Несмотря на то, что природа скрывает сингулярность черной дыры, ученые знают, что она существует. В направлении созвездия Стрельца, в самом центре нашей Галактики, находится супермассивная черная дыра, вес которой равен весу 4,5 миллиона Солнц. Астрономы наблюдают, как звезды танцуют вокруг этого невидимого партнера. Движение звезд выдает присутствие черной дыры, хотя она и невидима. Впрочем, даже будучи способными обнаруживать черные дыры, ученые так и не выявили нолей в их центре, потому что эти ужасные сингулярности скрыты за горизонтом событий.
Это и к лучшему. Если бы не было горизонта событий, не было космического цензора, прячущего сингулярности от остальной Вселенной, могли бы произойти очень странные события. Теоретически голая сингулярность без горизонта событий могла бы позволить путешествовать быстрее света или перемещаться обратно во времени. Этого можно было бы достичь с помощью структуры, названной кротовой норой.
Если вернуться к аналогии резинового полотна, сингулярность — это точка, где пространство имеет бесконечную кривизну, это разрыв в ткани пространства-времени. При определенных условиях разрыв может быть растянут. Например, если черная дыра вращается или имеет электрический заряд, сингулярность, по расчетам математиков, оказывается не точкой (проколом в пространстве-времени), а кольцом. Физики предполагают, что две такие растянутые сингулярности могут быть соединены туннелем: кротовой норой (рис. 53). Тот, кто будет путешествовать по кротовой норе, вынырнет в другой точке пространства, а может быть, и времени. Точно так же, как кротовая нора может отправить вас в мгновение ока через половину Вселенной, она может переместить вас назад или вперед во времени (см. Приложение E). Вы могли бы даже выследить свою мать и убить ее до того, как она повстречает вашего отца, что помешало бы вам родиться и создать ужасный парадокс.
Рис. 53. Кротовая нора
Кротовая нора — парадокс, порожденный нолем в уравнениях общей теории относительности. Никто на самом деле не знает, существуют ли кротовые норы, однако НАСА надеется, что это так.
Кое-что за ничто?
НАСА питает надежду, что ноль может открыть секрет путешествий к далеким звездам. В 1992 году НАСА провело симпозиум, названный «Физика третьего тысячелетия», на котором ученые обсуждали особенности кротовых нор, скачки сквозь пространство, двигатели, использующие энергию вакуума и другие нетрадиционные идеи.
Проблема космических путешествий связана с тем, что не от чего отталкиваться. Когда вы плаваете в бассейне, вы отталкиваетесь от воды, заставляя ее отступать назад и двигать вас вперед. Когда вы идете по земле, ваши ноги отталкиваются от почвы, создавая продвигающую вас вперед силу. В космосе отталкиваться не от чего, вы можете сколько угодно грести, но это ничего вам не даст.
Ракеты несут собственный запас вещества, от которого могут отталкиваться. Топливо ракеты сгорает в двигателе и выбрасывается назад, двигая космический корабль вперед, так же, как дуновение воздуха из воздушного шарика заставляет его летать по комнате. Однако выброс топлива — очень дорогой и трудный способ передвижения, и даже современные улучшения химических двигателей, такие как использование электричества для выброса вещества из дюз ракеты, не могут обеспечить достаточную энергию для того, чтобы космические зонды могли достичь далеких звезд за приемлемое время. Чтобы добраться даже до ближайшей звезды, вам понадобилось бы чудовищное количество топлива — огромные затраты.
Физик Марк Миллис, глава проекта НАСА «Физика прорыва в реактивном движении», надеется преодолеть эту трудность благодаря физике ноля. К несчастью, ноли черных дыр — сингулярности — в ближайшее время представляются маловероятными кандидатами. Не только чрезвычайно трудно создать голую сингулярность, требующуюся для кротовой норы. Есть вероятность, что такая сингулярность разорвет космического путешественника в клочья. В 1998 году двое физиков из Еврейского университета в Иерусалиме показали, что даже вращающаяся или электрически заряженная черная дыра — с прекрасной кольцевой сингулярностью — благодаря нарастанию массы убьет космонавта. По мере вашего приближения к сингулярности масса черной дыры увеличивается, и увеличивается до бесконечности. Гравитация делается такой сильной, что вы в долю секунды будете разорваны на части. Кротовые норы опасны для здоровья.
Даже если ноли в центре черной дыры не обеспечат легкого способа перемещаться через пространство, ноль квантовой механики предлагает альтернативу: энергия нулевых колебаний может оказаться неисчерпаемым топливом. Именно здесь заканчивается физика мейнстрима и начинается граница.
В соответствии с взглядами Миллиса, астронавты могли бы использовать энергию вакуума для движения корабля, как моряки использовали энергию ветра для движения парусников. «Я провожу аналогию с эффектом Казимира, когда пластины могут соединяться благодаря заметному давлению радиации извне, — говорит он. — Если бы существовал способ извлечь из этого асимметричную силу, действующую в одном направлении и не действующую в другом, это можно было бы использовать как движитель». К сожалению, до сих пор эффект Казимира проявлялся только симметрично: обе пластины притягивались друг к другу — действие одной было равным и противоположно направленным по отношению к действию другой. Однако если бы существовало нечто подобное квантовому парусу, одностороннее зеркало, которое отражало бы виртуальные частицы от одной стороны и позволяло им беспрепятственно проходить сквозь другую, энергия вакуума толкала бы объект в сторону неотражающей поверхности паруса. Миллис признает, что никто не знает, как этого добиться. «Нет теорий того, как создать подобный агрегат», — печально говорит он.
Проблема заключается в том, что в соответствии с законами физики нельзя получить нечто из ничего. Как паруса фрегата снижают скорость ветра, так и квантовый парус понизил бы энергию вакуума. Как можно изменить ничто?
Гарольд Путофф, директор Института перспективных исследований в Остине (Техас), полагает, что квантовый парус просто изменит свойства вакуума. (Путофф больше всего известен своей статьей 1904 года в журнале Nature и попыткой доказать, что Ури Геллер и другие физики могли наблюдать предметы на расстоянии — без участия зрения. Это заключение не соответствовало мейнстриму науки.) «Вакуум распадается к немного более низкому уровню», — говорит Путофф. Если так, то квантовые паруса — это лишь начало; станет возможным создание двигателей, работающих только на энергии нулевых колебаний. Единственным их недостатком, возможно, является истончение ткани Вселенной, но очень медленное. «Никто и не почувствует. Это все равно, что зачерпнуть чашку воды из океана», — говорит Путофф. Тем не менее угроза для Вселенной имеется.
Нет сомнения в том, что вакуум обладает энергией — об этом свидетельствует сила Казимира. Однако возможно ли, что энергия вакуума представляет собой самый низкий уровень энергии? Если нет, то в вакууме может крыться опасность. В 1983 году двое ученых в журнале Nature высказали предположение, что использование энергии вакуума может привести к самоуничтожению Вселенной. В статье говорилось о том, что наш вакуум может быть «ложным» вакуумом в неестественном энергетическом состоянии — как мяч, неустойчиво лежащий на склоне холма. Если мы дадим вакууму достаточно сильный толчок, «мяч» может покатиться вниз по склону, стремясь к состоянию с более низкой энергией, и мы окажемся не в силах его остановить. Может образоваться огромный пузырь, растущий со скоростью света. Высвобожденная при этом энергия чревата неслыханными разрушениями. Катастрофа может оказаться такой ужасной, что все атомы будут разорваны на части.
К счастью, это совершенно фантастический сценарий. Наша Вселенная существует миллиарды лет, и невероятно, чтобы мы жили в таком неустойчивом состоянии. Столкновения космических лучей, вероятно, уже достаточно «воспламенили» вакуум, чтобы вызвать такую катастрофу, будь она возможна. Это не мешает некоторым энтузиастам — в том числе физикам — пикетировать лаборатории, работающие с высокими энергиями, как, например, Фермилаб (Национальную ускорительную лабораторию им. Энрико Ферми, США). Они опасаются, что обладающее высокой энергией столкновение частиц может привести к коллапсу вакуума. Даже если бы их опасения были обоснованы, представляется практически невозможным ускорить космический корабль с помощью энергии нулевых колебаний. Тем не менее Путофф полагает, что у него есть способ извлечь энергию из пустоты.
Теоретически ученые могут получать энергию в результате эффекта Казимира даже при абсолютном ноле в самом глубоком вакууме космоса. Две пластины, смыкаясь, выделяют тепло, которое может быть преобразовано в электричество. Увы, пластины нужно снова разъединять, на что требуется больше энергии, чем было произведено. Большинство ученых считают, что этот факт убивает идею создания вечного двигателя, питающегося энергией вакуума. Однако Путофф считает, что видит несколько путей преодолеть это препятствие. Одним из них является использование вместо пластин плазмы.
Плазма (газ из заряженных частиц), подобно металлическим пластинам, подвержена эффекту Казимира. Проводящий цилиндр из газа сжимался бы под действием флуктуаций нулевого уровня, как и пластины. Сжатие нагрело бы плазму, что привело бы к выделению энергии. В отличие от металлических пластин, плазму, по мнению Путоффа, легко получить с помощью электрического разряда.
Вместо того чтобы снова разъединять пластины, плазменный «пепел» можно просто отбросить. Путофф осторожно сообщает о том, что этим методом получил в 30 раз больше энергии, чем было затрачено. «Имеются определенные свидетельства, мы даже получили патент», — заявляет он. Впрочем, устройство Путоффа — одно в длинном ряду машин «бесплатной энергии», ни одна из которых в прошлом не выдержала научной проверки. Маловероятно, что механизм для использования энергии нулевых колебаний постигнет иная участь.
Глава 8 Час зеро на Граунд-зиро
Ноль на границе пространства-времени
В современной физике происходит борьба двух титанов. Общая теория относительности властвует над очень-очень большими объектами: большинством массивных тел во Вселенной, таких как звезды, солнечные системы, галактики. Квантовая механика управляет областью очень-очень малого: атомов, электронов, субатомных частиц. Казалось бы, эти две теории могли бы мирно уживаться: каждая диктовала бы свои правила для разных аспектов Вселенной.
К несчастью, существуют объекты, принадлежащие к обеим областям. Черные дыры очень-очень массивны, так что подчиняются законам относительности. В то же время они очень-очень малы и находятся под властью квантовой механики. Два набора законов не приходят к согласию и сталкиваются в центре черной дыры.
На пересечении квантовой механики и теории относительности, где две теории встречаются, обитает ноль и заставляет их ссориться. Черная дыра — это ноль в уравнениях общей теории относительности. Энергия вакуума — ноль в математических выкладках квантовой механики. Большой взрыв, самое загадочное явление в истории Вселенной, является нолем в обеих теориях. Вселенная возникла из ничего, и обе теории ломаются, когда дело доходит до объяснения возникновения космоса.
Чтобы понять Большой взрыв, физикам нужно поженить квантовую теорию с относительностью. За последние несколько лет у них наметился успех: они создали странную теорию, объясняющую квантово-механическую природу гравитации, что позволяет им бросить взгляд на само создание нашей Вселенной. Все, что было нужно, — это изгнать ноль.
Теория всего есть, по сути, Теория ничего.
Ноль изгнанный: теория струн
Общей теории относительности и квантовой механике было суждено оказаться несовместимыми. Вселенная общей относительности — это гладкое резиновое полотно. Она непрерывна и текуча, никогда не имеет острия. Квантовая механика, с другой стороны, описывает дергающуюся и прерывистую Вселенную. То, что у обеих теорий есть общего (и на чем они сталкиваются), — это ноль.
Бесконечный ноль черной дыры — масса, сжатая в нулевой объем, бесконечно искривляющая пространство, — прорывает дырку в гладком резиновом полотне. Уравнения общей теории относительности не могут справиться с остротой ноля. В черной дыре пространство и время не имеют смысла. У квантовой механики имеется сходная проблема, связанная с энергией нулевых колебаний. В соответствии с квантовыми законами такая частица, как электрон, должна быть точкой. Другими словами, она совсем не занимает пространства. Электрон — это объект нулевых измерений, и эта его сходная с нолем природа означает, что ученые не знают его массы или заряда.
Подобное утверждение представляется глупым. Уже почти столетие назад физики измерили массу и заряд электрона. Как можно не знать того, что было измерено? Ответ связан с нолем.
Электрон, который ученые видят в лаборатории, тот электрон, который физики, химики, инженеры знают и любят уже десятилетия, — самозванец. Это не настоящий электрон. Настоящий электрон прячется за завесой частиц, созданных флуктуациями нулевых колебаний, тех частиц, которые постоянно возникают и исчезают. Поскольку электрон существует в вакууме, он периодически поглощает или испускает одну из таких частиц, такую как протон. Рой частиц делает трудным измерение массы и заряда электрона, потому что измерению мешают частицы, маскирующие истинные свойства электрона. «Настоящий» электрон несколько тяжелее и имеет больший заряд, чем тот, который наблюдали физики.
Ученые смогли бы получить лучшее представление об истинных массе и заряде электрона, если бы смогли подобраться к нему поближе, если бы смогли изобрести крошечное приспособление, способное проникнуть в облако частиц и дать возможность разглядеть электрон более отчетливо. Согласно квантовой теории, как только измерительный прибор проник бы за слой виртуальных частиц на границе облака, ученые обнаружили бы, что масса и заряд электрона увеличиваются. По мере того как зонд приближался бы к электрону, он миновал бы все больше виртуальных частиц, так что наблюдаемые масса и заряд все увеличивались бы и увеличивались. Когда расстояние до электрона делалось бы все ближе к нолю, число частиц, которые зонд миновал, стремилось бы к бесконечности, так что измеренные зондом масса и заряд электрона также стремились бы к бесконечности. Согласно правилам квантовой теории, нульмерный электрон обладает бесконечными массой и зарядом.
Как и с энергией нулевых колебаний, ученые научились игнорировать бесконечные массу и заряд электрона. Они не стремятся приблизиться к электрону на нулевое расстояние, вычисляя массу и заряд электрона; они останавливаются на произвольно выбранном расстоянии от ноля. Как только ученый выбирает подходящее близкое расстояние, все вычисления, использующие «истинные» значения массы и заряда, совпадают друг с другом. Этот процесс называется перенормировкой. «Это то, что я назвал бы безумным процессом», — писал физик Ричард Фейнман, хотя он и получил Нобелевскую премию за то, что его придумал.
Точно так же, как ноль проделывает дыру в гладком полотне общей теории относительности, он сглаживает и разравнивает острие заряда электрона, затуманивая его. Однако поскольку квантовая теория имеет дело с имеющими нулевые размеры частицами-точками, технически все взаимодействия между частицами имеют бесконечный характер: это сингулярности. Например, когда две частицы сливаются, они встречаются в точке — в имеющей нулевые размеры сингулярности. Эта сингулярность не имеет смысла ни в квантовой теории, ни в общей теории относительности. Ноль — помеха в работе обеих великих теорий. Поэтому физики попросту от него избавились.
Вовсе не очевидно, как избавляться от ноля, поскольку ноль снова и снова возникает в пространстве и времени. Сингулярности в центре черных дыр имеют нулевые размеры, как и элементарные частицы вроде электронов. Электроны и черные дыры — реальные объекты, физики не могут просто усилием воли заставить их исчезнуть. Однако ученые могут дать черным дырам и электронам дополнительное измерение.
Это и есть причина возникновения теории струн. Она была создана в 1970-х годах, когда физики начали видеть преимущества рассмотрения каждой частицы в виде вибрирующей струны, а не точки. Если обращаться с электронами (и с черными дырами) как с одномерными объектами, как с петлей струны, вместо того чтобы рассматривать их как не имеющие размеров точки, бесконечности в общей теории относительности и в квантовой теории чудесным образом исчезают. Например, трудности с перенормировкой — бесконечные масса и заряд электрона — устраняются. Имеющий нулевые размеры электрон обладает бесконечными массой и зарядом потому, что это сингулярность. По мере приближения к нему измерения взмывают в бесконечность. Однако если электрон — это петля струны, частица больше сингулярностью не является. Это значит, что масса и заряд не устремляются к бесконечности, поскольку вы больше не минуете бесконечное облако частиц, приближаясь к электрону. Более того, когда две частицы сливаются, они больше не встречаются в подобной точке сингулярности; они образуют прекрасную, гладкую, непрерывную поверхность в пространстве-времени (рис. 54, 55).