Джордж Массер - Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего

Изменение формы пространства и времени — это не просто предмет экзотических разделов физики. Оно влияет на движение любого падающего тела. Бейсбольные мячи, фужеры, дорогие смартфоны — все, что выскальзывает из ваших рук, движется с ускорением вниз к полу, поскольку масса Земли искривляет время. (Искривление пространства играет незначительную роль в этих случаях.) «Низ» определяется направлением, в котором время течет более медленно. Часы на уровне моря тикают медленнее часов на вершине Денали; часы, прикрепленные к вашей лодыжке, отстают от часов на запястье. По меркам человека, эти отклонения очень малы — от силы триллионные доли, — однако они достаточны, чтобы влиять на темп, с которым падающие тела набирают скорость. Когда яблоко падает с дерева, вы, фактически, видите, как оно катится по горизонталям времени.

Хотя изменение формы пространства-времени объясняет тот вид нелокальности, о котором говорил Ньютон, оно создает ряд новых разновидностей. Начнем с того, что общая теория относительности позволяет пространству-времени изгибаться и образовывать туннель, или кротовую нору, соединяющую две удаленные части Вселенной. Вход в такую нору похож на дверь, ведущую не в соседнюю комнату, а в другое место Вселенной. Вы можете пройти через нее, скажем, к альфе Центавра, и на это путешествие уйдет всего четыре года. Астрономы пока что не нашли кротовых нор, но общая теория относительности допускает их существование, да и предсказание Эйнштейна следует воспринимать как реальную возможность.

Строго говоря, кротовые норы совершенно не нарушают принцип локальности. Если вы войдете в такую нору, то будете двигаться по непрерывной траектории через пространство-время без таинственных скачков и в любой точке такого путешествия ваша скорость будет меньше скорости света. Все, что изменится, — это длина пути. Обратите, однако, внимание на мою оговорку «строго говоря». Если говорить нестрого, то у кротовых нор нужно ставить галочку в каждой клетке нашего контрольного листа нелокальности. Начать с того, что кротовая нора по своей сути нелокальная структура. По определению она соединяет несколько мест, т.е. не локализована в одном месте. Утверждение, что пространство-время имеет кротовую нору, равносильно утверждению о том, что крендель имеет узел: и то и другое относится к общей форме, а не к отдельно взятой части. Две вселенные — одна с кротовой норой, а другая без нее — могут выглядеть одинаково во всех местах, а разница становится заметной только при сравнении отдельных мест с целью выявления их взаимосвязей.

Кротовые норы тоже нелокальны. С помощью кротовой норы два объекта, которые выглядят удаленными, могут быть расположенными рядом или даже казаться одним объектом, видимым под разными углами. Многие теоретики строят предположения о том, что запутанные частицы связаны мини-норами, и именно это объясняет, почему они показывают одинаковые результаты при измерениях (к этой идее я вернусь в следующей главе). Конечно, эффекты кротовой норы могут не казаться нелокальными. Если, например, что-то проходит через кротовую нору, сталкивается с одной из частиц вашего тела и заставляет ее отклониться, все, что вы заметите, — это некоторую странность события. Вы не сможете отличить это от любого другого случайного и необъяснимого события, которые происходят с вами каждый день. Некоторые теоретики допускают, что здесь кроется объяснение, почему квантовые процессы имеют непредсказуемые результаты и почему фундаментальные параметры Вселенной, такие как напряженность поля, имеют необъяснимое значение.

Кротовая нора также ограничивает поведение материи во Вселенной, создавая петлю. Волна может пройти через пространство, войти в кротовую нору, возвратиться к начальной точке и наложиться на саму себя, как змей, пожирающий свой хвост. В результате кротовая нора изменяет волновое движение в огромной области и, возможно, не допускает формирование стабильных волн. Странность возрастает, если кротовая нора соединяет точки, разнесенные не только в пространстве, но и во времени, другими словами, если кротовая нора — временной портал. Если так, то кротовая нора создает временную петлю, полную логических парадоксов, которые так обожают любители научной фантастики. Чтобы предотвратить такие парадоксы, у путешественников во времени не должно быть той свободы действий, которой обладают обычные люди. Например, допустим, вы возвращаетесь в прошлое и пытаетесь застрелить своего деда. Что-то должно остановить вас. Вы знаете, что именно так должно быть хотя бы потому, что иначе этого путешествия во времени не было бы. Вы можете замешкаться с пистолетом, пистолет может дать осечку, метеорит может прилететь из космоса и выбить пистолет у вас из рук и т.д. Неважно, сколько раз и с каким рвением вы пытаетесь добиться своего, Вселенная по тайному умыслу будет защищать вашу цель. Вам же это покажется странной чередой совпадений.

Для объяснения подобных совпадений недостаточно проанализировать свое непосредственное окружение — необходимо исследовать общую структуру Вселенной. Требование логической непротиворечивости налагает ограничение на материю, которая проходит через кротовую нору (а иногда и на материю в других частях Вселенной), и подобное ограничение есть форма нелокальности. Происходящее в одном месте зависит от того, что происходит в других местах.

Второй тип нелокальности в общей теории относительности еще проще. Он вытекает из ключевого нововведения теории: такой вещи, как место, не существует за пределами пространства-времени, не существует внешней, или абсолютной, системы, относительно которой его можно оценивать. Это вроде бы очевидное положение имеет важные последствия. Оно означает, что пространство-время не только искривляется, но и теряет многие качества, которые мы связываем с ним, включая возможность определять местоположение.

Дон Маролф говорит, что «это очень тонкий момент и если честно, то Эйнштейн не понимал его довольно долго». Предыдущая концепция пространства, включая ньютоновское представление и даже ранние идеи самого Эйнштейна, предполагала, что пространство имеет фиксированную геометрию, которая позволяла мысленно подняться над ним и взглянуть на него сверху. В сущности, в какой-то момент Эйнштейн настаивал на существовании абсолютной точки отсчета, ибо в противном случае форма пространства становилась неопределенной. Чтобы понять, откуда появляется неопределенность, посмотрим, как мы пользуемся географическими данными в повседневной жизни. Можно предположить, что существует уникальная «реальная» форма ландшафта, иначе говоря, то, что показывает «Гуглобус», однако на практике форма определяется реальными наблюдениями ландшафта, а эти наблюдения могут варьировать. Студент, опаздывающий на экзамен, спортсмен, прихрамывающий из-за растянутого сухожилия, преподаватель, беседующий на ходу с коллегами, и велосипедист, распугивающий пешеходов, воспринимают кампус по-разному. Короткое расстояние для одного может казаться бесконечным другому. Если не смотреть на местность с высоты птичьего полета, то мы не можем точно сказать, что где расположено.