Стивен Хокинг - Вселенная Стивена Хокинга

Возникает вопрос, действительно ли предполагаемые отрицательные значения плотности энергии могут заставить пространство-время сворачиваться определенным образом. Очевидно, что да. Принцип неопределенности квантовой теории позволяет частицам и излучению утекать из черной дыры. Благодаря этому черная дыра теряет массу и постепенно испаряется. Чтобы горизонт черный дыры сокращался в размерах, плотность энергии на горизонте должна быть отрицательной и искривлять пространство так, чтобы лучи света расходились. Если бы плотность энергии была всегда положительной и сворачивала пространство так, чтобы лучи света сходились, то со временем площадь горизонта черной дыры постоянно увеличивалась бы.

Испарение черных дыр показывает, что тензор энергии-импульса материи в квантовой теории поля может сворачивать пространство-время в направлении, необходимом для создания машины времени. Это делает возможным представить какую-нибудь высокоразвитую цивилизацию, которой удастся получить такое ожидаемое отрицательное значение плотности энергии, достаточное для создания машины времени, пригодной для работы с макроскопическими объектами.

Но разница между горизонтом черной дыры и горизонтом машины времени, который содержит замкнутые световые лучи, продолжающие описывать круг за кругом, достаточна существенна. Она делает плотность энергии бесконечной, а это означает, что человек или космический корабль, который попробует пересечь этот горизонт, чтобы попасть в машину времени, будет стерт потоком излучения. Возможно, что так природа предостерегает нас от вмешательства в прошлое.

Итак, будущее путешествий во времени выглядит мрачно-черным, или лучше сказать – ослепительно белым. Тем не менее зная, что ожидаемые значения тензора энергии импульса зависят от квантового состояния полей пространства – времени, можно предположить существование таких квантовых состояний, в которых плотность энергии на горизонте конечна; и у нас есть примеры таких состояний. Однако нам пока неизвестно, как получить такие состояния и будут ли они устойчивы при пересечении объектами их горизонта. Возможно, что эта задача по силам какой-нибудь высокоразвитой цивилизации.

Физикам следует предоставить абсолютную свободу для обсуждения этой проблемы, они не должны опасаться ни насмешек, ни презрения, потому что даже если окажется, что путешествия во времени невозможны, для нас очень важно понимать, почему они невозможны.

Нам мало что известно о полной квантовой теории гравитации. Можно лишь предположить, что от полуклассической теории она будет отличаться только на планковской длине, на масштабах порядка миллионной миллиардной миллиардной миллиардной доли сантиметра. Квантовые фоновые флуктуации пространства-времени могут создавать кротовые норы, которые дадут возможность перемещения во времени в микроскопических масштабах, но для макроскопических тел общая теория относительности отрицает возможность возврата в прошлое.

Я считаю, что даже новые будущие теории не сделают возможными путешествия во времени. Иначе нас уже захлестнул бы поток туристов из будущего.

Во время нашего пребывания в Калтехе мы часто ездили в Санта-Барбару, дорога до которой на автомобиле занимает всего пару часов и тянется по побережью. Там вместе с моим другом и соавтором Джимом Хартлом я разрабатывал новый способ расчета того, как черная дыра будет испускать частицы. Мое решение основывалось на суммировании всех возможных путей, по которым частица может вырваться из черной дыры. Мы обнаружили, что вероятность испускания частиц черной дырой связана с вероятностью попадания частицы в черную дыру так же, как связаны вероятности испускания и поглощения для нагретых тел. И опять выходило, что черные дыры ведут себя так, как если бы они обладали температурой и энтропией, пропорциональными площади горизонта событий.

В своих вычислениях мы использовали понятие мнимого времени, которое можно определить как время, направленное под прямым углом к обычному действительному времени. Вернувшись в Кембридж, я продолжил разрабатывать эту идею с Гэри Гиббонсом и Малкольмом Перри, моими бывшими аспирантами. Мы заменили обычное время мнимым. Это так называемый евклидов подход, который делает время четвертым измерением пространства. Когда-то это решение вызывало сильное сопротивление, но сегодня этот подход общепризнан и широко используется в изучении квантовой гравитации. Евклидово временное пространство черной дыры гладкое и не содержит сингулярностей, в которых перестают работать законы физики. Это решает основную проблему, которую мы с Пенроузом подняли нашими теоремами о сингулярности, а именно что сингулярность нарушает предсказуемость. Евклидов подход помог нам понять глубинные причины, почему черные дыры ведут себя как нагретые тела и обладают энтропией. Кроме того, мы с Гари показали, что Вселенная, расширяющаяся с ускорением, будет вести себя так, как если бы она имела эффективную температуру подобно черной дыре. В то время мы считали, что эту температуру никогда не удастся измерить, но спустя четырнадцать лет ее значимость стала очевидной.

Я в основном занимался черными дырами, но предположение о том, что ранняя Вселенная пережила период инфляционного расширения, вновь возродило мой интерес к космологии [69]. Ее размер увеличивался с постоянно растущей скоростью, подобно ценам в магазинах. В 1982 году, основываясь на евклидовом методе, я показал, что такая вселенная не должна быть однородной [70]. Примерно в это же время к такому же выводу пришел советский ученый Вячеслав Муханов, но об этом на Западе узнали гораздо позже.

С Доном Пейджем ( крайний слева в заднем ряду ), Кипом Торном ( третий слева в переднем ряду ), Джеймсом Хартлом ( крайний справа в переднем ряду ) и другими.

Можно было предположить, что такие неоднородности возникли из тепловых флуктуаций под влиянием эффективной температуры в инфляционной вселенной, которую мы с Гари Гиббонсом открыли за восемь лет до этого. Позднее еще несколько ученых пришли к таким же предположениям. По этому поводу я собрал симпозиум в Кембридже, на который пригласил всех основных игроков в данной области. На этой встрече мы сформулировали большую часть наших представлений о современной картине инфляции, включая первостепенный вопрос о плотности флуктуаций, которые дали начало образованию галактик, а значит, и нашему существованию.

Это произошло за десять лет до того, как спутник COBE ( Cosmic Background Explorer ) зарегистрировал связанные с флуктуациями плотности различия в микроволновом фоне по разным направлениям [71]. И снова в изучении гравитации теория опередила эксперимент. Эти флуктуации были подтверждены данными космического аппарата WMAP ( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ) и спутника Planck , которые полностью совпали с теоретическими предсказаниями [72].