Белые дыры: черные дыры наоборот
Если вдуматься, во всей этой истории с черными дырами есть кое-что очень
интригующее — выраженная асимметрия времени . В предыдущем обсуждении
мы то и дело играючи вворачивали выражения, предполагающие направлен-
ность времени: мы говорили «стоит вам зайти за горизонт событий, вы уже не
сможете вернуться» — но не «выйдя за пределы горизонта событий, вы уже
не сможете вернуться» . И это не проявление нашей лингвистической беспеч-
ности — сама природа черной дыры подразумевает асимметричность во вре-
мени . Сингулярность всегда в вашем будущем, а не в прошлом, и на этот счет
не может быть двух мнений .
Это не проявление каких-то основополагающих физических законов . Общая
теория относительности идеально симметрична во времени: для каждого про-
странства—времени, представляющего решение уравнения Эйнштейна, суще-
ствует другое решение, которое идентично предыдущему, но обладает обратным
ходом времени . Черная дыра — это одно из решений уравнения Эйнштейна,
поэтому существуют и эквивалентные решения, «живущие в другую сторо-
ну», — белые дыры .
Для того чтобы получить определение белой дыры, нужно всего лишь взять
описание черной дыры и заменить все слова, относящиеся ко времени, терми-
нами с противоположным значением . В таком случае сингулярность окажется
в прошлом, из которого появляются световые конусы . Горизонт событий будет
лежать в будущем относительно сингулярности, а еще дальше будет находить-
ся внешний мир . Горизонт обозначает место, выйдя за пределы которого вы
уже никогда не сможете вернуться в область белой дыры .
Однако почему мы постоянно слышим о черных дырах во Вселенной, а о бе-
лых практически никто не говорит? Начнем с того, что «создать» белую дыру
невозможно . Поскольку мы находимся во внешнем мире, сингулярность и го-
ризонт событий белой дыры обязательно остались у нас в прошлом . Так что нас
вообще не должен волновать вопрос, как сконструировать белую дыру . Если
мы когда-либо обнаружим такой объект, это будет означать, что он существовал
во Вселенной с самого начала .
Если подходить к вопросу со всей серьезностью, то нас должно насторожить
слово «создать» . Почему в мире, живущем в соответствии с обратимыми зако- 
Часть II . Время во Вселенной Эйнштейна
Рис . 5 .6 . Пространство—время белой дыры — это отраженная во времени версия
черной дыры
нами физики, мы мыслим в терминах «создания» вещей, которые продолжают
существовать в будущем, но не вещей, способных попасть в прошлое и занять
достойное место там? По той же причине, почему мы верим в свободу воли:
условие низкой энтропии в прошлом ставит жесткие ограничения на то, что
могло произойти раньше, а отсутствие подобных граничных условий в будущем
оставляет практически бесконечное число возможностей дальнейшего раз-
вития событий .
Следовательно, ответ на вопрос «Почему процесс образования черной
дыры кажется достаточно понятным, а белые дыры мы если и найдем во Все-
ленной, то уже в готовом состоянии?» должен быть очевидным: потому что
энтропия черной дыры больше, чем энтропия тех вещей, из которых ее можно
было бы сделать . На самом деле вычислить значение энтропии весьма непросто;
при этом необходимо принимать во внимание излучение Хокинга (мы погово-
рим об этом в главе 12) . Ключевой момент для нас — то, что энтропия черной
дыры чрезвычайно велика . Именно черные дыры способны пролить свет на
связь между гравитацией и энтропией — двумя важнейшими ингредиентами
окончательного объяснения стрелы времени .
Примечания
Специальная теория относительности появилась вследствие несовместимости ньюто-
новской механики с максвелловской электродинамикой, а общая теория относительности,
в свою очередь, родилась благодаря несочетаемости специальной теории относитель- 
|
|
|
Глава 5 . Время гибкое
ности с ньютоновской силой тяготения . Сегодня физика решает очередной вопрос кри-
тической несовместимости, и на этот раз в главных ролях общая теория относительности
и квантовая механика . Мы искренне надеемся, что однажды у нас получится объединить
их в общей теории квантовой гравитации . По состоянию на текущий момент самый об-
надеживающий кандидат — теория струн, однако до конца еще ничего не ясно .
Кажется нелогичным, что натяжение, заставляющее вещи стягиваться все ближе друг
к другу, также ответственно за ускорение Вселенной, вследствие которого они разлетаются .
Все очень просто: натяжение темной энергии одинаково во всех точках пространства,
так что прямой эффект стягивания отсутствует . Мы имеем дело всего лишь с косвенным
влиянием темной энергии на искривление пространства—времени, заключающимся
в постоянном подталкивании Вселенной (мы знаем, что плотность темной энергии не
уменьшается) .
Можно думать об этом так: тот факт, что в ньютоновской механике энергия остается по-
стоянной, отражает базовую симметрию этой теории — инвариантность относительно
сдвига во времени . Фоновое пространство—время, в котором движутся частицы, зафик-
сировано раз и навсегда . Однако в общей теории относительности это уже не так: про-
странство становится динамическим и принимается подталкивать вещи то туда, то сюда,
меняя их энергию .
См . Michell, J. Philosophical Transactions of the Royal Society (London), 74 (1784), p . 35–57;
эссе Лапласа переиздано в форме приложении к книге Hawking, S. W., Ellis, G. F. R. The
Large-Scale Structure of Spacetime — Cambridge: Cambridge University Press, 1974 . Мно-
гие ученые любят напоминать (под многозначительный шепот и выразительное подни-
мание бровей) о том, что радиус «черной звезды», вычисленный в ньютоновской грави-
тации, в точности совпадает с гравитационным радиусом черной дыры (радиусом
Шварцшильда) в общей теории относительности (2GM/c2, где G — ньютоновская гра-
витационная постоянная, M — масса объекта, а c — скорость света) . Это совпадение
абсолютно случайно и образовалось в основном потому, что существует не так много
способов сконструировать величину размерности длины, используя только G, M и c .
В целях этой главы мы будем считать истинной классическую общую теорию относитель-
ности . В то же время мы прекрасно понимаем, что для объяснения сингулярностей ее
необходимо заменить новой, более общей теорией . Подробнее об этом говорится в кни-
гах Hawking, S. W . A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes . — New York:
Bantam, 1988; Thorne, K. S . Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy . — New
York: W . W . Norton, 1994 .
Совсем недавно, уже после публикации этой книги на английском языке, некоторые
ученые неожиданно изменили свое мнение — см ., например, работу Almheiri A., Marolf D.,
Polchinski J., Sully J. Black Holes: Complementarity or Firewalls?, JHEP 1302 (2013) 062 .
Информационный парадокс, связанный с физикой черных дыр, заставил их предположить,
что старые (существующие уже некоторое время) черные дыры покрыты огненными
стенами — пучками высокоэнергичных частиц, движущихся вдоль горизонта . Если это
предположение верно, то наблюдатель, падающий в черную дыру, сгорит в момент пере-
сечения горизонта . — Примеч. науч. ред .
Какую мораль из этого извлечь — решать вам .
Гл а в а 6
Петляя во времени
О да, мой сын,
в пространстве время здесь!
Рихард Вагнер. Парсифаль
Все знают, как выглядит машина времени: это такие стимпанковские сани
с красным бархатным креслом, переливающимися огоньками и гигантским
вращающимся штурвалом позади . Для представителей юного поколения снос-
ной заменой будет навороченный спортивный автомобиль, увешанный хитры-
ми приспособлениями, а наши британские читатели наверняка отдадут пред-
почтение лондонской полицейской будке в стиле 50-х годов .1 Функциональные
подробности могут разниться от модели к модели, но одно известно точно:
отправляясь в путешествие во времени, машина обязана дематериализоваться
в облаке спецэффектов, для того чтобы возникнуть где-то за многие тысячеле-
тия в прошлом или будущем .
Однако на самом деле все происходит совсем не так . Не потому, что путе-
шествия во времени невозможны, а сама идея выглядит нелепицей; реальны
или нереальны путешествия во времени — вопрос куда более сложный и не-
определенный, чем вы можете себе вообразить . Я много раз подчеркивал
сходство времени с пространством . Продолжим эту мысль: если вам повезет
наткнуться на рабочую машину времени в лаборатории какого-нибудь сума-
сшедшего изобретателя, то вы увидите обычную «машину пространства» —
банальное транспортное средство того или иного рода, предназначенное для
перемещения из одного места в другое . Если уж вам хочется визуализировать
путешествие в машине времени, представляйте себе ее старт как запуск косми-
ческого корабля, а не как исчезновение в клубах дыма .
Так что же в действительности подразумевает путешествие во времени?
Для нас интерес могут представлять два случая: путешествие в будущее и пу-
тешествие в прошлое . В будущее попасть легко: как сидели в кресле, так и про-
должайте сидеть . Каждый час вы будете перемещаться ровно на час в будущее .
Вы возразите: «Но ведь это скучно! Я хочу попасть далеко в будущее и как
можно быстрее, а не переползать за каждый час всего лишь на один час вперед .
Я хочу увидеть двадцать четвертый век еще до обеда!» Однако нам известно,
что невозможно двигаться со скоростью, превышающей один час в час отно-
сительно часов, которые путешествуют вместе с вами . Вы можете попытаться
Глава 6 . Петляя во времени
перехитрить себя, погрузившись в сон или в искусственную кому, но время
идти не перестанет .
С другой стороны, вы можете изменить промежуток времени, затрачиваемый
на прохождение вдоль вашей мировой линии по сравнению с мировыми лини-
ями других людей . В ньютоновской Вселенной это невозможно, так как время
универсально и вдоль всех мировых линий, соединяющих одни и те же два со-
бытия, проходит один и тот же период времени . Однако специальная теория
относительности позволяет нам управлять промежутками времени путем пере-
мещения в пространстве . Движению без ускорения соответствует самый длин-
ный временной интервал между двумя событиями; поэтому если вы желаете
быстро (с вашей точки зрения) попасть в будущее, вам нужно всего лишь дви-
гаться сквозь пространство—время по сильно искривленному пути . Вы може-
те улететь в межзвездное пространство на скорости, близкой к скорости света,
а затем вернуться или, если запас топлива на вашей ракете достаточно велик,
просто летать кругами на сверхвысокой скорости, никогда особенно не удаляясь
от стартовой точки в пространстве . Когда вы приземлитесь и выйдете из кос-
мического корабля, помимо головокружения у вас будет понимание, что вы
«переместились в будущее», или, точнее, что вдоль вашей мировой линии про-
шло меньше времени, чем вдоль мировых линий всех тех людей, с которыми вы
попрощались при старте . Путешествовать в будущее просто, а как быстро вы
будете перемещаться — вопрос исключительно ваших технологических возмож-
ностей . Это абсолютно не противоречит фундаментальным законам физики .
Однако в какой-то момент вам захочется вернуться обратно, и тут вы стол-
кнетесь с настоящими трудностями . Главные проблемы путешествия во време-
ни связаны как раз с путешествием в прошлое .