Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Читатель вправе сказать, что я делаю из мухи слона. Ведь какой-то один ускоряющийся заряд — это не так уж много, а гравитационное ускорение Земли совсем не велико по астрономическим понятиям. Однако в реальной вселенной речь идет отнюдь не о единичных зарядах.

Едва ли не самый неожиданный прогноз квантовой механики состоит в том, что даже пустое в нашем представлении пространство, так называемый вакуум, не вполне пусто. Оказывается, мы живем в бурлящем океане частиц и античастиц. Просто мы их обычно не замечаем, поскольку они необычайно эфемерны. Для наглядности: электрон-позитронные пары живут всего около 10 -21секунд и за это время успевают пробежать максимум чуть больше радиуса атомного ядра.

Кроме того, поскольку частицы и античастицы всегда имеют противоположный заряд, флуктуации вакуума с электрической точки зрения друг друга гасят.

И есть веская причина полагать, что эта энергия вакуума — вовсе не какая-то безумная выдумка физиков-теоретиков, призванная сделать вселенную еще диковиннее. В 1948 году Хендрик Казимир заметил, что если взять две незаряженные металлические пластины и поместить их очень близко друг к другу, они будут притягиваться друг к другу. Это называется эффектом Казимира и его можно понять только в том случае, если представить себе, что между пластинами роятся виртуальные заряженные частицы, обладающие именно теми свойствами, которые предсказывает пресловутая плотность энергии вакуума.

С другой стороны, есть и веские причины относиться к плотности энергии вакуума с большой осторожностью. В каждой конкретной области пространства создаются фотоны, которые, если помните, сами себе античастицы, со всевозможными длинами волн. Поскольку фотоны с очень маленькой длиной волны обладают очень высокой энергией, из этого естественным образом следует, что в каждый момент энергии вакуума должно быть бесконечно много буквально везде.

Если в уравнениях всплывает бесконечность, то в большинстве случаях это нас не особенно тревожит. Прямо мы энергию не измеряем, а измеряем только разницу. Так что если у нас имеется бесконечность, не страшно: она же везде одинаковая. Спокойно вычитаем ее и уповаем на то, что никто ничего не заметит.

На самом деле можно придумать и более красивый выход из положения. Физики исходят из предположения, что на масштабах меньше некоторого — планковской длины — известная нам физика перестает работать. Из этого следует, что от бесконечности можно избавиться. С другой стороны, даже если бы самая маленькая длина волны фотонов была бы масштаба планковской длины, соответствующая плотность энергии была бы примерно в 10 120раз больше, чем реальная плотность энергии во вселенной. Такое чувство, что где-то в вычислениях допущена грубая ошибка.

Поскольку гравитация должна чувствовать всю энергию во вселенной, какая только есть, эта ошибка в гугол раз — самая больная проблема физики. И забывать о ней мы не будем. Однако мы не можем совсем игнорировать существование пар виртуальных частиц, поскольку они играют очень важную роль в устройстве черных дыр.

Представьте себе, что вы сидите в ракете, которая движется в вакууме с ускорением, и кругом постоянно создаются и аннигилируют электроны и позитроны. Каждая из этих виртуальных заряженных частиц выглядит так, словно ускоряется прямо на вас. А как мы теперь знаем, ускоряющиеся частицы испускают излучение. Иначе говоря, если вы находитесь в ускоряющемся звездолете, уже само включение реактивных двигателей заставит вас увидеть излучаемый вакуумом свет. Если бы мы не проделали предварительно упражнений с МКС, вы бы, наверное, решили, что я спятил.

Ускорение в вакууме

То, что ускоряющийся наблюдатель увидит излучение, независимо обнаружили в семидесятые годы сразу несколько ученых, в том числе канадский физик Уильям Унру, в честь которого и получил название этот эффект. В нормальных обстоятельствах эффект этот крошечный. Если выше ускорение составляет 1 g , температура излучения Унру будет всего лишь около 4 × 10 –20K. Даже по привычным стандартам глубокого космоса это очень холодно.

Я привожу в пример излучение, которое видит ускоряющийся наблюдатель, поскольку Эйнштейн подарил нам симметрию: двигаться с ускорением и находиться в реальном гравитационном поле — это, в сущности, одно и то же. А как мы сейчас увидим, это сильно влияет на то, как устроены черные дыры.

Когда мы видели Алису в последний раз, она падала в черную дыру. Предположим, мы решили ее выручить и вытащить ее на лассо до того, как она пересечет горизонт событий. Теперь она не падает в черную дыру, а болтается снаружи, подвешенная на крепкой веревке. Как мы выражались, когда овладевали кратким курсом теории относительности, Алиса — наблюдатель, движущийся с ускорением. Ведь если бы она находилась в звездолете, который движется с ускорением, ощущения у нее были бы очень похожие — разве что за исключением приливных эффектов.

Принцип эквивалентности предполагает, что не должно быть никаких локальных различий между тем, кого ускоряют ракетные двигатели, и тем, кто на самом деле находится в гравитационном поле. Поскольку из ракеты мы увидим излучение Унру, то и Алиса, висящая возле черной дыры, тоже должна увидеть нечто такое же. Иначе говоря, она увидит, что черная дыра светится.

В 1974 году Стивен Хокинг сделал вылазку в область, пограничную между квантовой механикой и общей теорией относительности, и показал, что черные дыры на самом деле не черные. Это одна из крутейших астрофизических идей, причем большинство физиков считает, что так и есть, хотя мы никогда этого не наблюдали. Нужно знать всего две вещи — что ускоряющиеся наблюдатели видят излучение и что есть такой принцип эквивалентности — и из них — ба-бах! — следует излучение Хокинга.

Принцип эквивалентности сам по себе предполагает, что законы физики инвариантны во времени, а это, если верить Нётер, означает, что у нас есть сохранение энергии. Но вот тут-то и зарыта собака: поскольку излучение — это вид энергии, а черные дыры выбрасывают эту энергию в космос, она должна откуда-то браться. При этом в окрестностях черной дыры источник энергии может быть только один — и это, разумеется, масса самой черной дыры.

Излучение Хокинга

Давайте рассмотрим созданную случайным образом пару из частицы и античастицы [77] Обычно, когда рассказывают про излучение Хокинга, эти две частицы называют электрон и позитрон, поскольку они должны быть друг другу античастицами. В окрестностях настоящих черных дыр гораздо чаще создаются пары фотонов — частиц света с нулевой массой. Производить фотоны гораздо дешевле, чем электроны. . Когда создаешь пару, то обычно две частицы хотят от жизни только одного — воссоединиться. И делают это очень быстро. Один из главных прогнозов квантово-механической неопределенности состоит в том, что чем больше энергии позаимствовано у вакуума, чтобы создать пару, тем меньше времени частицы способны пробыть в разлуке. Не зря говорят, что Сила должна пребывать в равновесии.