Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

По сравнению с большинство мерок, с которыми приходилось иметь дело человеку, 10 50лет — это чертовски много. Этот промежуток времени может вместить интервал, разделяющий момент Большого взрыва и сегодняшний день, более чем миллиард миллиардов миллиардов миллиардов раз. Однако, если оценивать по временной шкале, скажем, 75-го этажа, 10 50лет — это краткий миг, намного, несравнимо меньше, чем ощущаемая нами задержка между щелчком выключателя настольной лампы и моментом, когда ее свет достигает наших глаз. И конечно, если наша Вселенная вечна, то любой сколь угодно долгий промежуток времени пренебрежимо мал по сравнению со временем ее жизни. Космологическое описание, изложенное с позиции подобных масштабов, выглядело бы примерно так: мгновение спустя после Большого взрыва возникла жизнь, какое-то короткое время она обдумывала собственное существование в безразличном космосе и вскоре рассеялась. Это своеобразная космическая версия жалобы Поццо, с которой он набрасывается на остальных ожидающих Годо: «Они рожают верхом на могиле, мгновение сверкает день, потом снова ночь»42.

Кому-то такое будущее покажется мрачным. Именно таким его, безусловно, видел Бертран Рассел, с оценкой которого мы познакомились в главе 2, несмотря на более рудиментарные представления, характерные для середины XX в. Я вижу все это иначе. Для меня будущее, каким его представляет сегодня наука, лишний раз подчеркивает, насколько редко, чудесно и драгоценно наше мгновение мысли, наш миг света.

Долгое время после завершения мысли, когда во Вселенной уже не останется думающих существ, которые могли бы это заметить, законы физики будут продолжать заниматься тем, чем они занимались всегда, — определять и развертывать реальность. И через это законы проявят глубочайшую реальность: квантовая механика и вечность образуют мощный союз. Квантовая механика — своеобразный «мечтатель с горящими глазами», разрешающий множество самых разных вариантов будущего, но сдерживающий при этом свое буйное воображение тем, что присваивает определенную вероятность каждому исходу. На знакомых нам масштабах времени мы спокойно можем не обращать внимания на те исходы, квантовые вероятности которых так фантастически малы, что нам пришлось бы ждать гораздо больше времени, чем составляет нынешний возраст Вселенной, прежде чем у нас появился бы разумный шанс с ними столкнуться. Но на масштабах времени столь громадных, что по сравнению с ними возраст Вселенной исчезающе мал, многие возможности, которые мы прежде могли просто отбросить, тоже требуют рассмотрения. И если для времени действительно не существует конечной даты, то любые исходы, не запрещенные настрого квантовыми законами, — от знакомых до очень странных, от обычных до невероятных — могут быть спокойны: рано или поздно они получат свое мгновение славы!

В этой главе мы рассмотрим несколько таких редких космологических процессов; они никуда не спешат и просто ждут, когда их похлопают по плечу и пригласят выйти на сцену реальности.

В середине XX в. физики, сыгравшие решающую роль в завершающих эпизодах Второй мировой войны, пользовались заметным влиянием. Основными областями исследований были ядерная физика и физика элементарных частиц, работа в которых, по словам Фримена Дайсона, наделяла ученых едва ли не Божественной властью «высвобождать энергию, которая питает звезды, чтобы поднять в небо миллион тонн камня»2. Напротив, общая теория относительности рассматривалась обществом как нишевая дисциплина, уже миновавшая пору своего расцвета. Изменить такое положение дел суждено было физику Джону Уилеру. Вклад Уилера в ядерную и квантовую физику был значителен, но сам он испытывал особый интерес к общей теории относительности. Кроме того, он обладал необыкновенной способностью заражать других своим энтузиазмом. В следующие десятилетия Уилер сумел объединить нескольких самых искусных физиков мира, которые вместе с ним вновь сделали общую теорию относительности живой и активной областью научных исследований.

Черные дыры завораживали Уилера. Согласно общей теории относительности, любой объект, упавший внутрь черной дыры, уже не может выйти наружу. Он пропадает. Навсегда. Продумывая этот принцип в начале 1970-х гг., Уилер наткнулся на загадку, о которой рассказал своему студенту Яакову Бекенштейну. Черные дыры предлагали, кажется, готовую стратегию нарушения второго начала термодинамики. Возьмем чашку горячего чая, рассуждал Уилер, и бросим ее в черную дыру. Куда при этом денется энтропия чая? Поскольку внутренность черной дыры совершенно недоступна, с точки зрения тех, кто находится снаружи, горячий чай вместе со своей энтропией просто исчез. Уилера беспокоило, что сброс энтропии в черную дыру давал, кажется, надежный способ нарушить при желании второе начало.

Через несколько месяцев после того разговора Бекенштейн вернулся к Уилеру с решением. Энтропия чая не пропадает, заявил он. Эта энтропия просто передается черной дыре. Примерно так же, как вашей руке, схватившейся за горячую сковородку, передается часть ее энтропии, так же, по мысли Бекенштейна, любой объект, падающий в черную дыру, передает свою энтропию самой дыре.

Это естественное решение, и в голову Уилера эта мысль тоже приходила3. Однако рассуждения в этом направлении сразу же наталкиваются на проблему. Энтропия, как мы видели, считает число перестановок составляющих элементов системы, при которых сама она остается «практически такой же с виду». Или, точнее говоря, энтропия считает различные конфигурации микроскопических составляющих системы, совместимые с ее заданным макроскопическим состоянием. Если чай передает свою энтропию черной дыре, эта энтропия должна проявиться через увеличение числа внутренних конфигураций черной дыры, не влияющих на ее макроскопические свойства.

Итак, вот проблема: в конце 1960-х и начале 1970-х гг. физики Вернер Израэль и Брэндон Картер воспользовались уравнениями общей теории относительности, чтобы показать, что черная дыра полностью определяется всего тремя числами: массой черной дыры, ее моментом импульса (как быстро она вращается) и ее электрическим зарядом4. Стоит вам измерить эти макроскопические параметры, и у вас есть вся информация, необходимая для полного описания черной дыры. Это означает, что любые две черные дыры с одинаковыми макроскопическими свойствами — с одинаковой массой, одинаковым моментом импульса и одинаковым электрическим зарядом — идентичны до последних деталей. Так что в отличие от набора монет, в котором, если сказать, что 38 из них легли орлом, а 62 — решкой, это оставит нам свободу для миллиардов и миллиардов различных конфигураций, и в отличие от контейнера с паром, для которого определить объем, температуру и давление означает разрешить поистине колоссальное число различных конфигураций молекул, — когда дело доходит до черных дыр, то определение массы, момента импульса и электрического заряда жестко указывает на одну и только одну конфигурацию. Поскольку не нужно ни считать другие конфигурации, ни перечислять похожие случаи, может показаться, что черные дыры вообще не несут в себе энтропии. Бросьте внутрь чашку чая, и ее энтропия, судя по всему, исчезнет. При столкновении с черной дырой второе начало термодинамики, похоже, капитулирует.