Мост Эйнштейна — Розена
оказывается скорее
зеркалом,
чем кротовой норой.
В околонаучной фантастике о космических странствиях есть такие межгалактические и даже «междувселенские» лазейки, которые позволяют сократить путь, соединяя в одной точке две удалённые области сложенного пространства. Такие переходы, называемые «кротовыми норами», обычно представляют туннелями. По аналогии с транспортными собратьями, пронизывающими горы, в них также видят кратчайшие пути, но уже через Вселенную.
Несмотря на всю фантастичность этой идеи, родилась она из вполне научных работ, и, причём, не абы кого, а самих Альберта Эйнштейна и Натана Розена. Однако выводы учёных были неверно истолкованы, что, в общем-то, не удивительно. Физики говорили о мостах — конечно, не вполне простых для понимания, но всё-таки почти противоположных по смыслу. Вместо волшебной двери, ведущей на другой край вселенной, более уместно, наверное, было бы говорить о зазеркалье…
В 1935 году, анализируя поведение частиц в областях с экстремально сильной гравитацией, Эйнштейн и Розен предложили конструкцию, которую назвали «мостом». Фактически её предметом была математическая связь между двумя идеально симметричными «листами» пространства-времени. Дело в том, что математика, в отличие от выстроенной нами физической теории, позволяет уходить в вычислениях в плюс и минус бесконечность и в пространстве, и во времени. Мало того — она признаёт возможность симметрии между положительными и отрицательными исчислениями этих понятий.
Так вот гипотетический «мост» задумывался не как туннель для полётов, а как способ сохранить согласованность между гравитацией и квантовой теорией. Лишь десятилетия спустя эти мосты стали приравнивать к кротовым норам, хотя исходный замысел с фантастическими порталами почти не пересекался. Так и вышло, что образ червоточины, как ещё называют пресловутые норы, опирается на упрощённое и, по сути, неверное прочтение работ почтенных мужей. Из этого следует, что этих, уже таких привычных, объектов, вполне возможно, и в природе нет. Но зато идеи, стоящие за ними, раскрывают куда более глубокие свойства времени и Вселенной.
В недавней работе, опубликованной в журнале Classical and Quantum Gravity, авторы показывают, что подлинный смысл моста Эйнштейна — Розена не позволит вам сказать «за мной, ребята, я знаю короткую дорогу!» — он куда страннее и фундаментальнее. Изначальная задача касалась не межзвёздных путешествий, а того, как квантовые поля ведут себя в искривлённом пространстве-времени. Это означает, что мост оказывается скорее «зеркалом» в пространстве-времени, соединяющим две микроскопические стрелы времени.
Но это в математике, и как бы это ни было запутанно, в физике всё ещё сложнее. Квантовая механика описывает мир на уровне частиц и полей, тогда как Общая теория относительности задаёт язык для гравитации и структуры пространства-времени. Совмещение этих двух описаний в единую стройную картину до сих пор остаётся одной из главных задач современной физики, и новая трактовка 90-летней идеи двух учёных, как утверждают авторы, может стать шагом к такому объединению.
Неправильно понятое наследие.
Идея «кротовой норы» как прохода через пространство-время оформилась в основном в работах конца 1980‑х годов, когда физики стали рассматривать гипотетические переходы из одной области Вселенной в другую. Однако в рамках обычной ОТО подобное путешествие нереализуемо. Мост, описываемый уравнениями, коллапсирует быстрее, чем свет успевает его пересечь, так что «туннель» оказывается не просто непроходимым, но и внезапным, практически ненаблюдаемым объектом. Такова особенность исключительно математических конструкций, которые физическими порталами уже никак не назовёшь.
Наконец, реальных свидетельств существования макроскопических червоточин нет, да и строгая теория не даёт оснований ждать их появления. Тем не менее идея будто бы чёрные дыры могут соединять удалённые уголки космоса или работать «машинами времени», прочно засела в головах не только любителей фантастики. Чтобы «спасти» кротовые норы, предлагались экзотические варианты: необычные виды материи с отрицательным давлением или модифицированные гравитационные теории. Однако всё это остаётся неподтверждённым и крайне гипотетическим. Поэтому авторы новой работы возвращаются к исходной формулировке Эйнштейна и Розена и предлагают вместо пространственного туннеля рассматривать мост как квантовую структуру, связанную с направлением течения времени.
Две стрелы.
Большинство фундаментальных уравнений физики не выделяют ни прошлое, ни будущее: если формально поменять направление времени, сами законы почти не изменятся. То же касается симметрий «лево–право». Если всерьёз принять эти симметрии, набившие оскомину мосты можно понять иначе: вместо пространственного туннеля он предстаёт как две взаимодополняющие компоненты одного квантового состояния. В одной компоненте время идёт «вперёд», в другой — «назад», в зеркальном смысле. Эта симметрия не философская прихоть: если мы не допускаем бесконечные величины, квантовая эволюция должна оставаться полной и обратимой даже в присутствии гравитации.
Мост отражает тот факт, что для полного описания системы нужны обе временные ветви. В повседневных условиях физики обычно пренебрегают «обратной» составляющей и выбирают одну, привычную стрелу времени. Но в окрестности чёрных дыр или в моделях расширяющихся и сжимающихся вселенных, где гравитация особенно сильна, без учёта обеих стрел невозможно построить последовательную квантовую картину. Именно в таких экстремальных сценариях мосты Эйнштейна — Розена возникают естественным образом.
Горизонты информации.
С этой точки зрения на микроскопическом уровне мост даёт каналу информации возможность пройти через то, что снаружи выглядит как «точка невозврата» — горизонт событий чёрной дыры. Информация не исчезает, а продолжает существовать и эволюционировать, но в зеркальном, противоположном направлении времени. Да, это вопиюще неочевидное допущение, но каким-то образом оно предлагает вполне естественное решение известного информационного парадокса чёрных дыр.
Ещё в 1970‑х Стивен Хокинг показал, что чёрные дыры могут излучать и в конце концов испаряться, словно уничтожая сведения обо всём, что в них упало. Это противоречит квантовому принципу сохранения информации. Парадокс возникает, только если мы настаиваем на описании горизонта в рамках одной, односторонней стрелы времени, вытянутой до бесконечности, хотя сама квантовая теория такого ограничения не требует.
Если принять, что полное квантовое описание должно включать оба направления времени, тогда информация нигде не пропадает: она выходит из нашего «вектора» времени и становится видимой в зеркальной ветви. Таким образом, ни принцип полноты, ни причинность нарушать не нужно — и при этом не приходится выдумывать новую экзотическую физику.
Амбициозно? Конечно. Но и доводы довольно весомы.
Отголоски до‑Большого взрыва.
Это непросто осмыслить — картина вырисовывается далеко не интуитивной. Будучи макроскопическими существами, мы ощущаем лишь одно направление времени и рост беспорядка, или энтропии, в быту. Если не брать в пример растения и вообще живую природу, то обычно упорядоченные состояния переходят в хаотичные, а не наоборот. Это и задаёт привычную нам стрелу времени. Однако на квантовом уровне поведение может быть гораздо тоньше.
Любопытно, что намёки на скрытую структуру времени, возможно, уже зафиксированы. Космический микроволновый фон — «эхо» ранних стадий эволюции Вселенной — демонстрирует небольшую, но устойчивую асимметрию: предпочтение одной ориентации перед её зеркальным отражением. Эта аномалия остаётся загадкой для космологов уже порядка двух десятилетий, и стандартные модели считают её крайне маловероятной — если только не учитывать дополнительные, «зеркальные» квантовые компоненты.
Отсюда вытекает ещё более смелая мысль: то, что принято называть Большим взрывом, могло быть не абсолютным началом, а квантовым «отскоком» — переходом между двумя фазами Вселенной, в которых время течёт в противоположных направлениях. В таком сценарии чёрные дыры могут выполнять роль мостов не только между двумя ветвями времени, но и между разными космологическими эпохами. Наша Вселенная в этом случае может рассматриваться как внутренняя часть чёрной дыры, образовавшейся в другом, «родительском» космосе, где коллапсировавшая область пространства-времени отскочила и начала расширяться, породив наш дом — наблюдаемую сегодня Вселенную.
Если подобная модель верна, у неё есть потенциально проверяемые следствия. Так называемые реликты до‑отскоковой фазы — например, более мелкие чёрные дыры — могли пережить переход и проявиться уже в нашей расширяющейся Вселенной. Тогда часть невидимой массы, которую сейчас относят к тёмной материи, может быть сформирована именно такими объектами. В таком взгляде Большой взрыв становится не точкой зарождения всего, а своеобразными «вратами» между фазами космоса. Кротовые норы при этом остаются фантастикой. С одной стороны — увы, потому что они больше не обоснованы, а с другой — наполняют её гораздо более интересным смыслом, поскольку мост Эйнштейна — Розена оказывается не пространственным туннелем, а временной структурой.
Да, новая интерпретация мостов Эйнштейна — Розена разрушила последние надежды на сверхсветовые перелёты, путешествия во времени и другие эффектные порталы из научной фантастики. Однако взамен мы получили нечто куда более ошеломительное. С одной стороны, это последовательное квантовое описание гравитации, в котором пространство-время понимается как баланс двух противоположных направлений времени; а с другой — предыстория нашей Вселенной, уходящая за пределы Большого взрыва. И это при том, что столь дикая картина не отменяет ни теорию относительности, ни квантовую механику, а, напротив, дополняет их, намекая, что следующая революция в физике, возможно, не даст нам обогнать свет, но покажет, что на фундаментальном уровне время в пульсирующей Вселенной течёт сразу в обе стороны.
АРМК, по материалам The Conversation и IOPscience.