Порталы в другие измерения и путешествие во времени

 

В недрах каждой коллапсирующей черной дыры могут таиться семена новой расширяющейся Вселенной.

Карл Саган

 

Черные дыры могут стать проходами в какое угодно время. Если бы нам пришлось прыгнуть в черную дыру, то предполагается, что мы бы появились в другой части Вселенной и в другой временной эпохе… Черные дыры могут быть вратами в Страны Чудес. Но есть ли там Алисы и белые кролики?

Сэр Мартин Рис

 

Общая теория относительности подобна троянскому коню.

Внешне теория великолепна. Сделав несколько простых допущений, можно получить основные характеристики космоса, включая искривление звездного света и сам Большой Взрыв, которые были измерены с поразительной точностью. Даже теорию инфляции можно подогнать к решению, вписав подобранную космологическую константу в уравнения юной Вселенной. Эти решения дают нам убедительнейшую теорию возникновения и смерти Вселенной.

Однако внутри троянского коня мы находим притаившихся демонов и гоблинов, в том числе черные дыры, белые дыры, пространственно-временные туннели и даже машины времени, которые находятся за пределами здравого смысла. Эти аномалии считаются настолько странными, что даже сам Эйнштейн отрицал возможность их обнаружения в природе. В течение многих лет он напряженно боролся с этими странными решениями. Сегодня мы знаем, что эти аномалии нельзя просто так сбрасывать со счетов. Они — неотъемлемая часть общей теории относительности. И, по сути, могут даже дать шанс на спасение любому разумному созданию, столкнувшемуся с угрозой Большого Охлаждения.

Но самой странной из этих аномалий, скорее всего, является возможность существования параллельных вселенных и врат, их соединяющих. Если мы вспомним шекспировскую метафору о том, что весь мир — сцена, то тогда можно сказать, что общая теория относительности допускает возможность существования люков на сцене. Но мы видим, что вместо того, чтобы вести в подвальный этаж, люки ведут на параллельные сцены, подобные нашей. Представьте себе сцен› жизни, состоящую из многоярусных сцен, одна поверх другой. На каждой сцене актеры читают свои роли и передвигаются среди декораций, считая, что их сцена — единственная, и не задумываясь о возможности существования других реальностей. Однако если однажды они случайно провалятся в люк, то обнаружат себя на совершенно новой сцене с новыми законами, новыми правилами игры и новым сценарием.

Но если может существовать бесконечное множество вселенных, то получается, что жизнь возможна в любой из этих вселенных в соответствии с иными физическими законами? Это тот самый вопрос, который Айзек Азимов поставил в своей классическом научно-фантастическом романе «Сами Боги», где создал параллельную вселенную с ядерным взаимодействием, отличным от нашего. Возникают захватывающие возможности, когда отменяются обычные законы физики и вводятся новые.

История Азимова начинается в 2070 году, когда ученый Фредерик Хэллем обращает внимание на то, что обычный вольфрам-186 странным образом превращается в загадочный плутоний-186, у которого слишком много протонов и который поэтому должен быть неустойчив. Хэллем выдвигает теорию, гласящую, что этот странный плутоний-186 появляется из параллельной Вселенной, где ядерное взаимодействие намного сильнее и поэтому оно преодолевает отталкивание протонов. Поскольку этот странный плутоний-186 выделяет большие количества энергии в виде электронов, его можно использовать для получения дешевой энергии неслыханных объемов. Это позволяет создать знаменитый электронный насос Хэллема, который решает проблему энергетического кризиса на Земле и делает Хэллема богатым человеком. Но за это нужно заплатить свою цену. Если определенное количество чужого плутония-186 будет привнесено в нашу Вселенную, то возрастет сила ядерного взаимодействия в целом. Это означает, что в результате процесса синтеза будет высвобождаться все больше энергии, Солнце станет светить все ярче и в конце концов взорвется, уничтожив при этом Солнечную систему!

А тем временем обитатели параллельной вселенной строят совсем другие планы. Их вселенная умирает. Ядерное взаимодействие в их вселенной довольно сильно, а это значит, что звездам очень быстро потребуется водород и они скоро погибнут. Инопланетяне организуют обмен: бесполезный плутоний-186 отсылается в нашу Вселенную в обмен на бесценный вольфрам-186, который позволяет создать позитронный насос, спасающий их умирающий мир. Хотя они понимают, что ядерное взаимодействие усилится в нашей Вселенной и из-за этого взорвутся наши звезды, но их это не волнует.

Кажется, что Земля обречена на катастрофу. Человечество пристрастилось к «энергии Хэллема» и отказывается верить, что Солнце вскоре взорвется. Еще один ученый находит гениальное решение этой головоломки. Он убежден в существовании параллельных вселенных. Он успешно модифицирует мощный ускоритель частиц для создания дыры в пространстве, которая соединит нашу Вселенную со многими другими. Он ищет и наконец находит среди них одну параллельную вселенную, которая совершенно пуста, если не считать «космического яйца», содержащего неограниченные количества энергии, но с более слабым ядерным взаимодействием.

При помощи перекачивания энергии из этого космического яйца ученому удается создать новый энергетический насос и в то же время ослабить ядерное взаимодействие в нашей собственной Вселенной, что предотвращает надвигающийся взрыв Солнца. Однако и такое решение событий имеет свою цену: в параллельной вселенной сила ядерного взаимодействия возрастет, что приведет к взрыву этой параллельной вселенной. Но ученый рассуждает следующим образом: взрыв лишь даст возможность этому яйцу «вылупиться», что вызовет новый Большой Взрыв. По сути, он понимает, что станет акушером, принимающим роды новой расширяющейся вселенной.

Научно-фантастический роман Азимова — один из немногих, где используются действующие законы физики для «раскрутки» истории о жадности, интригах и спасении. Азимов был прав, предполагая, что изменение силы взаимодействий в нашей Вселенной имело бы катастрофические последствия, что звезды в нашей Вселенной стали бы гореть ярче, а затем взорвались бы, если бы ядерное взаимодействие усилилось. Это поднимает неизбежный вопрос: согласуются ли законы параллельных вселенных с нашими законами физики? А если это так, то что необходимо для того, чтобы попасть в одну из них?

Чтобы сообразить, о чем идет речь, прежде всего необходимо понять природу пространственно-временных туннелей, отрицательной энергии и, конечно, природу загадочных объектов, называемых черными дырами.

 

Черные дыры

 

В 1783 году британский астроном Джон Мичелл впервые задался вопросом, что же произойдет, если звезда увеличится настолько, что ее не сможет «покинуть» даже свет. Ему было известно, что у каждого объекта есть «скорость убегания», то есть та скорость, которая необходима, чтобы преодолеть гравитационное притяжение. (Например, для Земли «скорость убегания» составляет 40 ООО км/ч, это та скорость, которую должна развить ракета, чтобы преодолеть действие гравитации Земли.)

Мичелл заинтересовался тем, что же случится, если звезда станет настолько массивной, что ее «скорость убегания» сравняется со скоростью света. Ее гравитация будет настолько неимоверной, что ничто не сможет освободиться от ее силы притяжения, даже свет, а потому сам объект будет казаться наблюдателю из внешнего мира абсолютно черным. Обнаружить такой объект в космосе в каком-то смысле невозможно, поскольку он невидим.

О «темных звездах» Мичелла не вспоминали полтора столетия. Вопрос снова всплыл в 1916 году, когда Карл Шварцшильд, немецкий физик, работавший на армию и находившийся тогда на русском фронте, нашел точное решение уравнений Эйнштейна для массивной звезды. Даже в наши дни решение Шварцшильда известно как одно из простейших, изящнейших и точных решений уравнений Эйнштейна. Эйнштейн был изумлен, узнав, что Шварцшильду уда-; лось найти решение сложных тензорных уравнений, прячась от артиллерийских снарядов. Он был еще больше удивлен, обнаружив, что решение Шварцшильда имело свои особые свойства.

На первый взгляд, оно было справедливо для гравитации обычной звезды, и Эйнштейн быстро использовал решение для вычисления гравитации Солнца и проверки своих ранних расчетов, в которых допускал приближения. Он всю жизнь был благодарен Шварцшильду за это. Но в своей второй работе Шварцшильд доказал, что очень массивную звезду окружает воображаемая «магическая сфера», обладающая странными свойствами. Эта «магическая сфера» является критической точкой, откуда уже вернуться нельзя. Любого проникшего сквозь эту «магическую сферу» немедленно засосало бы гравитацией в звезду и никто бы больше никогда его не увидел. «Даже свет был бы полностью поглощен, если бы прошел сквозь эту сферу. Шварцшильд не знал того, что заново открыл «темную звезду» Мичелла с помощью уравнений Эйнштейна.

Затем он вычислил радиус этой «магической сферы» (называемый радиусом Шварцшильда). Для объекта размером с наше Солнце радиус «магической сферы» равнялся примерно трем километрам. (Для Земли радиус Шварцшильда равняется приблизительно 1 см.) Это означало, что, если Солнце сжать до трех километров, оно превратилось бы в «темную звезду» и пожирало бы любой объект, пересекающий критическую «точку невозвращения».

Экспериментальным путем доказать существование «магической сферы» не представлялось возможным: кто возьмется сжимать Солнце? Не существует никаких известных нам механизмов, способных создать такую фантастическую звезду. Но с точки зрения теории это было полной катастрофой. Хотя общая теория относительности Эйнштейна могла принести блестящие результаты, такие, как искривление звездного света вокруг Солнца, но эта теория не имела никакого смысла при приближении к «магической сфере», где гравитация возрастала бесконечно.

Голландский физик Иоганнес Дросте доказал позже, что решение было еще более сумасшедшим. Он утверждал, что, согласно теории относительности, лучи света значительно искривлялись, приближаясь к объекту подобного рода. По сути, на расстоянии в 1,5 радиуса Шварцшильдалучи света начинали путешествовать по орбите вокруг звезды. Дросте показал, что искривления времени, обнаруженные в общей теории относительности, применительно к таким массивным звездам были намного больше, чем те, которые обнаруживала специальная теория относительности. Он также утверждал, что если вы приближаетесь к «магической сфере», то наблюдатель, находящийся далеко от вас, рассчитал бы, что ваши часы идут все медленнее и медленнее, и так до тех пор, пока они не остановились бы вовсе, в момент, когда вы ударитесь о сам объект. По сути, наблюдатель из внешнего мира уверился бы в том, что вы застыли во времени в тот момент, когда достигли «магической сферы». Поскольку само время остановилось бы в этой точке, некоторые физики посчитали, что существование такого странного объекта в природе невозможно. Математик Герман Вейль подлил еще больше масла в огонь — он открыл, что если исследовать мир внутри «магической сферы», то, видимо, с другой стороны ее находится другая вселенная.

Все это звучало настолько фантастично, что даже Эйнштейн не мог в это поверить. На конференции в Париже в 1922 году математик Жак Адамар спросил Эйнштейна, что бы произошло, если бы эта «сингулярность» существовала на самом деле, то есть если бы гравитация становилась бесконечной в пределах радиуса Шварцшильда. Эйнштейн ответил: «Это стало бы настоящей катастрофой для нашей теории; было бы очень сложно сказать a priori, что произошло бы с физической точки зрения, потому что формула больше не действовала бы». Позднее Эйнштейн назвал эту проблему «катастрофой Адамара». Но он посчитал, что вся эта полемика по поводу «темных звезд» имеет исключительно умозрительный характер. Во-первых, никто никогда не видел столь причудливого объекта, и вполне возможно, что «темных звезд» не существует, то есть их существование невозможно с физической точки зрения. Более того, если бы кому-то довелось упасть на одну из них, то он бы разбился насмерть. А поскольку никто никогда не смог бы пройти сквозь «магическую сферу» (поскольку время в этот момент останавливалось бы), то никто никогда не смог бы войти и в эту параллельную вселенную.

В 1920-е годы физики были здорово сбиты с толку в этом вопросе. Но в 1932 г. Жорж Леметр, отец теории Большого Взрыва, совершил значительный прорыв. Он доказал, что «магическая сфера» была вовсе не сингулярностью, где гравитация стремилась к бесконечности; это была просто математическая иллюзия, вызванная неудачным выбором математического обоснования. (Если выбрать другой набор координат или переменных для изучения «магической сферы», то сингулярность исчезнет.)

Отталкиваясь от этого, космолог X. П. Робертсон еще раз изучил первоначальные утверждения Дросте, что время останавливается на поверхности «магической сферы». Он обнаружил, что время останавливается только с точки зрения наблюдателя, следящего за тем, как ракета пересекает «магическую сферу». С точки же зрения самой ракеты понадобилась бы доля секунды, чтобы гравитация засосала ее внутрь «магической сферы». Иными словами, корабль, прошедший к своему несчастью, сквозь магическую сферу, разбился бы практически мгновенно, но стороннему наблюдателю показалось бы, что этот процесс занял тысячи лет.

Это было важным открытием. Это означало, что «магической сферы» достичь можно, а также то, что не нужно было сбрасывать ее со счетов как математическое уродство. Необходимо было серьезно изучить вопрос, что же могло случиться с объемом при прохождении через магическую сферу. Физики рассчитали, на что могло бы быть похоже путешествие сквозь «магическую сферу». (Сегодня «магическую сферу» называют «горизонтом событий». Слово «горизонт» обозначает самую далекую точку, которую мы можем увидеть. В данном же контексте оно относится к самой далекой точке, которой может достичь свет. Радиус этого «горизонта событий» и называется радиусом Шварцшильда.)

Приближаясь в ракете к черной дыре, вы бы увидели свет, захваченный в плен черной дырой миллиарды лет назад, когда сама черная дыра еще только образовалась. Иными словами, перед вашими глазами развернулась бы вся история этой черной дыры. При приближении приливные силы разорвали бы на части атомы, составляющие ваше тело, и в конце концов даже сами ядра атомов напоминали бы спагетти. Путешествие за горизонт событий стало бы путешествием в один конец, поскольку сила тяготения была бы настолько велика, что вас неизбежно засосало бы к самому центру, где бы вы разбились насмерть. Оказавшись за пределами «горизонта событий», вернуться назад было бы уже невозможно. (Чтобы выбраться из-за горизонта событий, понадобилось бы развить скорость, большую, чем скорость света, что невозможно.)

В 1939 году Эйнштейн написал работу, в которой попытался оспорить существование «темных звезд», утверждая, что они не могли бы образоваться естественным путем. Он начал с предположения, что звезда образуется из кружащегося скопления пыли, газа и звездных обломков, вращающихся по окружности и постепенно притягивающихся друг к другу благодаря силе гравитации. Затем он показал, что такое скопление кружащихся частиц никогда не сколлап-сирует до радиуса Шварцшильда, а потому никогда не превратится в черную дыру В лучшем случае эта вращающаяся масса частиц достигла бы величины в 1,5 радиуса Шварцшильда, а потому образование черной дыры практически невозможно. (Чтобы пересечь предел в 1,5 радиуса Шварцшильда, пришлось бы опять же развить скорость выше скорости света.) «Основным результатом данного исследования является ясное понимание того, почему «сингулярностей Шварцшильда» в физической реальности не существует», — писал Эйнштейн.

У Артура Эддингтона также были свои глубокие соображения насчет черных дыр, он всю жизнь сомневался в их существовании. Однажды он сказал, что должен существовать «закон Природы, чтобы не дать звезде вести себя столь странно».

По иронии судьбы, в том же году Дж. Роберт Оппенгеймер (который позднее создал атомную бомбу) и его студент Хартленд Снайдер доказали, что черная дыра и в самом деле могла образоваться, но иным путем. Вместо того чтобы предположить, что черная дыра появилась из вращающегося скопления частиц, сжимающегося под воздействием сил гравитации, они в качестве точки отсчета взяли старую массивную звезду, которая сожгла все свое ядерное топливо и взрывается вовнутрь под действием силы гравитации. К примеру, умирающая звезда массой в 40 солнечных масс могла бы израсходовать ядерное топливо и сжаться под действием силы гравитации до радиуса Шварцшильда в 130 км; в этом случае она бы неизбежно сколлапсировала в черную дыру. Оппенгеймер и Снайдер предположили, что существование черных дыр не просто возможно, они могли бы быть естественной конечной точкой эволюции миллиардов умирающих в галактике звезд-гигантов. (Возможно, именно идея взрыва вовнутрь, предложенная в 1939 году Оппенгеймером, всего через несколько лет вдохновила его на создание механизма внутреннего взрыва, использующегося в атомной бомбе.)

 

Мост Эйнштейна-Розена

 

Хотя Эйнштейн считал, что черные дыры — явление слишком невероятное и в природе существовать не могут, позднее, такова ирония судьбы, он показал, что они еще более причудливы, чем кто-либо мог предположить. Эйнштейн объяснил возможность существования пространственно-временных «порталов» в недрах черных дыр. Физики называют эти порталы червоточинами, поскольку, подобно червю, вгрызающемуся в землю, они создают более короткий альтернативный путь между двумя точками. Эти порталы также называют иногда порталами или «вратами» в другие измерения. Как их ни назови, когда-нибудь они могут стать средством путешествий между различными измерениями, но это случай крайний.

Первым, кто популяризовал идею порталов, стал Чарльз Доджсон, который писал под псевдонимом Льюис Кэрролл. В «Алисе в Зазеркалье» он представил портал в виде зеркала, которое соединяло пригород Оксфорда и Страну Чудес. Поскольку Доджсон был математиком и преподавал в Оксфорде, ему было известно об этих многосвязных пространствах. По определению, многосвязное пространство таково, что лассо в нем нельзя стянуть до размеров точки. Обычно любую петлю можно безо всякого труда стянуть в точку. Но если мы рассмотрим, например, пончик, вокруг которого намотано лассо, то увидим, что лассо будет стягивать этот пончик. Когда мы начнем медленно затягивать петлю, то увидим, что ее нельзя сжать до размеров точки; в лучшем случае, ее можно стянуть до окружности сжатого пончика, то есть до окружности «дырки».

Математики наслаждались тем фактом, что им удалось обнаружить объект, который был совершенно бесполезен при описании пространства. Но в 1935 году Эйнштейн и его студент Натан Розен представили физическому миру теорию порталов. Они попытались использовать решение проблемы черной дыры как модель для элементарных частиц. Самому Эйнштейну никогда не нравилась восходящая ко временам Ньютона теория, что гравитация частицы стремится к бесконечности при приближении к ней. Эйнштейн считал, что эта сингулярность должна быть искоренена, потому что в ней нет никакого смысла.

У Эйнштейна и Розена появилась оригинальная идея представить электрон (который обычно считался крошечной точкой, не имеющей структуры) как черную дыру. Таким образом, можно было использовать общую теорию относительности для объяснения загадок квантового мира в объединенной теории поля. Они начали с решения для стандартной черной дыры, которая напоминает большую вазу с длинным горлышком. Затем они отрезали «горлышко» и соединили его с еще одним частным решением уравнений для черной дыры, то есть с вазой, которая была перевернута вверх дном. По мнению Эйнштейна, эта причудливая, но уравновешенная конфигурация была бы свободна от сингулярности в происхождении черной дыры и могла бы действовать как электрон.

К несчастью, идея Эйнштейна о представлении электрона § качестве черной дыры провалилась. Но сегодня космологи предполагают, что мост Эйнштейна-Розена может служить «вратами» между двумя вселенными. Мы можем свободно передвигаться по Вселенной до тех пор, пока случайно не упадем в черную дыру, где нас немедленно протащит сквозь портал и мы появимся на другой стороне (пройдя сквозь «белую» дыру).

Для Эйнштейна любое решение его уравнений, если оно начиналось с физически вероятной точки отсчета, должно было соотноситься с физически вероятным объектом. Но он не беспокоился о том, кто свалится в черную дыру и попадет в параллельную вселенную. Приливные силы бесконечно возросли бы в центре, и гравитационное поле немедленно разорвало бы на части атомы любого объекта, который имел несчастье свалиться в черную дыру. (Мост Эйнштейна-Розена действительно открывается за доли секунды, но он закрывается настолько быстро, что ни один объект не сможет пройти его с такой скоростью, чтобы достичь другой стороны.) По мнению Эйнштейна, хотя существование порталов и возможно, живое существо никогда не сможет пройти сквозь какой-либо из них и рассказать о своих переживаниях во время этого путешествия.

 

Мост Эйнштейна-Розена. В центре черной дыры находится «горлышко», которое соединяется с пространством-временем другой вселенной или другой точкой в нашей Вселенной. Хотя путешествие сквозь стационарную черную дыру имело бы фатальные последствия, вращающиеся черные дыры обладают кольцеобразной сингулярностью, которая позволила бы пройти сквозь кольцо и мост Эйнштейна-Розена, хотя это находится еще на стадии предположений.

 

Вращающиеся черные дыры

 

Однако в 1963 году взгляд на вещи стал меняться, когда математик из Новой Зеландии Рой Керр нашел точное решение уравнений Эйнштейна, описывающее, возможно, наиболее реалистично умирающую звезду, вращающуюся черную дыру. Из-за сохранения кинетического импульса, когда звезда коллапсирует под действием силы гравитации, она начинает вращаться еще быстрее. (Это та же причина, по которой вращающиеся галактики выглядят подобно флюгерам, и именно поэтому фигуристы вращаются быстрее, когда прижимают руки к телу.) Вращающаяся звезда могла бы взорваться, образовав кольцо нейтронов, которое осталось бы устойчивым из-за большой центробежной силы, толкающей их «наружу» и уравновешивающей действие силы гравитации. Такая черная дыра обладала бы удивительным свойством: если бы вы упали в керровскую черную дыру, то вы бы не разбились насмерть. Наоборот, вас бы протянуло сквозь мост Эйнштейна-Розена в параллельную вселенную. «Проходишь сквозь это волшебное кольцо и — престо! — ты в совершенно иной вселенной, где радиус и масса отрицательны!» — обращаясь к коллеге, воскликнул Керр, обнаруживший это решение.

Иными словами, оправа зеркала Алисы была похожа на вращающееся кольцо Керра. Но любое путешествие сквозь Керрово кольцо было бы путешествием без возврата. Если бы вы пересекли «горизонт событий», окружающий кольцо Керра, гравитация была бы не настолько сильна, чтобы раздавить вас, но ее будет вполне достаточно, чтобы помешать вам вернуться из-за «горизонта событий». (В черной дыре Керра, по сути, есть два горизонта событий. Некоторые считают, что для обратного путешествия может понадобиться второе кольцо Керра, соединяющее параллельную вселенную с нашей.) В каком-то смысле черную дыру Керра можно сравнить с лифтом в небоскребе. Лифт представляет мост Эйнштейна-Розена, который соединяет различные этажи, только каждый этаж — это отдельная Вселенная. По сути, в этом небоскребе бесконечное количество этажей, и каждый из них отличается от других. Но лифт никогда не сможет уехать вниз. В нем есть только кнопка «вверх». Уехав с вашего этажа-вселенной, вернуться назад вы уже не сможете, поскольку пересечете «горизонт событий».

Мнения физиков по поводу того, насколько устойчиво кольцо Керра, разделились. Согласно некоторым расчетам, если попытаться пройти сквозь кольцо, то само присутствие человека дестабилизирует черную дыру и проход закроется. Например, если бы луч света упал в черную дыру Керра, он бы присоединил к себе невероятное количество энергии, падая к центру, и приобрел голубое смещение — то есть его частота и энергия возросли бы. При приближении к «горизонту событий» он уже будет обладать столь большой энергией, что убьет любого, кто попытается пройти сквозь мост Эйнштейна-Розена. Кроме того, луч создает свое собственное гравитационное поле, которое вступило бы во взаимодействие с первоначальной черной дырой, что, возможно, стало бы причиной закрытия прохода.

Иными словами, в то время, как одни физики считают, что черная дыра Керра — самая реалистичная из всех черных дыр и действительно может контактировать с параллельными вселенными, остается невыясненным, насколько безопасно будет прохождение через этот мост, а также то, насколько устойчив будет проход.