Стивен Хокинг - Мир в ореховой скорлупе

• Название: Мир в ореховой скорлупе
• Автор: Стивен Хокинг
• Издательство: ЗАО ТИД "Амфора"
• Жанр: Физика
• Год: 2007
• ISBN: ISBN 978-5-367-00614-8 (рус.) ISBN 0593-048156 (англ.)

Один из самых известных физиков-теоретиков нашего времени, Стивен Хокинг, возвращается с новой, блестяще иллюстрированной научно-популярной книгой о происхождении Вселенной и природе пространства и времени.

---

За определением финитной* машины времени я обращусь к одной из моих старых работ. Путешествие во времени возможно в некоторой области пространства-времени, где имеются временные петли, то есть траектории с досветовой скоростью движения, которые тем не менее умудряются вернуться в исходное место и время вследствие искривления пространства-времени. Поскольку я предположил, что в далеком прошлом временных петель не было, должен существовать, как я его называю, «горизонт путешествий во времени» — граница, которая отделяет область, содержащую временные петли, от области, где их нет (рис. 5.8).

Горизонт путешествий во времени весьма похож на горизонт черной дыры. В то время как последний образуется световыми лучами, которым не хватает самой малости, чтобы покинуть черную дыру, горизонт путешествий во времени задается лучами, находящимися на грани встречи с самими собой. Далее я буду считать критерием машины времени наличие так называемого финитно порожденного горизонта, то есть сформированного световыми лучами, которые испущены из области ограниченного размера. Иными словами, они не должны приходить из бесконечности или сингулярности, а только из конечной области, содержащей временную петлю, такой области, которую, как мы предполагаем, будет способна создать наша высокоразвитая цивилизация.

С принятием такого критерия машины времени появляется замечательная возможность использовать для изучения сингулярностей и черных дыр методы, которые разработали мы с Роджером Пенроузом. Даже не используя уравнения Эйнштейна, я могу показать, что в общем случае финитно порожденный горизонт будет содержать световые лучи, которые встречаются сами с собой, продолжая снова и снова возвращаться в одну и ту же точку. Делая круг, свет каждый раз будет испытывать все более и более сильное голубое смещение, а изображения будут становиться все синее и синее. Горбы волн в пучке начнут все больше сближаться друг с другом, а интервалы, через которые возвращается свет, сделаются все короче и короче. Фактически у частицы света будет конечная история, если рассматривать ее в собственном времени, даже несмотря на то, что она нарезает круги в конечной области и не попадает в сингулярную точку кривизны.

Может ли некая высокоразвитая цивилизация построить машину времени?

То, что частица света исчерпает свою историю за конечное время, может показаться несущественным. Но я могу также доказать возможность существования мировых линий, скорость движения по которым меньше световой, а продолжительность — конечна. Это могут быть истории наблюдателей, которые пойманы в конечную область перед горизонтом и двигаются круг за кругом все быстрее и быстрее, пока не достигнут за конечное время скорости света. Так что, если красивая пришелица из летающей тарелки приглашает вас в свою машину времени, будьте осторожны. Вы можете попасть в ловушку повторяющихся историй с конечной общей продолжительностью (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Опасность путешествия во времени

Эти результаты не зависят от уравнения Эйнштейна, а только от того, каким образом пространство-время скручено для получения временнбй петли в конечной области. Но все-таки что за материал могла бы использовать высокоразвитая цивилизация, чтобы построить машину времени конечных размеров? Может ли он везде иметь положительную плотность энергии, как в случае с описанным выше пространством-временем космической струны?

Космическая струна не удовлетворяет моему требованию, чтобы временные петли появлялись только в конечной области. Но можно было бы подумать, будто это обусловлено лишь тем, что струны имеют бесконечную длину. Кто-то, возможно, надеется построить конечную машину времени, используя конечные петли из космических струн, имеющих всюду положительную плотность энергии. Жаль разочаровывать людей, которые, подобно Кипу, хотят вернуться в прошлое, но это невозможно сделать, сохраняя везде положительную плотность энергии. Я могу доказать, что для постройки конечной машины времени вам понадобится отрицательная энергия.

Мой внук Уильям Макензи-Смит

В классической теории плотность энергии всегда положительна, так что существование конечной машины времени на этом уровне исключается. Но ситуация меняется в полуклассической теории, где поведение материи рассматривается в соответствии с квантовой теорией, а пространство-время считается хорошо определенным, классическим. Как мы видели, принцип неопределенности в квантовой теории означает, что поля всегда флуктуируют вверх и вниз, даже в пустом, казалось бы, пространстве, и обладают бесконечной плотностью энергии. Ведь только вычтя бесконечную величину, мы получаем конечную плотность энергии, которую наблюдаем во Вселенной. Это вычитание может дать и отрицательную плотность энергии, по крайней мере локально. Даже в плоском пространстве можно найти квантовые состояния, в которых плотность энергии локально отрицательна, хотя общая энергия положительна.

Интересно, действительно ли эти отрицательные значения заставляют пространство-время искривляться так, чтобы возникла финитная машина времени? Похоже, что они должны к этому приводить. Как явствует из главы 4, квантовые флуктуации означают, что даже пустое на первый взгляд пространство заполнено парами виртуальных частиц, которые вместе появляются, разлетаются, а затем сходятся снова и аннигилируют друг с другом (рис. 5.10).

Рис. 5.10

Один из элементов виртуальной пары будет иметь положительную энергию, а другой — отрицательную. При наличии черной дыры частица с отрицательной энергией может упасть на нее, а частица с положительной энергией — улететь на бесконечность, где она будет выглядеть как излучение, уносящее положительную энергию из черной дыры. А частицы с отрицательной энергией, падая в черную дыру, приведут к уменьшению ее массы и медленному испарению, сопровождаемому уменьшением размеров горизонта (рис. 5.11).

Предсказание о том, что черные дыры испускают излучение и теряют массу, подразумевает, что квантовая теория заставляет отрицательную энергию течь в черную дыру через горизонт. Чтобы черная дыра уменьшилась в размерах, плотность энергии на горизонте событий должна быть отрицательной, то есть иметь как раз тот знак, который требуется для построения машины времени.

Обычная материя с положительной плотностью энергии порождает притягаваюшую гравитационную силу и искривляет пространство-время так, что лучи поворачивают друг к другу, в точности как шар на резиновом листе из главы 2 всегда заворачивает маленький шарик к себе и никогда — прочь.

Отсюда вытекает, что площадь горизонта черной дыры со временем только увеличивается и никогда не сокращается. Чтобы горизонт черной дыры уменьшился, плотность энергии на горизонте должна быть отрицательной, а пространство-время должно заставлять лучи света расходиться. Я впервые понял это как-то раз, ложась спать, вскоре после рождения моей дочери. Не скажу точно, как давно это было, но сейчас у меня уже есть внук.

Испарение черных дыр показывает, что на квантовом уровне плотность энергии может иногда быть отрицательной и искривлять пространство-время в направлении, которое было бы нужно для построения машины времени. Так что можно представить цивилизацию, стоящую на такой высокой ступени развития, что она способна добиться достаточно большой отрицательной плотности энергии, чтобы получить машину времени, которая годилась бы для макроскопических объектов вроде космических кораблей. Однако есть существенное различие между горизонтом черной дыры, формируемым лучами света, которые просто продолжают двигаться, и горизонтом в машине времени, который содержит замкнутые лучи света, продолжающие наворачивать круги.

Виртуальная частица, раз за разом движущаяся по такому замкнутом пути, приносила бы в одну и ту же точку свою энергию основного состояния. Поэтому следует ожидать, что на горизонте, то есть на границе машины времени — области, в которой можно путешествовать в прошлое, — плотность энергии окажется бесконечной. Это подтверждается точными вычислениями в ряде частных случаев, которые достаточно просты, чтобы можно было получить точное решение. Выходит, что человек или космический зонд, который попробует пересечь горизонт и попасть в машину времени, будет полностью уничтожен завесой излучения (рис. 5.12). Так что будущее путешествий во времени выглядит довольно мрачным (или следует сказать «ослепительно ярким»?).

Плотность энергии вещества зависит от состояния, в котором оно находится, так что, возможно, высокоразвитая цивилизация сумеет сделать плотность энергии на границе машины времени конечной, «замораживая» или удаляя виртуальные частицы, которые круг за кругом движутся по замкнутой петле. Нет, однако, уверенности, что такая машина времени будет устойчивой: малейшее возмущение, например кто-то пересекающий горизонт, чтобы войти в машину времени, может запустить циркуляцию виртуальных частиц и вызвать испепеляющую молнию. Этот вопрос физикам следует свободно обсуждать, не боясь презрительных насмешек. Даже если окажется, что путешествия во времени невозможны, мы поймем, почему они невозможны, а это важно.