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

Еще одна головоломка возникает, когда вы спрашиваете, как дыра хранит попавшие в нее объекты (или части, на которые она разрывает их) до момента высвобождения. Дыра должна расти, чтобы вместить эти объекты, а она не растет в той мере, какую предполагает локальность. Черные дыры должны быть похожи на чемоданы. Представьте, что у вас есть старый чемодан с 10 отделениями, каждое из которых вмещает пару носков, а потом вы покупаете новый чемодан в два раза больше по размерам и в восемь раз больше по объему. Вы ожидаете, что в новом чемодане будет 80 отделений и что он вместит 80 пар носков. В этом контексте локальность означает, что индивидуальные отделения будут иметь тот же размер, а в новом чемодане их просто будет больше. Преимущество заключается не просто в том, что вы можете уложить в него больше одежды, а в том, что эта одежда будет более разнообразной. Физики говорят, что более внушительный чемодан имеет более высокую энтропию. Энтропию обычно описывают как неупорядоченность, однако ее можно представить и как потенциал разнообразия, т.е. разнообразие путей, которыми можно упаковать чемодан без перегруза, без разбухания и других изменений внешнего вида.

При такой логике удвоение радиуса черной дыры должно увеличивать ее объем в восемь раз, пропорционально должна возрастать и вместимость. Этого, однако, не происходит. Когда черная дыра удваивается в радиусе, ее масса возрастает лишь в два раза, а энтропия — в четыре раза. Вместимость дыры меньше, чем предсказывают теории, основанные на локальности. Это все равно что открыть новый чемодан и обнаружить в нем всего 40 отделений вместо 80 обещанных в магазине. Вы наверняка почувствуете себя обманутым.

Четырехкратное увеличение энтропии означает, что внутренняя сложность дыры возрастает в зависимости не от объема, как предсказывает локальность, а от площади ее горизонта. Фактически увеличение ширины и длины дыры повышает ее вместимость, но дополнительная высота не дает ничего, словно это измерение иллюзорно. Объект выглядит трехмерным, однако ведет себя как двумерный. И то, что справедливо для черных дыр, справедливо и для других мест, поскольку все может превратиться в черную дыру при достаточно сильном сжатии. Пространство словно насмехается над нами. Оно предлагает так много места для вещества, но на деле не содержит его столько, сколько способно вместить. А когда вы пытаетесь наполнить его, то странным образом не можете сделать этого. Возникает вопрос, есть ли здесь пространство на самом деле или это обман вроде зеркальных стен, заставляющих маленькую квартирку на Манхэттене казаться просторным пентхаусом.

Обманчивость черных дыр — это уменьшенная версия того, что происходит во вселенных с границей. Опять же, объем пространства может коллапсировать на ее внешней поверхности. Эта догадка не просто уничтожает нашу концепцию пространства, а говорит о том, чем можно заменить ее.

Технически граница и объем эквивалентны и не имеют преимущества друг перед другом. Однако многие физики считают, что они не совсем идентичны, что граница — это фундаментальная реальность, а объем — ее производное. Это предположение известно как «голографический принцип», поскольку граница действует подобно листу пленки, способному создавать трехмерную сцену, аналогичную маленькой серебристой картинке на обратной стороне вашей кредитной карты. Голограмма создает объем потому, что она представляет собой искусно выполненную фотографию, передающую глубину сцены. Аналогичным образом поля на границе пространства размещены так искусно, что могут воспроизвести всю вселенную.

Если бы существовал приз за самую несуразную метафору в физике, то голографический принцип мог бы серьезно претендовать на него. Справедливости ради стоит отметить, что он отражает, как измерение пространства вроде бы испаряется. Кроме того, голограммы таинственны. Они заставляют вас воскликнуть: «Ничего себе!» — именно такую реакцию на исчезновение измерения хотели бы видеть физики. Однако непонятно, что фактически означает голографический принцип. Как Вселенная вокруг нас может быть голографической проекцией? Что представляет собой проектор? Главное, думаю, не зацикливаться на мелочах метафоры. Суть в том, что пространство, которое мы наблюдаем, может быть продуктом некоей глубинной структуры. Проходя по комнате, мы не скользим пассивно в уже существующем пространстве. Что-то все время происходит . Работает некий механизм, эдакие вращающиеся колеса в таинственных глубинах природы, который создает впечатление пребывания «здесь» и пребывания «там». Когда вы протягиваете руку за карандашом, а дотянуться до него не можете, что-то мешает вам, создавая нечто, воспринимаемое как расстояние. А стоит задать вопрос, что это за механизм, как мы попадаем на передний край современной физики. «На первый взгляд совершенно непонятно, как это происходит, — говорит Дэниел Кабат, теоретик из колледжа Лемана в Нью-Йорке. — Даже на второй взгляд это непонятно… Физика локальна. Иными словами, мы можем сказать, что разговариваем в этой комнате или что объекты занимают разные, совершенно определенные положения. Понять, как это появляется из подобной концептуальной модели, довольно сложно».

Физики, как и все остальные люди, воспринимают абстрактные понятия через конкретные примеры, а голографический принцип приподнялся над уровнем простого любопытства только тогда, когда Хуан Малдасена представил свою идею AdS/CFT-соответствия. AdS обозначает внутренность более многомерного шара, упрощенного типа ограниченной вселенной. CFT обозначает поверхность этого шара. «Соответствие» означает, что эти две области эквивалентны. Проводя измерения на границе, вы можете понять, что происходит внутри.

Попробуем разобраться, что это означает. Область, где господствует гравитация (описанная эйнштейновской общей теорией относительности и ее квантовой разновидностью), эквивалентна области, где господствуют только негравитационные силы (описанные квантовой теорией поля с калибровочной инвариантностью). Анализ, сделанный Малдасеной, таким образом, приводит к долгожданному объединению этих двух направлений физики, по крайней мере в такой идеализированной шарообразной вселенной. Исторически физики пытались обнаружить единство в результате поиска все более мелких строительных блоков, таких как атомы и частицы. Применяя подход Малдасены, они ищут уже не сущности, которые меньше, а сущности, которые не существуют в одном и том же пространстве.

Я знаю нескольких теоретиков, которых не смущает Малдасена и то, что он сделал (хотя они могут и не соглашаться с тем, что предложенная теоретическая структура имеет отношение к реальному миру). Один из них говорит, что однажды подвозил Малдасену на своем автомобиле и ужасно боялся. Если бы они разбились, то его вспоминали бы только в связи с этим событием. Он вошел бы в историю как человек, убивший Хуана Малдасену.