Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
Это необязательно означает, что экзотическое вещество имеет отрицательную энергию с точки зрения наблюдателя, находящегося в покое внутри червоточины. Плотность энергии — это относительное понятие: в одной системе отсчета она может быть отрицательной, а в другой — положительной. Экзотическое вещество может иметь отрицательную плотность энергии в системе отсчета светового пучка, распространяющегося через него, но положительную плотность энергии в системе отсчета червоточины. Тем не менее, поскольку почти все
формы материи, с которыми встречались когда-либо люди, имеют положительную среднюю плотность энергии в любой системе отсчета, физики долгое время подозревали, что экзотическое вещество не может существовать. Предположительно законы физики запрещают существование экзотического вещества, о котором идет речь, но каким именно образом это делается, понять мы не могли.
Возможно, наша предубежденность к экзотическому веществу несправедлива, подумал я, когда ехал все по той же пятерке. Возможно, экзотическое вещество существует. Это был единственный способ, с помощью которого я мог помочь Карлу. Поэтому, прибыв в Пасадену, я написал Карлу длинное письмо, в котором объяснил, почему его героиня не могла воспользоваться черной дырой для быстрого межзвездного путешествия. Я предложил, чтобы вместо черных дыр она воспользовалась червоточинами, а кто-то из героев его романа открыл бы экзотическое вещество, то самое вещество, которое позволяет держать червоточины открытыми. Карл с удовольствием принял мое предложение и включил идею в окончательную версию романа «Контакт».119
-к к к
После того как я поделился с Карлом Саганом моими размышлениями, мне пришло в голову, что его книгу можно использовать как учебное пособие для студентов, изучающих общую теорию относительности. В качестве помощи для студентов осенью 1985 г. мы с Майком Моррисом (одним из моих студентов) начали писать статью по уравнениям общей теории относительности для червоточин, поддерживаемых экзотическим веществом, и о связи этих уравнений с книгой Сагана.
Мы писали медленно — другие проекты были более срочными и более приоритетными. В начале зимы 1987—1988 гг. мы заслали нашу статью в American Journal of Physics, но она еще не была напечатана. Моррис, который заканчивал аспирантуру, начал искать место постдока. Вместе со своими данными он рассылал повсюду рукопись нашей статьи. Одно из таких писем получил Дон Пейдж (профессор Пенсильванского университета и бывший мой и Хокинга студент), который прочел нашу рукопись и сразу же ответил Моррису.
496
«Дорогой Майк, как следует из положения 9.2.8 книги Хокинга и Эллиса, а также из уравнений поля Эйнштейна, любая червоточина [требует экзотического вещества для того, чтобы быть открытой]. Искренне Ваш, Дон. Н. Пейдж».
Я себя почувствовал ужасно глупым. Я никогда глубоко не изучал глобальные методы120 (основная тема книги Хокинга и Эллиса) и теперь я пожинал плоды своего невежества. На пятом хайвэе без больших усилий я вывел, что для поддержания в открытом состоянии совершенно сферической червоточины необходимо пропустить через нее экзотическое вещество. Теперь, однако, с помощью глобальных методов и затратив еще меньше усилий, Пейдж показал, что такое вещество требуется для поддержания любой червоточины (сферической, кубической и т.п.). Позднее я узнал, что Деннис Гэннон и К. В. Ли пришли почти к такому же выводу в 1975 г.
•к к *
Это открытие, что для поддержания открытого состояния всех червоточин требуется экзотическое вещество, возбудило в 1988—1992-х годах многочисленные теоретические исследования. (Разрешают ли законы физики существование экзотического вещества, и если да, то при каких обстоятельствах?) Это было ключевым вопросом.
Ключ к ответу был уже предложен Стивеном Хокингом в 1970-х годах. В 1970 г., доказывая, что площадь поверхности черной дыры всегда возрастает (глава 12), Хокинг должен был предположить, что возле горизонта событий черной дыры нет экзотического вещества. Если бы оно там присутствовало, доказательство Хокинга потеряло бы силу, и его теорема оказалась бы неправильной, и площадь поверхности горизонта событий могла бы сжиматься. Однако Хокинга все это не слишком беспокоило; в 1970 г. сама возможность существования экзотического вещества казалась маловероятной.
Но 1974-й год приподнес всем нам большой сюрприз: исследуя испарение черных дыр, Хокинг показал (глава 12), что вакуумные флуктуации возле горизонта событий черной дыры являются экзотическими: они имеют с точки зрения световых лучей, выходящих наружу возле горизонта событий черной дыры отрицательную среднюю плотность энергии. По сути дела, именно это экзотическое свойство вакуумных флуктуаций позволяет сжиматься горизонту событий черной дыры по мере ее испарения, в нарушение теоремы Хокинга о возра-
стающей площади. Поскольку экзотическое вещество очень важно для физики, я позволю себе объяснить этот момент более детально.
Вспомним происхождение и природу флуктуаций вакуума (Врезка 12.4). При попытке удалить из некоторой области пространства все электрические и магнитные поля, т.е. при попытке создать совершенный вакуум, всегда остается обилие случайных, непредсказуемых электромагнитных колебаний — колебаний, которые вызваны «противоборством» соседствующих областей пространства. Поля «здесь» занимают энергию у полей «там», оставляя их с дефицитом энергии, т.е. фактически с отрицательной энергией. Эти поля «там» быстро захватывают энергию обратно, причем с некоторым избытком, что приводит к тому, что их энергия на какой-то момент времени становится положительной. Так это и происходит.
При нормальных условиях на Земле средняя энергия таких вакуумных флуктуаций равна нулю. Дефицит энергии и ее избыток продолжаются примерно одинаковое время и поэтому в среднем они уравновешивают друг друга, но, как показали расчеты Хокинга в 1974 г., так происходит вдали от горизонта событий испаряющейся черной дыры. Возле горизонта событий средняя энергия должна быть отрицательной, по крайней мере, с точки зрения световых лучей. Это и означает, что флуктуации вакуума — экзотические.
Конкретные детали этого процесса стали понятны только в начале 1980-х годов, когда Дон Пейдж из Пенсильванского университета, Филип Канделас из Оксфорда и многие другие физики применили законы квантовых полей в искривленном пространстве-времени для детального исследования влияния горизонта событий черной дыры на флуктуации вакуума. Они обнаружили, что это влияние имеет большое значение. Горизонт событий изменяет форму вакуумных флуктуаций, и они становятся совершенно непохожими на земные. В результате этого смещения формы их средняя плотность энергии становится отрицательной, а флуктуации — экзотическими.
При каких других обстоятельствах могут вакуумные флуктуации стать экзотическими? Могут ли они быть экзотическими внутри червоточины и таким образом поддерживать ее открытой? В этом заключался основной вопрос исследовательских усилий, предпринятых Пейджем, который заметил, что единственный способ поддерживать любую червоточину открытой — снабдить ее экзотическим веществом.
Ответ, если это можно назвать ответом, дался нелегко. Гуннар Клинкхаммер (мой студент) доказал, что в плоском пространстве-времени, т. е. далеко от всех притягивающих объектов, флуктуации атомов никогда не могут быть экзотическими — они никогда не могут иметь отрицательную среднюю плотность энергии в системе отсчета световых пучков. С другой стороны, Роберт Уолд (бывший студент Уилера) и Улви Юртсевер (бывший мой студент) доказали, что в искривленном пространстве-времени при самых разных условиях кривизна искажает флуктуации вакуума и таким образом делает их экзотическими.
Подчиняется ли червоточина, которая стремится сжаться, таким условиям? Может ли кривизна червоточины, искажая вакуумные флуктуации, сделать их экзотическими, чтобы червоточина оставалась открытой? В тот момент, когда эта книга шла в печать, мы все еще не знали ответа.
к к к
В начале 1988 г., когда в самом разгаре были теоретические исследования экзотического вещества, толчком к которым был звонок Карла Сагана, я начал осознавать всю их значимость. Я был также абсолютно уверен в том, что путь к истине будет сложным и многотрудным. Мысленные эксперименты такого типа позволяют проложить дорогу к истине, эксперименты, которые спрашивают: «что законы физики разрешают делать высокоразвитой цивилизации и что они запрещают?» (под «высокоразвитой» цивилизацией я имею в виду такую, чья активность ограничена только законами физики, а не отсутствием должного интеллектуального и технологического уровня).
Думаю что мы, физики, стремились избегать таких вопросов, поскольку они слишком близки к научной фантастике. В то время как многие из нас могут получать удовольствие от чтения фантастики или даже писать ее, мы боимся оказаться смешными перед нашими коллегами, затевая исследования на грани этого жанра. Поэтому мы стремились сконцентрироваться на двух других, менее радикальных, типах вопросов: «Что реально происходит во Вселенной?» (Например, существуют ли реально черные дыры, и существуют ли реально червоточины?) И «Что мы, люди, с нашим нынешним уровнем развития, можем сделать сейчас или в ближайшем будущем?» (Например, можем ли мы производить новые элементы, такие как плутоний, и использовать их для производства атомных бомб? И можем ли мы производить высокотемпературные сверхпроводники и использовать их для экономии электроэнергии, создания летающих поездов и Суперколлайдера?)
