Самое классное в квантовых состояниях – возможность напрямую их складывать (в виде суперпозиций), получая новые состояния. Итак, давайте соберем новое квантовое состояние, сложив все наши мгновенные снимки. Это новое квантовое состояние не развивается во времени: оно просто существует в том виде, в каком мы собрали его вручную. Часы не показывают никакого конкретного времени, а находятся в суперпозиции всех моментов времени, в которые делались эти снимки. Не слишком похоже на наш мир.
Но здесь есть один нюанс: внутри этой суперпозиции всех мгновенных снимков состояние часов запутано с состоянием остальной системы. Если мы пронаблюдаем состояние часов и увидим, что они показывают конкретное время, то оставшаяся часть Вселенной окажется зафиксирована именно в том состоянии, в котором оказалась наша исходная система именно в тот момент времени:
Ψ = (система в момент t = 0, часы = 0)
+ (система в момент t = 1, часы = 1)
+ (система в момент t = 2, часы = 2)
+…
Иными словами, «на самом деле» в состоянии суперпозиции нет времени, это состояние полностью статично. Но из-за запутанности возникает взаимосвязь того, что показывают часы, и того, что происходит во всей остальной Вселенной. Причем состояние остальной Вселенной оказывается в точности таким, как если бы она развивалась из исходного состояния с течением времени. Мы заменили фундаментальный феномен «время» на формулировку «то, что показывают часы в этой части общей квантовой суперпозиции». Таким образом, время проявилось из статического состояния благодаря «магии» запутанности.
Остается невыясненным, на самом ли деле энергия Вселенной равна нулю и, следовательно, время эмерджентно или же она не равна нулю, и тогда время фундаментально. В нынешней ситуации целесообразно считать оба варианта возможными и исследовать как первый, так и второй.
14За пределами пространства и времениГолография, черные дыры и пределы локальности
До своей смерти в 2018 году Стивен Хокинг был самым известным из ныне живущих ученых с хорошим отрывом от конкурентов. Такой известностью он пользовался совершенно заслуженно – Хокинг не только был харизматичной и влиятельной публичной фигурой с вдохновляющей биографией, но и сделал невероятно значительный вклад в науку.
Величайшее достижение Хокинга заключалось в том, что ему удалось продемонстрировать, что с учетом эффектов квантовой гравитации черные дыры оказываются «не такими уж черными», как он любил говаривать. На самом деле черная дыра непрерывно испускает в пространство частицы, и эти частицы уносят ее энергию, вследствие чего черная дыра уменьшается в размерах. Осознание этого факта привело одновременно и к глубоким открытиям (у черных дыр есть энтропия), и к нежданным загадкам (куда уходит информация, когда черная дыра сначала образуется, а затем испаряется?).
Черные дыры испускают излучение. Причем, те выводы, которые следуют из этой удивительной идеи, – наилучшая из имеющихся у нас подсказок о природе квантовой гравитации. Не подумайте, что Хокинг соорудил сначала полную теорию квантовой гравитации, а затем, воспользовавшись ею, продемонстрировал, что черные дыры излучают. Нет, он применил разумное приближение, считая само пространство-время классическим и расположив поверх него динамические квантовые поля. Тем не менее мы надеемся, что такое приближение вполне справедливо. Хотя некоторые загадочные аспекты, обнаруженные Хокингом, заставляют в этом усомниться. Через сорок пять лет после публикации первой статьи Хокинга на эту тему попытки осмыслить излучение черных дыр остаются одним из самых активных направлений в современной теоретической физике.
Тогда как до решения этой задачи еще далеко, один вывод кажется ясным: простая картина, которую мы набросали в предыдущей главе и согласно которой пространство появляется из набора запутанных ближайших степеней свободы, – это, вероятно, еще не вся история. Это очень хорошая история, и, наверное, она хороша в качестве исходной позиции для создания теории квантовой гравитации. Но она слишком серьезно полагается на идею локальности – все, что происходит в некоторой точке пространства, может непосредственно воздействовать лишь на точки, расположенные в непосредственной близости. Черные дыры, насколько мы их понимаем, указывают на то, что природа устроена тоньше. В некоторых ситуациях мир выглядит как совокупность степеней свободы, взаимодействующих только со своими ближайшими соседями, но когда гравитация усиливается, эта простая картина рассыпается. Тогда степени свободы не распределяются в пространстве, а «втискиваются» на общую поверхность, и «пространство» оказывается лишь голографической проекцией информации, содержащейся внутри черной дыры.
Безусловно, локальность играет важную роль в нашей повседневной жизни, но представляется, что фундаментальная природа реальности не сводится к тем явлениям, которые обладают конкретными координатами в пространстве. Опять же, здесь нам снова может помочь многомировая интерпретация квантовой механики. При других подходах пространство принимается как данность и вся работа ведется в контексте пространства. Но эвереттовская философия, центральное место в которой отводится волновой функции, позволяет признать, что пространство может выглядеть принципиально по-разному в зависимости от того, с какой точки зрения мы его рассматриваем, а может и вообще оказаться концептуально бесполезным. Физики по-прежнему сражаются со следствиями, вытекающими из этой идеи, но она уже успела привести нас к некоторым любопытным результатам.
В общей теории относительности черная дыра – это область пространства-времени, которая искривлена настолько сильно, что оттуда ничего не может вырваться, даже свет. Граница черной дыры, отделяющая ее от внешнего мира, называется горизонтом событий. Согласно классической теории относительности, площадь горизонта событий может только увеличиваться, черные дыры растут по мере того, как в них попадают материя и энергия, но не могут сбрасывать свою массу в окружающий мир.
До 1974 года все считали, что в природе так все и устроено, пока Хокинг не объявил, что квантовая механика все меняет. При наличии квантовых полей черные дыры должны естественным образом испускать частицы в окружающую среду. Эти частицы образуют спектр абсолютно черного тела, поэтому у каждой черной дыры есть температура: сравнительно массивные черные дыры холоднее, тогда как очень маленькие черные дыры невероятно горячие. Формула для вычисления температуры излучения черной дыры высечена на могильном камне Хокинга в Вестминстерском аббатстве.
Частицы, излучаемые черной дырой, уносят с собой энергию, из-за чего черная дыра постепенно теряет массу и наконец полностью испаряется. Хотя было бы неплохо зафиксировать излучение Хокинга в телескоп, этого не удастся сделать ни с одной из известных нам черных дыр. Хокинговская температура черной дыры, сравнимой по массе с Солнцем, составит около 0,00000006 кельвина. Любой подобный сигнал не будет виден на фоне других источников, например таких, как реликтовое микроволновое излучение, отголосок Большого взрыва; температура этого излучения составляет 2,7 кельвина. Даже если бы такая черная дыра совершенно не росла за счет аккреции материи и энергии, потребовалось бы около 1067 лет, чтобы она полностью испарилась.
Есть стандартная история, которую рассказывают в ответ на вопрос, почему черные дыры излучают. Я ее рассказываю, Хокинг ее рассказывал, все ее рассказывают. История такова: согласно квантовой теории поля, вакуум напоминает булькающее варево из частиц, которые возникают и сразу же исчезают, как правило, парами, и каждая такая пара состоит из частицы и античастицы. Обычно мы этого не замечаем, но поблизости от горизонта событий черной дыры одна из этих частиц может свалиться в черную дыру и никогда уже не выбраться оттуда, а другая частица улетает в окружающий мир. Тому, кто наблюдает за этим издалека, будет казаться, что ускользнувшая частица обладает положительной энергией, поэтому для достижения равновесия та частица, что упала в черную дыру, должна иметь отрицательную энергию. Поглощая такие частицы с отрицательной энергией одну за другой, черная дыра постепенно теряет массу.
С эвереттовской точки зрения, согласно которой первична волновая функция, можно описать этот процесс еще точнее. История с появлением и исчезновением частиц – наглядная метафора, помогающая интуитивно понять физику этого процесса. Но на самом деле у нас есть только квантовая волновая функция полей, расположенных поблизости от черной дыры. Причем эта волновая функция не статична: она эволюционирует, в данном случае давая чуть уменьшившуюся черную дыру и частицы, разлетающиеся от нее во все стороны. Ситуация вполне схожа с процессами, происходящими в атоме: электроны, имея небольшой избыток энергии, перескакивают в состояния с более низкой энергией, излучая при этом фотоны. Разница только в том, что атом в конце концов достигает состояния с наименьшей возможной энергией и остается в нем, тогда как черная дыра (насколько мы понимаем) просто испаряется без остатка, в последний момент взрываясь, давая вспышку высокоэнергетических частиц.
Хокинг изложил идею об излучении черных дыр с их последующим испарением, пользуясь методами традиционной квантовой теории поля, но в контексте искривленного пространства-времени из общей теории относительности, а не в контексте физики частиц, где гравитация не учитывается. Результат Хокинга не является сугубо квантово-гравитационным, само пространство-время здесь трактуется с классической точки зрения, а не как часть волновой функции. Однако этот сценарий, по-видимому, вполне понятен и без глубоких знаний квантовой гравитации. Насколько известно физикам, излучение Хокинга – устойчивый феномен. Иными словами, везде, где мы усматриваем квантовую гравитацию, должны воспроизводиться результаты Хокинга.