неразличимы? Выглядит как противоречие.

Противоречия, однако, нет, а есть блестящий пример волшебной силы архитектуры общей теории относительности. Это тонкий и прекрасный момент. Постарайтесь проследить ход моей мысли. Не страшно, если вы потеряетесь в процессе чтения следующих абзацев (это случается со многими). Но если у вас получится ухватить нить рассуждений, то вы поразитесь, когда увидите, насколько потрясающе то, что вытворяет относительность времени.

Итак. Из белой дыры можно выйти. Значит, я могу увидеть, как от белой дыры свободно уносится камень. Могу ли я увидеть камень, уносящийся от черной дыры? На первый взгляд это невозможно, ведь он не может из нее выйти. А вот и возможно! Если с коллапсирующей звезды изо всех сил бросить камень за мгновение до пересечения горизонта, то он полетит прочь, хотя для удаленного наблюдателя начало его полета будет выглядеть очень замедленным, и камень удалится от черной дыры лишь спустя долгое время. Значит, нет ничего, что помешало бы мне увидеть камень, летящий из черной дыры, точно так же, как я могу увидеть камень, удаляющийся от белой [36].

Те же соображения работают и в обратную сторону. Представим себе камень, падающий на черную дыру. Вскоре он пересечет горизонт. Падающий на белую дыру камень не может пересечь горизонт, потому что внутрь горизонта белой дыры невозможно войти. Казалось бы, это означает, что снаружи легко отличить черную дыру от белой – достаточно посмотреть на падающий камень. Но… нет. Помните? Снаружи никогда не видно, как камень входит внутрь горизонта черной дыры, потому что свету требуется все больше времени, чтобы это нам показать! Видно, как камень приближается и приближается к горизонту, но и только. А что мы увидим в случае камня, падающего на белую дыру? То же самое! Мы увидим, как камень все приближается и приближается к горизонту, но так и не входит в него. Что же происходит с камнем, падающим на белую дыру? Он достигает вещества, исходящего из белой дыры, за время, которое может оказаться очень большим для внешнего наблюдателя (помните, что вблизи горизонта оно замедляется?), но очень малым для камня… Эта дивная гибкость времени! Итак, черный и белый горизонты различаются, но снаружи выглядят совершенно одинаково.

Горизонты четко различают белое и черное, будущее и прошлое, но для внешней по отношению к ним области этих различий нет.

Статья Дэвида Финкельштейна 1958 года, в которой он показал, что происходит на горизонте, была озаглавлена «Асимметрия прошлого и будущего гравитационного поля». В заголовке подчеркивается главная мысль: при обращении времени геометрия внешней области черной дыры не меняется, эта симметрия нарушается только на самом горизонте – он не инвариантен и при обращении времени меняется на противоположный. Именно поэтому одна и та же внешняя область согласуется как с черной, так и с белой дырой.

Все это невероятно и удивительно, но так устроена природа. Несмотря на полную несхожесть происходящего внутри, фокус со временем на горизонте позволяет белой дыре снаружи быть такой же, как черная.

Именно в этом состояла главная мысль Хэла.

•

Почему? Потому что это делает правдоподобным изображение происходящего внутри черной дыры на последнем рисунке. Самое удивительное – то, что внутри эволюция пространства протекает как на рисунке, в то время как снаружи… не меняется ничего!

Квантовое туннелирование происходит только в областях с сильным искажением пространства-времени, и это не противоречит тому, что снаружи – где мы находимся не в квантовом режиме – все продолжается в соответствии с общей теорией относительности.

Снаружи решения уравнений Эйнштейна для черной и белой дыр «сшиваются» гладко, без каких бы то ни было шероховатостей. Нестыковки начинаются только там, где и ожидалось, – в области очень сильных искажений, способных порождать квантовые эффекты.

Ура! Мы нашли приемлемый сценарий происходящего внутри черных дыр по ту сторону конца времени. За сингулярностью мы получаем решение с обращенным временем – внутреннюю область белой дыры. Снаружи не происходит ничего, но черный горизонт, подобно Гэндальфу, превращается в белый.

Помню чувство, охватившее нас в тот день, когда начал вырисовываться угаданный Хэлом сценарий. Кусочки головоломки были уже известны: туннельный эффект, решения уравнений Эйнштейна для белой и черной дыр, существование нижнего предела пространственных размеров, странное поведение белых и черных дыр и жуткая разница течения времени для тех, кто находится на горизонте и вдали от него. Догадка, что падающие объекты отскакивают – и так возникают планковские звезды. Пазл сошелся.

7

Как почти всегда бывает с научными головоломками, некоторые фрагменты не вписываются, и мы их отбрасываем. Что же в точности происходит с пространством и временем в момент отскока? Квантовая теория говорит, что происходящее в скачке не существует, то есть лишено формы, размеров и свойств.

Можно приблизительно представить себе, как сдавливание трубы плавно замедляется, сменяется обратным процессом, и начинается расширение. Но в реальности при этом переходе пространство и время растворяются в облаке вероятности, по ту сторону которого вновь обретают структуру. Отбросить пришлось вот этот кусочек головоломки: мысль, что события природы всегда можно представить в пространстве и времени.

•

В тот вечер многие вопросы остались открытыми, и надо было четко понять, что в итоге. Хорошо, аналогии, но тогда потребуются и силлогизмы, иначе мы так и останемся жить в иллюзиях. Нам нужны были уравнения для точного описания геометрии нашего пространства-времени. Нужно было показать, что они удовлетворяют уравнениям Эйнштейна везде, за исключением квантового перехода, рассчитать вероятность квантового скачка.

Мы справились за несколько последующих дней. Было весело. Почти как кройка и шитье – по крайней мере в той части, где мы проверяли «сшивку» областей. Трудность состояла в том, что описание каждой из областей чего-то не учитывало. Именно эта проблема с самого начала поставила в тупик Эйнштейна и остальных, и именно ее прояснил Финкельштейн. Способы ее решения сейчас известны [37], мы их применили, и все сработало. Мы написали статью с расчетами и опубликовали ее [38]. Идея постепенно пробивала себе дорогу.

Гипотеза о том, что черная дыра может превратиться в белую, теперь доступна каждому, кто готов ее развивать.

•

Конечно же, в тот вечер мы были невероятно счастливы. Мало что так же прекрасно, как чувство воздушной легкости в миг появления идеи – возможно, действительно хорошей. Расчет, который в конце концов сошелся, догадка об устройстве чего-то, прежде нами не понятого. Едва уловимое, но всепроникающее ощущение счастья.

Впрочем, может быть, это просто удовлетворение от хорошо проделанной работы. Примерно то же самое я чувствую, починив калитку в саду. Успешное завершение задуманного. Занятие наукой – это череда разочарований, неудачных попыток и экспериментов, ошибочных идей, несходящихся расчетов. И среди всего этого – редкие радостные моменты.

Или, возможно, это совсем иное – радость от шага, который хотя бы слегка удовлетворяет желание понять, «взглянуть»… Ну, в общем, мы с Хэлом были в тот вечер счастливы, что теперь у нас есть идея и она нам нравится.

Но… это не означало убежденности, что истина у нас в кармане. Наука полна разочарований. Что, если и на этот раз? С того дня прошли годы, идея о превращении черных дыр в белые получила развитие и так или иначе была подхвачена многими исследователями. Теперь мы ищем подтверждения на небе, но все равно не уверены в ее истинности.

Ученые относятся к своим идеям довольно странно: похоже, никто на самом деле не признаётся даже себе, насколько в них верит… Следует быть политкорректными, здравомыслящими, всегда держать в уме возможность собственной ошибки. Но в глубине души у каждого – сумасшедшее желание сказать: «Я уверен, что все именно так!» В собственные идеи влюбляются, в них убеждены, их яростно защищают изо всех сил. От этого зависит научная репутация, за которую мы цепляемся, как дети за сахарную вату… И в то же время под слоем этих эмоций всегда остается сомнение. Страх, что мы ошибаемся, заблуждаемся, обманываемся… Вот они, горько-сладкие плоды бытия ученым.

Самый рациональный, бесстрастный, рассудочный, аутистичный из ученых, Поль Дирак, как-то заявил на конференции: ученые, получившие важные результаты, редко способны сделать следующий шаг просто потому, что они сами первыми начинают в своих результатах сомневаться. Он рассказал, что когда вывел уравнение, сейчас носящее его имя, – одно из самых знаменитых уравнений современной физики, которое описывает характер движения электронов, – то сразу же опубликовал расчет, показавший, что в первом приближении уравнение правильно предсказывало атомные спектры. Но ему не хватило смелости выполнить расчет в более точном приближении, потому что… он боялся, что ошибся, и боялся продемонстрировать всем эту ошибку.

Сработает ли? Я задаюсь этим вопросом, прогуливаясь под кронами леса за домом. Временами мне кажется очевидным, что идея верна. Действительно, если принять все во внимание, разве может хоть что-то пойти иначе? Я верчу идею в голове так и этак и не вижу, в чем она может быть ошибочной. Иной раз сам себе улыбаюсь. Я говорю себе: «Знаешь, сколько ошибочных идей казались правильными тем, кто над ними работал?»

Сомнения, уверенность, надежды и опасения… В тот вечер мы были счастливы. Хороший день. Шаг в неизведанное. Ради этого и живем.

Часть третья

1

Ни от кого не ускользнет понимание, что ключевой момент в идее Хэла – время: белая дыра – это черная дыра с обращенным временем.

Но возможно ли это на самом деле? Большинство явлений протекают только в одном направлении – их невозможно повернуть назад во времени. Разбитый стакан не склеится, упавшее яйцо не отскочит. Прошлое и будущее – разные вещи.

Описание жизни черной дыры, которое я привожу выше, слишком упрощенное, схематичное – оно не учитывает все, что отличает прошлое от будущего. Для полноты картины мы должны учесть явления, которые невозможно заставить «отскочить», – «необратимые» аспекты жизни черных дыр.

Это нас приводит – в который раз – к вопросам о времени. В чем причина радикального различия прошлого и будущего? Почему мы помним прошлое, а не будущее? Почему мы можем решить, что будем делать завтра, но уже не решаем, что сделали вчера? Ответы на эти вопросы, которые меня завораживают и которым я посвятил последние годы, весьма тонкие и в конечном счете тесно связаны с нами самими.

Давайте по порядку. Я начну с необратимых аспектов жизни черной дыры и попутно расскажу об идущей сейчас среди ученых забавной полемике, а потом перейду к некоторым моментам, связанным с направлением времени, которые я, как мне кажется, понял и которые мне представляются особенно красивыми.

•

В 1974 году Стивен Хокинг сделал неожиданное открытие: черные дыры излучают тепло [39]. Это тоже квантовый туннельный эффект, только попроще отскока планковской звезды. Речь о фотонах, запертых внутри ловушки горизонта, которые не должны быть способны выйти из нее, но все же выходят благодаря скидкам, которые квантовая физика предоставляет всем. Буквально «прокладывают туннель» под горизонтом.

Черная дыра излучает тепло подобно горячей печи, и Хокинг вычислил ее температуру. Вместе с излучением тепла утекает и энергия. Теряя энергию, черная дыра теряет и массу (поскольку масса есть энергия), становится легче, уменьшается в размере – ее горизонт сокращается. Как говорят физики, черная дыра «испаряется».

Тепловыделение – самый характерный признак необратимых процессов (тех, которые протекают только в одном направлении и которые невозможно обратить во времени). Печь выделяет тепло и нагревает холодную комнату, но видели ли вы когда-нибудь, чтобы стены холодной комнаты излучали тепло и нагрели печку? Тепло образуется во всех необратимых процессах. Верно и обратное: всякий раз, когда мы имеем дело с чем-то необратимым, мы фиксируем и тепло (или какой-то его аналог) [40]. Именно тепло отличает прошлое от будущего [41].

Итак, у эволюции черной дыры есть по крайней мере одно необратимое свойство – постепенное сокращение ее горизонта [42].

Учтите, однако, что сокращение горизонта не означает уменьшения размеров внутренней области черной дыры. Уменьшается лишь «входная горловина». Это тонкий момент, который многих сбивает с толку. Излучение Хокинга связано главным образом с горизонтом, а не с глубокими недрами черной дыры. Поэтому у очень старых черных дыр любопытная геометрия: огромная внутренняя область, которая продолжает вытягиваться, и прикрывающий ее крохотный испарившийся горизонт.

Старая черная дыра напоминает стеклянную бутыль в руках искусного муранского стеклодува, который умудряется увеличивать объем бутыли, продолжая уменьшать при этом толщину горлышка.

В момент скачка от черной дыры к белой ее горизонт ничтожно мал, а внутренний объем огромен. В малюсенькой раковине заключены громадные чертоги – совсем как в сказках.

2

В сказках встречаются маленькие хижины, в которых, если войти внутрь, обнаруживаются огромные пространства. Это кажется невозможным, невероятным. Но мы снова ошиблись: такое возможно и в реальности.

Нам это кажется странным. Мы привыкли думать, что у пространства евклидова – то есть обычная «школьная» – геометрия. Но это неверно. Геометрия пространства всегда искривлена гравитацией, и это искривление позволяет заключить безграничный объем в крошечную сферу. Это сильнейшее искривление порождено массой планковской звезды. Из-за испарения входное отверстие сжимается, но огромная внутренняя воронка остается.

Примерно такое же удивление испытывает муравей, всегда живший на ровной площадке и вдруг обнаруживший, что через маленькую щель можно попасть в подземный гараж. Наше изумление дает нам простой урок: не следует слишком доверять интуитивным представлениям – мир разнообразнее и страннее, чем кажется.

То, что в малюсенькой поверхности заключен большой объем, ставило (и ставит) в тупик многих исследователей. Научное сообщество разделилось, разгорелся спор, длящийся по сей день. Расскажу вам о нем.

Эта глава носит скорее технический характер. В принципе, вы можете ее пропустить: она посвящена описанию бурной научной полемики и необходима для более опытных читателей, которые иначе останутся недовольны.

Разногласия связаны с количеством информации, которое можно втиснуть в объект с большим объемом, но малой поверхностью. Часть научного сообщества убеждена, что черная дыра с маленьким горизонтом способна вместить лишь малое количество информации. Другая часть не соглашается.

Что значит «содержать или вмещать информацию»?

Более или менее вот что. В чем содержится больше – в коробке с пятью большими мячами или в коробке с двадцатью маленькими шариками? Ответ зависит от того, что мы имеем в виду под словом «больше». Пять мячей крупнее, больше весят, поэтому в первой коробке больше «материи», больше энергии. В этом смысле «больше» содержится в коробке с мячами.

Но число шариков больше числа мячей. Если, например, мы захотим передавать сигналы, покрасив каждый шарик или каждый мяч в свой цвет, то больше знаков, а значит, и больше информации мы сможем передать с помощью шариков. В этом смысле «больше» содержит коробка с шариками. Вернее, для описания шариков требуется больше информации, чем для описания мячей, потому что число шариков больше.

Выражаясь по-научному, в коробке с мячами содержится больше энергии, а коробка с шариками способна содержать больше информации.

У старой, сильно испарившейся черной дыры мало энергии – она уже унесена излучением Хокинга. Но может ли она по-прежнему содержать много информации? Вокруг этого и происходит вся суета.

Некоторые из моих коллег убеждены в невозможности втиснуть большой объем информации в пределы малой поверхности. Они уверены, что как только наружу выйдет почти вся энергия и горизонт станет крохотным, внутри сможет остаться лишь ничтожное количество информации. Другая же часть научного сообщества (к которой принадлежит и ваш покорный слуга) убеждена в обратном: объем информации в черной дыре – пусть даже и сильно испарившейся – может оставаться большим. И каждая из сторон убеждена в том, что другая сбилась с истинного пути.

В истории науки такого рода споры – обычное дело; более того – в них соль науки. Разногласия могут длиться почти бесконечно. Сообщество разделяется, обсуждает, яростно спорит. Постепенно наступает понимание. Кто-то оказывается правым, кто-то другой – нет.

В конце XIX века физики разделились на два лагеря. Половина из них, вслед за Больцманом, была убеждена в том, что атомы действительно существуют. Другая половина, вслед за Махом, считала, что это просто математические конструкты. Спор был яростным. Эрнст Мах был великим человеком, но прав оказался Больцман: мы видим атомы в микроскоп.

Я считаю, что коллеги, верящие, что малый горизонт способен охватить лишь малый объем информации, заблуждаются, пусть даже на первый взгляд их доводы кажутся убедительными. Но давайте рассмотрим их.

Первый довод состоит в том, что число элементарных составляющих объекта (например, число его молекул) можно рассчитать на основе соотношения его энергии и температуры [43]. Для черной дыры известны энергия (и масса) и температура (ее вычислил Хокинг), следовательно, можно выполнить расчет. Из такого расчета следует, что чем меньше горизонт, тем меньше количество элементарных составляющих. Как если бы у нас было мало шариков в коробке.

Второй довод – наличие явных расчетов, которые позволили непосредственно пересчитать эти элементарные составляющие на основе обеих наиболее хорошо изученных теорий квантовой гравитации, непримиримых соперниц – теории струн и петлевой теории. Оба этих расчета были выполнены в 1996 году с разницей в несколько месяцев [44], и оба показали, что для малого горизонта число элементарных составляющих тоже становится малым [45].

Эти доводы кажутся очень сильными. На их основании многие физики приняли «догму» (они сами ее так называют), гласящую, что число элементарных составляющих, заключенных в границах малой поверхности, должно быть малым. Внутри малого горизонта может содержаться только малый объем информации.

Если свидетельства в пользу «догмы» настолько сильны, то где же ошибка?

Она в том, что оба довода касаются подсчета только тех составляющих черной дыры, которые можно различить снаружи, пока черная дыра продолжает быть таковой. Это составляющие, расположенные на горизонте.

Другими словами, оба довода не учитывают огромный внутренний объем. Они сформулированы с точки зрения наблюдателя, который остается вдалеке от черной дыры, не видит ее внутреннюю область и полагает, что черная дыра всегда останется таковой. А если черная дыра никогда не перестанет быть черной дырой, то удаленный наблюдатель сможет видеть только то, что находится вне ее или непосредственно на горизонте. Для такого наблюдателя внутренней области как бы не существует. Для такого наблюдателя.

Но внутренняя область существует! Не только для тех, кто осмелится (подобно нам) войти в нее, но и для тех, кто наберется терпения и дождется, пока черный горизонт не превратится в белый и запертое внутри не выйдет наружу.

Другими словами, мои коллеги полагают описание черной дыры в рамках теории струн или петлевой теории полным, не удосужившись разобраться в статье Финкельштейна 1958 года. А ведь на самом деле описание черной дыры в терминах внешних координат неполное!

Это хорошо видно в расчетах, выполненных в рамках петлевой теории гравитации: количество составляющих вычисляется как раз путем пересчета «квантов пространства» на горизонте. Но если присмотреться, то и в расчете по теории струн получается то же самое: черная дыра предполагается стационарной, то есть совершенно неизменной, и все построения основаны на том, что видит удаленный наблюдатель. Следовательно, по условию не учитывается то, что находится внутри и что удаленный наблюдатель увидит только после окончания испарения черной дыры – когда она перестанет быть стационарной. (Мы ведь помним, что внутренняя область черной дыры никоим образом не стационарна? Она меняется, длинная труба вытягивается и сужается.)

Короче говоря, я полагаю, что иные из моих коллег ошибаются от нетерпения (считая, что все должно разрешиться до окончания испарения, после чего станет неизбежной квантовая гравитация), а другие – от того, что не учитывают все, что расположено за границей видимого и чего, следовательно, не видит наблюдатель снаружи. Две эти ошибки мы нередко совершаем и в обыденной жизни.

Приверженцы «догмы» оказываются в плену проблемы под названием «исчезновение информации в черной дыре». Они убеждены, что внутри испарившейся черной дыры не остается никакой информации. Но ведь внутрь черной дыры информация падает, потому что туда падает все, а любой падающий внутрь горизонта объект несет с собой информацию. Информация не исчезает бесследно. Куда же она девается?

Для решения этого парадокса приверженцы «догмы» считают, что информация должна неким таинственным образом выходить – скажем, как-то скрывшись между складками излучения Хокинга, подобно Одиссею со спутниками, которые выбрались из пещеры Полифема, спрятавшись между овцами. Некоторые полагают, что область внутри черной дыры связана с пространством снаружи посредством гипотетических невидимых каналов… Короче говоря, эти мои коллеги хватаются за соломинку, ищут хитроумные способы спасения «догмы», как поступают все догматики, оказавшись в затруднительном положении.

Однако информация, вошедшая внутрь горизонта, не выходит из него волшебным образом. Она выходит из-под горизонта после того, как горизонт, подобно Гэндальфу, станет белым.

Стивен Хокинг в последние годы жизни говорил, что не следует бояться черных дыр – рано или поздно вы из них выберетесь. Выберетесь, пройдя через белую дыру.

Но где есть разногласия, там есть и сомнения: а что, если правы оппоненты? Что делать? Ответ прост: читать, стараться понять доводы других, задавать вопросы. Но потом, если в конце концов покажется, что ошибаются все-таки они, надо иметь мужество услышать голос доброго маэстро: «Иди за мной, и пусть себе толкуют! // Как башня стой, которая вовек // Не дрогнет, сколько ветры ни бушуют!» [46]

В этом, по сути, и состоит занятие наукой. Цель не в том, чтобы убедить окружающих, а в том, чтобы понять. Ясность придет в свое время. Нужно безграничное смирение, чтобы усомниться в себе самих, но нужна и безграничная дерзость, чтобы иметь силы «идти туда, куда нас вел безлюдный скат» [47]. Так поступали все, кто открывал новые пути.

•

Я пишу для двух типов читателей. Первые – те, кто совершенно не знаком с физикой: до них я хочу донести увлекательность этих исследований. Вторые всё знают – им я хочу предложить новый взгляд. Ради тех и других я ограничиваюсь изложением самого главного. Считаю, что ничего не понимающим в физике интересна лишь суть, а подробности – ненужная обуза. А те, кто уже знаком с деталями, совершенно не нуждаются в их повторении.

Но, поступая так, я вызываю недовольство, а порой и раздражение у промежуточной категории читателей – тех, кто имеет некоторое представление о предмете, но знает его не очень глубоко. Например, студентов-физиков. Самые плохие отзывы я получаю именно от них, и это понятно: бесит, когда автор проскакивает детали, изучение которых стоило большого труда, особенно если он еще и рассказывает иначе, чем в «священных книгах». У этих читателей я, пожалуй, прошу прощения.

Но есть и еще одна причина, по которой я порой раздражаю молодых ученых. Я не использую профессиональный язык, называю вещи не так, как принято у специалистов. Представьте себе матроса, который вместо «Отпустите гика-шкот!» заорет: «Ослабьте канат, привязанный к большому парусу!» Моряки подумают, что у него с головой что-то не в порядке. Но для тех, кто не в теме, «канат, привязанный к большому парусу» будет понятнее, чем «гика-шкот».

При чтении предыдущих страниц читатели, немного изучавшие предмет этой книги, схватятся за голову: «Но черт возьми, Ровелли, почему не назвать вещи своими именами?» Постараюсь исправиться: в длинном примечании, к которому отсылает сноска ниже, я даю перевод сказанного на язык специалистов. Я говорю то же самое, что и на предыдущих страницах, но пользуясь научными терминами. Непосвященным читателям это ничего не даст, а сведущим будет привычнее, и они смогут четче представить себе описанную аргументацию [48].

3

Закончим же отступление о спорах вокруг парадокса «исчезновения информации в черной дыре» (тем более что это никакой не парадокс) и вернемся к основному изложению. Излучение Хокинга необратимо точно так же, как и охлаждение горячей печи. Следовательно, жизнь черной дыры невозможно повернуть назад. Отскок не может быть полным.

Давайте еще раз поразмышляем о мячике, отскакивающем от земли.

Выше я писал, что он отскакивает вверх и движется так же, как при падении, только в обращенном вспять времени. Но это не совсем справедливо. Трение о воздух замедляет и падение, и подъем при отскоке, то есть отскок от земли никогда не бывает идеально упругим: он оставляет след. Это необратимые явления. Из-за них часть энергии мяча рассеивается в виде тепла. Подъем после отскока не бывает в точности таким же, как падение – мяч не поднимается на ту же высоту, с которой начал падать.

Другими словами, отскок мяча обратим только в первом приближении. При внимательном рассмотрении обнаруживаются необратимые явления, из-за которых вся история на самом деле оказывается несимметрична во времени – будущее отличается от прошлого.

Это верно и для планковской звезды. Черная дыра теряет энергию на излучение Хокинга, уменьшается и при отскоке превращается в белую дыру, которая меньше породившей ее черной.

Излучение Хокинга может привести к уменьшению горизонта до крохотных размеров. При этом искривление пространства-времени вокруг горизонта оказывается очень сильным. Значит, мы имеем дело с полностью квантовым режимом, и вероятность перехода из черной дыры в белую становится большой. Переход происходит [49]. Энергии белой дыры недостаточно, чтобы вырасти до прежнего размера черной. Белая дыра остается крохотной и очень слабо излучает на протяжении очень длительного времени [50], пока полностью не исчезнет.

Итак, пути энергии и информации в ходе всего процесса жизни планковской звезды сильно различаются. Почти вся исходная энергия звезды рассеивается в виде излучения Хокинга. Сама звезда теряет энергию весьма любопытным – истинно квантовым – способом: у излучения Хокинга есть составляющая с отрицательной энергией (да, в квантовом мире энергия может быть отрицательной!), которая входит внутрь черной дыры. Она «надкусывает» массу черной дыры и оказывается на звезде, где уничтожает исходную (положительную) энергию. Получаемый белой дырой остаток энергии очень мал. Вот как выглядит переток большей части энергии:

А вот вошедшая под горизонт информация, наоборот, остается запертой вплоть до завершения квантового перехода. Переход освобождает ее и возвращает в белый свет.

Чтобы вывести большой объем информации с малой энергией из-под очень малого горизонта, нужно очень много времени (представьте себе много мелких мячиков, которые должны выйти через маленькую дырочку).

После выхода всей информации вместе с остатком внутренней энергии завершается цикл долгой счастливой жизни отскочившей планковской звезды.

4

Мы приближаемся к концу повествования, но тонкое хитросплетение обратимых и необратимых аспектов времени, позволяющее разобраться в судьбах черных дыр, оставляет открытым ключевой вопрос о направлении течения времени. Я не хочу завершать мой краткий рассказ, оставив этот вопрос без внимания.

Отскок возможен в силу симметрии относительно обращения времени, но время сохраняет свое направление: сам момент отскока симметричен во времени, но весь процесс в целом – не симметричен. Чудовищные искажения времени в черных и белых дырах в корне меняют наши представления о времени, но не затрагивают его направление: прошлое все равно отличается от будущего. Почему же?

Физика говорит нам очень странные вещи про направление времени [51]. Догадливый читатель уже мог это заметить и задаться вопросами: выше я утверждал, что фундаментальные уравнения не отличают прошлого от будущего. Из них не вытекает направление времени. Но потом я говорил об ориентированных во времени явлениях. Откуда же возникает направление времени, если оно не вписано в фундаментальную грамматику мира?

Оно появляется из того, что мы живем в одном из многих возможных решений фундаментальных уравнений, и в этом решении – по крайней мере с нашей точки зрения – прошлое выглядит особенным. Иными словами, различие между прошлым и будущим в чем-то похоже на различие между двумя географическими направлениями для жителей горной местности: в одном направлении – подъем, а в другом – спуск. Не потому, что эти направления различны по своей природе, а лишь в силу сложившихся в этом месте конкретных обстоятельств. На итальянском склоне Монблана «направление подъема» – к северу, а на французском – к югу. Непреодолимое течение времени – это отражение сложившихся обстоятельств.

Точно так же и для планковской звезды. Различие между прошлым и будущим происходит не из-за того, что время асимметрично по своей сути. Оно происходит от того, что прошлое было особым. Представьте себе: в будущем излучение Хокинга заполнит небо энергией, рассеяв ее повсюду. А в прошлом, наоборот, эта энергия была сконцентрирована в коллапсировавшей звезде. Следовательно, прошлое было особым, потому что энергия была сконцентрирована, а не рассеяна, как это происходит в будущем. Особым является именно направление в прошлое, так же как в горной местности особым становится направление к вершине.

Нелегко принять эту фундаментальную эквивалентность прошлого и будущего. Она противоречит нашим интуитивным представлениям, укоренившимся крепче всего. Разве могут все различия между прошлым и будущим сводиться просто к обстоятельствам в прошлом? Интуиция говорит нам совершенно иное: прошлое коренным образом отличается от будущего, прошлое определено, а будущее – нет. Сама природа реальности, как мы интуитивно ощущаем, представляет собой поток в однозначно ориентированном времени. Разве может интуиция так обманывать нас? А если да, то почему?

Я часто задавался этим вопросом, когда на протяжении месяцев лихорадочной работы над белыми дырами и связанными с ними искажениями времени лавировал между обратимыми и необратимыми аспектами их горизонтов.

Есть два хорошо известных факта, коренным образом отличающие прошлое от будущего. Они выглядят настолько очевидными и банальными, что кажется невозможной даже тень мысли о том, что природе не присуще однозначное направление времени. Между прошлым и будущим есть две ярко выраженные асимметрии, кажущиеся неустранимыми.

Первая состоит в том, что мы знаем прошлое, но не будущее. Соответственно, прошлое выглядит твердо установленным и определенным. Вторая заключается в том, что мы можем принимать решения о будущем, но не о прошлом. Будущее таким образом представляется открытым, неопределенным. Разве могут настолько фундаментальные различия между прошлым и будущим оказаться результатом случайно сложившейся конфигурации мира?

Поразительно. Но мы можем распутать эту загадку.

5

Представьте себе два заполненных водой бассейна, соединенные коротким каналом с водонепроницаемой заслонкой, которую можно закрывать или открывать.

При открытой заслонке уровень воды в бассейнах одинаковый. Это состояние равновесия. Все статично, никаких различий между прошлым и будущим: видеозапись воды, прокрученная задом наперед, неотличима от исходной записи.

Закроем заслонку и добавим воду в один из бассейнов. Теперь уровень воды в одном из бассейнов выше, чем в другом. Каждый бассейн сам по себе находится в состоянии равновесия, но два бассейна относительно друг друга – нет. Это неравновесное состояние поддерживает заслонка, препятствующая перетеканию воды. В этом случае тоже все статично и ничто не отличает прошлое от будущего: съемка воды, прокрученная в обычном и обратном направлении, неразличимы.

А теперь давайте посмотрим, что будет, если ненадолго открыть заслонку. Вода войдет в канал, потечет в менее заполненный бассейн и образует волну, которая распространится по нему.

Потом волна отражается от стенок, рассеивается и вскоре затихает. Уровень воды в двух емкостях более или менее выравнивается.

Все это – часть нашего повседневного опыта. Энергия волны, высвобожденная в результате открытия заслонки, называется «свободной энергией». Она расходуется: когда волнение прекращается, этой энергии больше нет. Она рассеялась беспорядочным образом среди молекул воды, мы воспринимаем это как тепло. Итак, свободная энергия рассеивается в тепло.

Особый интерес представляет промежуточная фаза этого процесса – после открытия заслонки и до того, как вода снова успокоится. Происходящее в этот промежуток (и только в этот промежуток) ориентировано во времени. Если в это время заснять бассейны и прокрутить запись в обратном направлении, получится нечто нелепое – вода вдруг сама по себе приходит в движение, оформляется в большую волну, протискивается в канал, оставив позади себя плоскую спокойную поверхность, и собирается по другую сторону заслонки за мгновение до ее закрытия. Так в реальности не бывает.

Перетекание воды в менее полную емкость – явление необратимое. Это как разбитое яйцо, которое не соединится вновь. До открытия заслонки все симметрично и обратимо. После того как волнение успокоится, тоже все симметрично и обратимо. А в промежуточной фазе мы видим асимметрию и необратимость.

Три составляющих обеспечивают эту необратимость: (1) начальное отсутствие равновесия – разные уровни воды в двух бассейнах; (2) нечто, обеспечивающее длительное сохранение этого неравновесия, – заслонка; и (3) то, что для достижения нового равновесия требуется время.

Эти три условия – (1) начальное неравновесие, (2) скачкообразно взаимодействующие изолированные системы и (3) длительное время установления равновесия – существуют повсюду во Вселенной, в которой мы живем.

Посмотрим внимательно.

(1) В прошлом Вселенная была сильно сжата – это отсутствие равновесия. С тех пор она расширилась и продолжает расширяться, то есть не находится в равновесии.

(2) Во Вселенной полно удерживаемых «заслонками» «неравновесий». Например, водород и гелий, подобно нашим бассейнам с водой, находятся в таком состоянии. Их «заслонка» – то, что водород не может превращаться в гелий при низкой температуре. Но время от времени какое-нибудь большое облако водорода сжимается под действием собственного тяготения, разогревается, температура в нем повышается, и возникает возможность превращения водорода в гелий, то есть открывается «заслонка» между водородом и гелием. Рождается звезда. Звезды – это каналы с открытой заслонкой, вроде канала, по которому перетекает вода между двумя бассейнами: водород превращается в гелий, двигаясь к равновесию. Процесс необратим, так же как волна, хлынувшая в менее наполненный бассейн.

(3) Вода в бассейнах приходит в равновесие через несколько минут, но звезде вроде Солнца на выгорание нужен не один миллиард лет. Порождаемые в процессе волны необратимости, подобно волне, выходящей из бассейна с более высоким уровнем воды, ежедневно обрушиваются на Землю и запускают бесчисленные необратимые процессы, формирующие биосферу. Мы, живые существа, и есть вихри, порожденные такими волнами. Мы – необратимая пена свободной энергии, которая была заперта в неравновесии водорода и гелия, но после высвобождена Солнцем.

•

Мы дошли до ключевого момента. Приглядитесь к последнему рисунку: вода входит в канал. Этой информации достаточно, чтобы понять: незадолго до этого была открыта заслонка. Волна свидетельствует о том, что произошло раньше, – об открытии заслонки. Нечто в настоящем говорит нам о событии из прошлого.

Следы, воспоминания, записи – это все явления такого рода. Необратимые явления. Для того чтобы они произошли, достаточно соблюдения трех перечисленных условий: (1) неравновесные системы, (2) иногда вступающие во взаимодействие, и (3) система-хранитель следов, воспоминаний, записей, которая, в свою очередь, должна быть способна ненадолго оставаться категорически неравновесной.

В настоящем видны на себе следы прошлого, потому что все начинается с неравновесия. Только поэтому. И формирование любого следа – всего лишь промежуточный шаг на пути к равновесию [52].

Мы помним прошлое, а не будущее, исключительно поэтому – по причине первоначального неравновесия. Мы знаем прошлое потому, что в настоящем есть его следы, например, в нашей памяти. А эти следы, в свою очередь, существуют потому, что в прошлом имело место неравновесие. Прошлое известно – определено – не по причине направления, присущего времени как таковому, а в силу обстоятельств, сложившихся в какой-то момент времени, который мы называем прошлым. Так и следы своим существованием обязаны исключительно неравновесию в прошлом [53]. Утверждать, что прошлое определено, – все равно что утверждать, что у нас много его следов.

Падающий на Луну метеорит несет в себе свободную энергию. Кратер – это оставленный метеоритом след, который сохраняется, пока не будет стерт под постоянными разрушительными воздействиями среды. В этой промежуточной фазе кратер представляет собой след падения – память об ударе. Следы тоже существуют в этот промежуточный период. Кратер, таким образом, подобен волне в бассейне, но на большем временнóм масштабе. То же самое справедливо и для фотографии или воспоминаний в нашей памяти. Они существуют потому, что система (фотопленка или память) получила свободную энергию от другой системы, с которой не была в равновесии, и потому, что достижение равновесия требует времени.

Мы помним прошлое, а не будущее, исключительно потому, что в какой-то момент в прошлом Вселенная была дальше от равновесия, чем сейчас.

Если впоследствии система достигает полного равновесия, то в ней не остается ни следов, ни воспоминаний. Никаких различий между прошлым и будущим. Все воспоминания рано или поздно угасают, стертые воздействием времени. Рано или поздно от наших надменных цивилизаций, всего достигнутого нами понимания, книг вроде этой, споров, бурных страстей, чувств и влечений не останется и следа.

6

Второй необратимый аспект, который кажется неустранимым и затрагивает нас непосредственно, – это возможность выбора будущего при том, что нельзя выбрать прошлое. Принимая решение, мы взвешиваем все за и против, обдумываем имеющуюся у нас информацию, обращаемся к своей памяти, оцениваем цели, учитываем свои ценности, взвешиваем мотивацию, желания, глубокие этические убеждения, и так далее и тому подобное, и в конце концов принимаем решение: «Да, учитывая все обстоятельства, возьму-ка я из буфета шоколадку».

Решение – это сложный процесс. Играющий в шахматы компьютер, который перед совершением хода «обдумывает его», делает то же самое, хотя и проще, чем мы. «Решением» мы называем процесс с участием наших нейронов, протекающий до собственно совершения действия. В этом нет ничего странного – в мире полно сложных процессов. Но у решения есть еще один важный для нас аспект: мы способны совершать «свободный» выбор. В итоге мучительного процесса оценки или спонтанно, не думая, именно мы решаем, причем непредсказуемым образом. В зависимости от результата этого свободного решения развитие мира может пойти в двух (или более) разных направлениях. В конце концов, мы ведь могли и не съесть шоколадку (говорим мы, уже слопав ее). Мы можем принимать «свободные» решения, но только о будущем, не о прошлом.

Откуда эта асимметрия времени?

Ответ все тот же: это результат неравновесности мира, в котором мы живем. Решение – это тоже необратимый шаг на пути к равновесию [54]. Свобода выбора относится к макроскопическому описанию происходящего, а не к микроскопическому. Ветвится именно макроистория. Это возможно потому, что разные варианты макробудущего совместимы с одним и тем же макропрошлым при условии, что этому макропрошлому соответствуют разные варианты микропрошлого.

Свобода принятия решений, к которой мы стремимся, которой так дорожим, реальна. Однако Спиноза еще в XVII веке ясно дал понять: мы просто называем так свою полную неспособность реконструировать происходящее в процессе выбора и предсказать свое решение. Спиноза пишет: «…люди считают себя свободными, так как свои желания и свое стремление они сознают, а о причинах, располагающих их к этому стремлению и желанию, даже и во сне не грезят, ибо не знают их» [55]. И еще: «…Люди заблуждаются, считая себя свободными. Это мнение основывается только на том, что свои действия они осознают, причин же, которыми те определяются, не знают» [56].

Некоторых отчего-то очень волнует это обстоятельство. Полагаю, что виной тому заблуждение – они совершают «ошибку старого рыбака» [57].

•

Жил-был старый рыбак, очень любивший закат. Озаряется огненными красками горизонт, величественное солнце медленно погружается в океан, небо становится нежно-сапфирового цвета, и одна за другой восходят звезды.

Однажды к старому рыбаку пришел горожанин и сказал: «Знаешь, Солнце не опускается в океан. Оно остается на прежнем месте и все так же ярко светит, а то, что ты наблюдаешь, – одна лишь видимость, вызванная вращением планеты, на которой мы стоим».

Старый рыбак был потрясен. Он доверял горожанину, и услышанное сильно его расстроило.

«Закат – это иллюзия, – говорил он, – и значит, нереален». Многие годы он наблюдал то, чего нет, и всю свою жизнь заблуждался.

«Если закат – иллюзия, – думал он, – то на него нельзя полагаться. Надо научиться думать без закатов». Рыбак попытался, и это обернулось кошмаром: он не знал, когда ложиться спать, вечером не ждал наступления ночи, а когда видел закат, повторял: «Это иллюзия, он не настоящий, заката вообще нет, Солнце не погружается в океан – оно светит всегда, пора смириться с реальностью». Рыбак больше не смог заснуть и в конце концов сошел с ума.

Старик, очевидно, совершал ошибку, но это была трудноуловимая ошибка. Его терзал вопрос, реален ли закат или иллюзорен. Реальность заката поставил под сомнение горожанин, которому старый рыбак доверял. Солнце не погружается в море, но отрицание заката нелепо и приводит к безрассудным и трагическим выводам. Где же подстава?

Обман прячется в значении слова «закат». Старик вырос с неким представлением о том, что закат – это погружение Солнца в океан. И когда он узнаёт, что Солнце не погружается в океан, он заключает, что заката нет.

Но все мы, вооруженные учением Коперника, спокойно рассуждаем о закатах, хотя и знаем, что Солнце не ныряет за горизонт. Мы наслаждаемся закатами, полагаемся на закаты, и нам даже в голову не придет сказать, будто закатов не бывает.

Мы подправили понятие «закат». Закат для нас реален, как и раньше, но это уже не погружение Солнца в пучину морскую: если вдуматься, закат – то, что происходит, когда в результате вращения Земли мы покидаем ее освещенную часть. И это все равно закат.

•

Насколько нас должно тревожить открытие, что прошлое и будущее – всего лишь явления, связанные с эффектом перспективы? Что наша свобода – макроскопическое явление, которое никак не отражается на микроскопическом уровне? Не больше, чем открытие, что закат – это не погружение Солнца в море. Эти открытия ничего не меняют в нашей жизни.

Более того, однажды мы понимаем, что ориентацию черных дыр и направление нашей памяти и выбора определяет одна и та же логика, и это понимание позволяет нам осознать себя частью единого вселенского потока.

Вся информация макроскопического мира возникает из-за рассеяния неравновесия в прошлом [58]. Информация, которая хранится в памяти, происходит из информации, скрытой в прошлом неравновесии. Информация, создаваемая при каждом свободном выборе, оплачена уменьшением степени неравновесия, то есть опять же существует за счет прошлого неравновесия.

Вывод мне представляется необычным. Оказывается, первоисточник всей совокупности информации, составляющей нашу жизнь, культуру, цивилизацию, разум – наших нейронов, книг, компьютеров, ДНК наших клеток, исторической памяти общества, всех данных интернета, даже света «милой спутницы с улыбкой… // [что] пылала глубью глаз святых» [59] – не что иное, как неравновесие Вселенной в прошлом [60].

Вся биосфера, вся культура подобны бурлящей волне между двумя бассейнами, необратимому падению из состояния неравновесия, затянувшемуся на миллиарды лет из-за медлительности процессов перехода к равновесию.

Только поэтому следствия наступают после причины, а не до нее. Причина – это нечто, оставляющее след, память – ее следствие. Связь причины и следствия – это этап процесса достижения равновесия. Физика причины и следствия – это физика следов и памяти, и вся она говорит опять же о переходе к равновесию [61].

Направление времени – это направление к равновесию. Движение к равновесию. Случайный процесс, связанный с конкретным состоянием вещей в то время, которое мы называем прошлым.

Это по сути проекция, явление, определяемое точкой зрения, поскольку оно связано с макроскопическим описанием мира и зависит от макроскопических переменных, используемых для этого описания. Но такие проекционные явления могут быть поистине грандиозными. Суточное вращение Солнца, Луны и звезд вокруг нас – это проекционное явление, ведь на самом деле среди звезд и вокруг Солнца кружимся мы, но от этого вращение небесной сферы не становится менее величественным.

Точно так же, как величественно космическое течение времени.

•

В уравновешенной Вселенной – такой, как бассейн после «успокоения» волны – нет ничего, позволяющего отличить прошлое от будущего. Мы не смогли бы сказать, в каком направлении течет время.

Для нас это имело бы еще более радикальные последствия: сами мысли стали бы невозможны. Мы не могли бы ни наблюдать, ни рассуждать, потому что мысль тоже рассеивает энергию. У нас не было бы чувств, потому что чувства что-то регистрируют, то есть создают воспоминания, и потому не могли бы функционировать в состоянии равновесия. Мы не сможем слушать музыку, потому что она существует у нас в голове: мы вспоминаем уже прозвучавшие ноты. Таким образом, мы не будем существовать как думающие и чувствующие существа.

Итак, для думания необходимо неравновесие. Именно поэтому время автоматически представляется однозначно ориентированным, и именно потому нам так трудно принять мысль о том, что направленность времени – не фундаментальное свойство. Время нашей мысли ориентировано потому, что мысль – явление необратимое. Потому что мы сами – необратимые явления.

Если сформулировать все это в духе Канта, можно сказать, что существование стрелы времени (трех перечисленных в предыдущем разделе условий – неравновесия, разделения систем и длительного времени релаксации) – одно из необходимых «по определению» условий существования сознания, потому что сознание – это естественное явление для естественных существ вроде нас, чья чувствительность и чьи мысли представляют собой макроскопический феномен, зависящий от этой самой стрелы времени.

Вот, наконец, и ответ на вопрос о том, почему так трудно думать о природе, не ориентированной во времени: наша мысль есть порождение ориентированности времени, один из продуктов начального неравновесия.

Мы постоянно ошибаемся, считая себя отличными от окружающего нас мира, рассуждая как посторонние наблюдатели. Мы забываем, что мы такие же, как и всё прочее. Забываем, что смотрим на вещи, будучи одними из них.

И значит, любое исследование вещей в конечном счете оказывается тесно связанным с нами самими.

Даже когда мы стараемся понять белые дыры, мы не являемся чистым разумом, частью мира, отделенного от объектов, которые стремимся понять. Мы – процессы, управляемые теми же звездами.

•

Может быть, в этом и есть причина, по которой нас интересует происходящее в конце падения в черную дыру… Если спросить меня, что мною движет, то я отвечу: истинная причина, заставляющая меня писать, именно в этом. Или, лучше сказать, причина, заставляющая меня писать и переписывать эти «многослойные» страницы, постоянно переделывая их… Итоговый порядок слов имеет мало общего с тем сумбурным порядком, в котором они рождаются (я уже в пятый раз редактирую текст). В порядке времени всегда есть что-то от реконструкции, реальность более текуча, чем наши суетные попытки ухватить ее… Время – это не отображение реальности, а форма хранения памяти.

Изучать нечто – значит вступать с ним в отношения, формировать связи, позволяющие представить себе, упростить и предвидеть ход развития этой вещи или процесса.

Понять – значит в какой-то мере отождествить себя с понятым, построить соответствие между чем-то в структуре наших синапсов и структурой интересующего нас объекта. Сознание – это связь двух частей природы. Понимание – это более абстрактная, но более тесная связь между нашим разумом и явлениями.

Это переплетение связей между безграничным богатством нашей памяти и сказочным богатством структуры реальности само по себе – опосредованный результат постепенного уравновешивания вещей.

Мы – мыслящие и эмоциональные существа – и есть это переплетение, возникшее между нами и миром на макроскопическом уровне. Мы не только социальные существа, живущие связями с другими людьми и всей остальной биосферой, сжигающими свободную энергию Солнца. Мы еще и животные, обладающие сетью нейронов, которые благодаря этим переплетениями обеспечивают связь с реальностью.

Нам, как любопытным кошкам, интересно все, даже белые дыры. Пойти и взглянуть – это в нашей природе. Но называть это «любопытством», пожалуй, было бы упрощением. Это наше естественное отношение к вещам, потому что вещи – то, чем являемся мы. Наши собратья.

Трепет открытия, время, проведенное в спорах и размышлениях, беспечная радость того дня с Хэлом… Все это не просто любопытство – это странное и зыбкое желание приблизиться к вещам. «Мы шли туда, куда нас вел безлюдный скат…» [62]

Мне кажется, что в конечном счете истинный смысл слов не в разговорах, а в том, чтобы поддерживать связь с другими, оставаться в отношениях с ними.

Мы общаемся с друзьями и любимыми не ради того, чтобы что-то сказать. Наоборот, мы используем потребность что-то сказать как предлог, чтобы поговорить с ними.

Когда Данте в «Раю» задает Беатриче богословские вопросы, разве его интересует именно теология? Или он просто хочет, чтобы «Она такими дивными глазами // Огонь любви метнула на меня, // Что веки у меня поникли сами, // И я себя утратил, взор склоня» [63]?

То же самое и с миром. Изучение пространства, времени, черных и белых дыр – один из способов поддерживать связь с реальностью. Помнить, что это не «она», а «ты». Так лирики обращаются к Луне. Так в «Книге джунглей» животные приветствуют друг друга возгласом: «Мы с тобой одной крови – ты и я!».

Я считаю, что к Вселенной всегда следует обращаться на «ты», чтобы понимать ее и самих себя. Такое «ты» – фактически признание нашей неразделимости с миром: «Мы одной крови – ты и я». Всякий раз, когда у нас в душе сырой и дождливый ноябрь, мы можем подняться на борт корабля, который увезет нас в огромный мир.

Много лет назад в одиноком путешествии по Индии мне пришлось много долгих часов трястись в потрепанном автобусе, переполненном людьми и животными. Мы медленно пробирались через палящий зной бесконечного сельского пейзажа. В этой давке и тряске рядом со мной оказался застенчивый мальчишка-индиец в белой тунике. Спустя какое-то время он осторожно попросил разрешения задать вопрос, а после спросил без околичностей, каков был мой путь к Богу. Разумеется, я не смог ему ответить. Быть может, сегодня, спустя много лет, я мог бы ему кое-что сказать.

По мнению старика-индейца из племени сиу, смысл жизни в том, чтобы обращаться ко всему встречному с песней.

Это песнь, которую я пою белым дырам.

7

Теперь у нас есть полная картина. Летящее в космическом пространстве большое облако водорода начинает уплотняться под действием собственного тяготения. Сжимаясь, оно разогревается, «загорается» и становится звездой. Водород в ней горит на протяжении миллиардов лет, превращаясь в гелий и прочий «пепел». Тяготение становится непреодолимым, и звезда обрушивается сама в себя, создавая черную дыру. Или же черная дыра образуется в аду первичной Вселенной в условиях чудовищных флуктуаций и жара.

Независимо от способа образования черной дыры, вещество падает в нее и быстро достигает центра. А там уже квантовая структура пространства и времени не дает веществу окончательно сжаться. Черная дыра становится планковской звездой, которая «отскакивает» и начинает взрываться.

Вокруг нее, все еще внутри черной дыры, пространство тоже претерпевает квантовый скачок, и его геометрия меняется: дыра, подобно Гэндальфу, превращается из черной в белую.

Процесс перехода по своей природе точно такой же, как тот, что привел к Большому взрыву, возможно, порожденному коллапсом предыдущей Вселенной: пространство и время растворяются и снова обретают форму. Это процесс вне пространства и вне времени, и тем не менее он описывается уравнениями квантовой гравитации.

Внутри черной дыры все, что в нее падало, потом летит вверх. Все, что в нее вошло, полностью выходит из-под горизонта белой дыры, чтобы снова узреть Солнце и другие светила.

Для внешнего наблюдателя это невероятно долгий процесс – миллиарды лет или еще дольше. Испарение черной дыры занимает очень много времени [64], и еще больше нужно белой дыре [65], чтобы вывести всю информацию и то небольшое количество энергии, которое в ней осталось, пока не завершится долгая и счастливая жизнь этого невероятного процесса.

Долгая, но все же конечная, как конечна жизнь каждого живого организма, каждой звезды, галактики и всех историй в этой радостной и печальной Вселенной. Даже белые дыры не вечны.

Но «очень долго» – для тех, кто снаружи, кто наблюдает коллапс звезды, ждет испарения черной дыры, ее превращения в белую и медленного выхода содержимого вплоть до рассеяния горизонта. Это внешнее время. Если же войти под горизонт вместе с образующим его коллапсирующим веществом или в любой последующий момент… Тот, кто это сделает, подобно нам, за доли секунды (самое большее – за несколько часов, если звезда огромная), достигнет квантовой области, пересечет ее в одно мгновение и за столь же короткое время выйдет из-под горизонта белой дыры. Предельно малое собственное время приведет его в далекое будущее относительно времени входа.

Несколько мгновений внутри равны миллиардам лет снаружи. Во Вселенной сосуществуют настолько разные линии времени, что это переворачивает обычное представление о ее долгой единой жизни. Гравитация корежит время сильнее, чем мы можем себе вообразить. Весь процесс жизни черной и белой дыры – своего рода срезанный, короткий путь в очень далекое будущее.

Это в конечном счете и есть отскок планковской звезды – краткий путь в будущее. Способ за одно мгновение переждать, пока снаружи пройдут миллиарды лет.

Однако и это всего лишь рассеяние сконцентрированной свободной энергии – малая часть всеобщего возрастания энтропии. С одной стороны, белые дыры переворачивают наше представление о времени, с другой же – служат еще одним свидетельством необъятности великого потока – ведущей к равновесию диссипации. Вечный поток Рильке, что омывает оба царства, и всех он влечет за собою, там и тут заглушая любые звучанья…

Для наблюдателей снаружи белая дыра надолго остается очень устойчивым маленьким объектом, еле-еле излучающим крошечную свободную энергию. Внутри все еще существует обширный мир, но снаружи белая дыра ведет себя просто как очень малая масса с совершенно обычным тяготением.

Какова же величина этой массы? Она не меньше планковской, потому что горизонт планковской массы имеет размеры планковской площади [66], а дискретная структура пространства не допускает существования чего бы то ни было более мелкого. Но она не может быть и намного больше, потому что большая белая дыра неустойчива и рискует снова превратиться в черную [67]. Планковская масса – это масса мельчайшего волоска.

Белая дыра на небе – словно маленький дрожащий волосок. Но, в отличие от волоска, у нее нет электрического заряда, поэтому она не взаимодействует со светом, а значит, невидима. Все, что у нее есть, – это слабая сила тяготения.

Если в первичной Вселенной или на этапе, предшествовавшем Большому взрыву, образовалось много черных дыр, к нашему времени уже испарившихся, то не исключено, что прямо сейчас на небе мерцают миллионы таких объектов – невидимых крупинок массой в доли грамма.

•

Они действительно там есть?

Кто знает… Нам с Хэлом очень хотелось бы, чтобы было так. Как первый взгляд в настоящей истории любви – лишь начало, но никак не конец, так и история, которую я излагал и пересказывал, сочиняя и переписывая эти строки, не завершена: она продолжает разворачиваться, а мы продолжаем вглядываться в тайну. Стараемся рассмотреть, что там, за мраком, и истолковать увиденные знаки.

Быть может, дело обстоит так же, как было на протяжении десятков лет с черной дырой в центре Млечного пути, чей свист вечером 15 мая 1933 года слышали миллионы жителей Америки, не имея ни малейшего понятия о его причине. Быть может, мы видим на небе крохотные белые дыры, но еще не распознали их. В конце концов, астрономы давно уже обнаружили, что во Вселенной полным-полно некой таинственной невидимой субстанции, которая проявляет себя только посредством тяготения, – они называют ее «темной материей».

Темная материя может частично состоять из миллиардов и миллиардов этих крохотных нежных белых дыр, обращающих вспять, хотя и не в полной мере, время черных дыр и легко парящих во Вселенной, подобно стрекозам или пуху одуванчика…

Лондон, Онтарио, Марсель, Верона,2020–2022

Об иллюстрациях

Хэл. Фото Фаусто Фаббри, с любезного согласия автора.

Антенна Янского. Papers of Karl G. Jansky © NRAO Archives.

Черная дыра Sgr A* © ESO/ EHT Collaboration.

Изображения, созданные Шоном Бейкером, CC BY 2.0.

Дэвид Риц Финкельштейн. Фото Алана Дэвида (1984), из личного архива Арии Риц Финкельштейн.

Альбрехт Дюрер. Меланхолия I (1514). Метрополитен-музей, Нью-Йорк.

Луна © NASA images/Shutterstock.com, Земля © ASPARINGGA/Shutterstock.com.

(внизу), с. 52: векторное изображение © Mike-silent/Shutterstock.com.

векторные изображения © Syuzann/Shutterstock.com, © X. Ja-vid/Shutterstock.com.

Примечания

1

На самом деле Шварцшильд почти на 6 лет старше Эйнштейна. – Прим. перев.

2

Finkelstein D. Past-Future Asymmetry of the Gravitational Field of a Point Particle. Physical Review, 110, 1958. Pp. 965‒967.

3

Если этот очень сжатый пересказ истории теоретической физики вам непонятен – не страшно. Для дальнейшего восприятия он не понадобится. Если же вам эта история интересна, о ней можно прочесть подробнее в моей книге «Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле» (Ровелли К. Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле. Серия New Science. СПб.: Питер, 2020).

4

Данте Алигьери. Божественная комедия. Ад, песнь XXVI, строки 116‒119. Здесь и далее цитаты из «Божественной комедии» даются по изданию: Данте Алигьери. Божественная комедия / в пер. М. Лозинского (вступительная статья К. Н. Державина, примечания М. Лозинского). – М.: Правда, 1982.

5

Данте Алигьери. Божественная комедия. Ад, песнь XXVI, строки 124‒125.

6

Здесь я описываю внутреннюю часть метрики Шварцшильда, используя слоение, доводящее до максимального предела объем поверхностей при постоянном времени. См. технические подробности в статье Christodoulou M., Rovelli C. How Big Is a Black Hole? Physical Review D, 91, 2015, 064046.

7

На рисунке не хватает одного измерения – сферы изображены в виде кругов.

8

Чань-буддизм – китайское название, дзен-буддизм – японское. – Прим. ред.

9

Линь-цзи Лу. Вступительная статья, перевод с китайского, комментарии и грамматический очерк И. С. Гуревич. Серия «Памятники культуры Востока». Т. XV. СПб.: Петербургское востоковедение. С. 125.

10

В слоении, определенном в примечании 6 на стр. 57.

11

Планковская длина чрезвычайно мала – 10–33 см, но радиус цилиндра не обязан быть столь малым, чтобы оказаться в квантовой области. Кривизна черной дыры – величина порядка массы, деленной на куб радиуса (R~M/r^3), следовательно, в случае достаточно большой массы радиус также может быть большим.

12

Квантовая физика характеризуется единственной постоянной – постоянной Планка, которая определяет этот масштаб.

13

Данте Алигьери. Божественная комедия. Ад, песнь IX, строки 28‒29.

14

Данте Алигьери. Божественная комедия. Чистилище, песнь XXX, строки 49‒51.

15

Данте Алигьери. Божественная комедия. Ад, песнь I, строка 82.

16

Аниш Капур – современный британско-индийский скульптор. – Прим. перев.

17

Эудженио Монтале. Таможня. Пер. Е. Солоновича. Журнал «Иностранная литература», № 12, 1965, с. 204.

18

Идея о том, что падающая в черную дыру звезда может отскочить, была высказана и обсуждалась в статье Rovelli C., Vidotto F. Planck Stars. International Journal of Modern Physics D, 23, 2014, 1442026. Ключевую роль в этой работе сыграла мой соавтор Франческа Видотто. О «планковских звездах» речь пойдет несколькими страницами ниже.

19

У вас есть сомнения по этому поводу? Потерпите до третьей части книги – там мы это обсудим.

20

Данте Алигьери. Божественная комедия. Чистилище, песнь XXX, строка 48.

21

Данте Алигьери. Божественная комедия. Ад, песнь II, строки 8‒9.

22

Я посвятил поиску лучшего, на мой взгляд, ответа на этот вопрос книгу «Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика» (М.: Эксмо, 2024).

23

Rovelli C., Smolin L. Spin Networks and Quantum Gravity. Physical Review D, 52, 1995. Pp. 5743–5759; Discreteness of Area and Volume in Quantum Gravity. Nuclear Physics B, 442, 1995. Pp. 593–619.

24

Теория представлений группы SO(3) поворотов пространства и ее максимального накрытия SU(2).

25

Роджер Пенроуз, частное сообщение.

26

Данте Алигьери. Божественная комедия. Чистилище, песнь XXX, строка 48.

27

Данте Алигьери. Божественная комедия. Рай, песнь I, строки 55‒56.

28

Данте Алигьери. Божественная комедия. Рай, песнь I, строка 61.

29

Данте Алигьери. Божественная комедия. Рай, песнь I, строки 64‒67.

30

Данте Алигьери. Божественная комедия. Рай, песнь I, строки 79‒81.

31

Rovelli C., Vidotto F. Planck Stars, cit.

32

Планковская шкала достигается не в смысле объема, а в смысле плотности.

33

Данте Алигьери. Божественная комедия. Рай, песнь XVII, строки 48‒49.

34

Данте Алигьери. Божественная комедия. Рай, песнь XVII, строки 49‒50.

35

Обращение знака времени меняет знак скорости, но не ускорения, которое остается «притягивающим».

36

Выражения вроде «невероятно, что» вызовут у въедливого читателя сомнения. Этому вопросу посвящены последующие страницы. Пока что я говорю лишь о возможности, но не о вероятности.

37

В основном, замена координат.

38

Haggard H., Rovelli C. Black Hole Fireworks: Quantum gravity Effects Outside the Horizon Spark Black to White Hole Tunnelling. Physical Review D, 92, 2015, 104020. https://arxiv.org/abs/1407.0989.

39

Hawking S. W. Black Hole Explosions? Nature, 248,1974. Pp. 30–31.

40

Диссипация, рост энтропии.

41

Я пишу об этом подробнее в книге «Срок времени» (Ровелли К. Срок времени. М.: Corpus, 2020).

42

Возможно, есть и другие – так Алехандро Перес в Марселе исследует возможное рассеивание с приближением к геометрии на планковском масштабе.

43

Можно вычислить его энтропию.

44

Strominger A., Vafa C. Microscopic Origin of the Bekenstein Hawking Entropy. Physics Letters B, 379, 1996. Pp. 99–104; C. Rovelli. Black Hole Entropy from Loop Quantum Gravity. Physical Review Letters, 77, 1996. Pp. 3288‒3291.

45

Энтропия пропорциональна площади горизонта, а число возможных состояний определяется энтропией.

46

Данте Алигьери. Божественная комедия. Чистилище, песнь V, строки 13‒15.

47

Данте Алигьери. Божественная комедия. Чистилище, песнь I, строка 118.

48

Парадокс «исчезновения информации в черной дыре» происходит из заблуждения, что общее число состояний черной дыры измеряется энтропией Бекенштейна – Хокинга и, следовательно, определяется площадью горизонта. Это экстремальный вариант «голографии». Отсюда следует, что испарение приводит к уменьшению числа состояний – при достижении времени Пейджа их уже недостаточно, чтобы очистить излучение Хокинга. Энтропия фон Неймана должна начать уменьшаться – получаем кривую Пейджа. Следовательно, должен быть механизм выхода информации. Эти доводы основаны на двух ошибочных предположениях. Первое состоит в уверенности, будто энтропия фон Неймана всегда меньше термодинамической энтропии. Это верно только для эргодических систем, а динамика черной дыры заведомо неэргодична из-за своей причинной структуры, не допускающей равное распределение энергии между горизонтом и внутренней областью. Причинно несвязанная часть системы за счет образовавшейся в прошлом запутанности продолжает вносить вклад в энтропию фон Неймана, но не в термодинамическую энтропию. Когда горизонт испаряется, его термодинамическая энтропия уменьшается, а энтропия фон Неймана – нет, что позволяет информации оставаться внутри. Второе ошибочное предположение состоит в отождествлении горизонта с горизонтом событий. Это видимый горизонт, но является ли он горизонтом событий или нет, зависит от квантовой гравитации, потому что внешняя кривизна достигает планковского значения до завершения испарения. Выводы о времени Пейджа зависят от существования горизонта событий и, следовательно, от (ошибочных) предположений о квантовой гравитации. Расчет числа состояний в рамках теории струн справедлив для вечной черной дыры, то есть исключительно для горизонта событий. Он дает число состояний, различимых снаружи там, где в этой формулировке есть наблюдаемые. Это состояния горизонта, а не состояния того, что внутри. Информация остается в черной дыре. Она выходит после превращения черной дыры в белую, способную существовать еще долгое время.

49

Возможно, что он наступает до этого, когда горизонт еще достаточно большой, – мне это пока неясно.

50

Крохотная белая дыра (планковской массы) сохраняет устойчивость благодаря квантовой гравитации.

51

Об этом подробно говорится в моей книге «Срок времени» (Ровелли К. Срок времени. М.: Corpus, 2020).

52

Он порождает энтропию.

53

Подробнее об этом см. в работе Rovelli C. Memory and Entropy. Entropy, 24, 8, 2022, 1022; arXiv:2003.06687.

54

Он порождает энтропию.

55

Спиноза Б. Этика, доказанная в геометрическом порядке и разделенная на пять частей. Часть первая «О Боге». С. 93. Пер. с лат. Н. А. Иванцова. М.: Академический проект, 2020. 431 с. (Философские технологии).

56

Там же. Часть вторая «О происхождении души». С. 133.

57

Rovelli C. The Old Fisherman’s Mistake. Metaphilosophy, 53, 2022. Pp. 623–631.

58

Неравновесие и есть информация, поскольку чем больше степень равновесия, тем больше число микроскопических состояний и тем меньше информации содержит макроскопическое состояние.

59

Данте Алигьери. Божественная комедия. Рай, песнь III, строки 23‒24.

60

Малая энтропия в прошлом является первоисточником всей информации, содержащейся во всех следах и памяти.

61

Различие между причиной и следствием не имеет никакого смысла в микроскопическом описании явлений. На уровне микроскопических явлений действуют закономерности, физические законы и вероятности, и для этих понятий нет никакого различия между прошлым и будущим. Различие между прошлым и будущим – это свойство истории Вселенной, описываемой в так называемых макроскопических переменных. Только в их случае можно говорить о причинах.

62

Данте Алигьери. Божественная комедия. Чистилище, песнь I, строка 118.

63

Данте Алигьери. Божественная комедия. Рай, песнь IV, строки 139‒142.

64

В планковских единицах это время порядка m^3, где m – начальная масса черной дыры.

65

Порядка m^4 в планковских единицах.

66

Планковская площадь определяется как квадрат со сторонами, равными планковской длине, и приблизительно равна 2,61177 × 10–70 м^2.

67

Макроскопические белые дыры неустойчивы. А белые дыры планковской массы, наоборот, оказываются устойчивыми благодаря квантовой гравитации. Rovelli C., Vidotto F. Small Black/White Hole Stability and Dark Matter. Universe, 4, 2018. P. 127.

Content

Карло Ровелли
Гипотеза белых дыр
Об устройстве Вселенной, гравитации и теории относительности

Часть первая

1

2

3

4

5

6

7

Часть вторая

1

2

3

4

5

6

7

Часть третья

1

2

3

4

5

6

7

Об иллюстрациях

Примечания