Куда течет река времени

Новиков Игорь Дмитриевич

Так как время и пространство едины, то можно говорить и о пространственной протяженности этих своеобразных квантов. Эта протяженность (она называется планковской длиной) выражается в сантиметрах дробью с единицей в числителе и с единицей с тридцатью тремя нулями в знаменателе. И во времени, и в пространстве планковские протяженности ничтожны.

По-видимому, промежутков времени меньше, чем планковский, быть не может. Это хотя и необычно, но не столь уж неожиданно. Ведь мы знаем из квантовой физики, что существует, например, квант электрического заряда или минимальная порция световой энергии данной частоты — квант света.

Не столь уж удивительно, что может

существовать и квант времени. XX век приучил нас к научным чудесам. Заметим, что такое представление о природе времени связано с принципиальной необходимостью квантовых проявлений буквально всех процессов в сингулярности.

Когда мы переходим к условиям, где все определяется квантовостью материи, то и время приобретает квантовые черты (в очень малых масштабах). С этой точки зрения непрерывный поток времени состоит из ненаблюдаемого истинно дискретного процесса, подобно рассматриваемому издали непрерывному потоку песка в песочных часах, хотя этот поток состоит из дискретных песчинок.

Итак: в сингулярности внутри черной дыры время распадается на дискретные кванты и, по-видимому, с приближением к сингулярности на промежутки времени, равные планковскому; и не имеет больше смысла спрашивать, что будет, если пройдет еще немного времени по часам падающего наблюдателя. Промежуток этот разделить на части уже принципиально нельзя, как нельзя разделить на части фотон. Понятия «раньше» и «позже» полностью теряют смысл, и, возможно, оказывается бессмысленным вопрос: что будет после сингулярности?

Чтобы как-то пояснить эту мысль, приведем такую аналогию. Вспомним движение электрона в атоме по одной из стационарных орбит. На классическом языке мы говорим «электрон движется». Но на квантовом языке говорить здесь о движении нельзя; правильнее сказать, что электрон находится в определенном состоянии, описываемом неизменной во времени волновой функцией, дающей вероятность пребывания электрона в том или ином месте.

Наверное, и «течение времени» в квантовой теории сингулярности необходимо описывать чем-то подобным волновой или вероятностной функции, хотя выражение «вероятность протекания такого-то промежутка времени» и кажется совершенно необычным.

Подведем итог сказанному. В сингулярности свойства времени, вероятно, сильнейшим образом изменяются, приобретая квантовые черты. Река времени дробится здесь на неделимые капли… Неправильно сказать, что сингулярность есть граница времени, за которой существование материи происходит уже вне времени. Но следует сказать, что пространственно-временные формы существования материи приобретают здесь совсем особенный характер, а многие привычные понятия становятся даже бессмысленными. О характере законов природы в сингулярности мы можем пока только догадываться.

Все сказанное о сингулярности в черных дырах пока только выводы теоретиков, хотя и опирающиеся на всю современную физику. Это передний край науки, и многое еще будет уточняться. Но следует помнить, что черные дыры, в которых обязаны существовать сингулярности, ограничивающие поток обычного непрерывного времени, реально существуют во Вселенной. Несколько таких объектов с большой степенью надежности уже открыты астрофизиками. Открыты своеобразные стоки реки времени — эти омуты, из которых нет возврата.

ЭНЕРГИЯ ИЗ ЧЕРНЫХ ДЫР

Наш рассказ о дырах в пространстве и времени

был бы неполон без упоминания об удивительном их свойстве — непрерывно выделять энергию. Такая их особенность является одним из проявлений не до конца еще разгаданной связи между временем и энергией. Подобная связь четко обнаруживается, когда существенными становятся квантовые свойства материи.

Прежде всего надо сказать несколько слов о пустом пространстве и его квантовых свойствах.

Согласно современным представлениям вакуум не является абсолютной пустотой, «совершенным ничем». Это «море» всевозможных так называемых виртуальных частиц и античастиц, которые не проявляются как реальные частицы. Но в нем все время непрерывно происходит рождение на короткое мгновение пар виртуальных частиц и античастиц, которые тут же исчезают. В реальные частицы они превращаться не могут, так как это означало бы появление реальной энергии, которой взяться в пустоте неоткуда. И только на короткий миг соотношение неопределенностей квантовой физики позволяет появиться частицам. Это соотношение утверждает, что произведение времени жизни виртуальной пары частиц t на их энергию Е порядка постоянной Планка h. Реальные частицы всегда можно убрать из какого-то объема пространства. Но виртуальные частицы в принципе неустранимы.

Таковы свойства пустоты. Если на вакуум наложить какое-либо сильное поле, то под его действием некоторые виртуальные частицы могут «набрать» достаточную энергию, чтобы стать реальными, энергию они почерпнут из внешнего поля. Так в сильном поле происходит рождение реальных частиц из вакуума за счет энергии этого поля.

Этот факт давно и хорошо известен; например, в сильном электрическом поле из вакуума рождаются такие заряженные частицы, как электроны и позитроны.

Обратимся теперь к черным дырам. В 1972 году Я. Зельдович и А. Старобинский рассмотрели процессы в вакууме вблизи вращающейся черной дыры. Дело в том, что при образовании черной дыры, когда сжимается вращающаяся масса, вокруг этой дыры, помимо гравитационного поля, тянувшего все тела к центру, возникает еще поле, увлекающее движущиеся тела во вращение вокруг нее — то есть возникает вихревое поле тяготения. Такие черные дыры называются вращающимися.

Я. Зельдович и А. Старобинский показали, что вблизи такой дыры происходит рождение квантов излучения за счет энергии вихревого поля тяготения. В результате вращательная энергия черной дыры постепенно переходит в излучение. Этот процесс очень медлен. Так, для черной дыры с массой в десять масс Солнца и максимально быстром вращении за все время существования Галактики (около 10 миллиардов лет) излучается всего несколько сотых долей эрга — совершенно ничтожная величина.

Осенью 1973 года Я. Зельдович и А. Старобинский рассказали о своих вычислениях С. Хоукингу, приехавшему в Москву. Тот, вернувшись домой, стал проверять выводы московских физиков своим математическим методом. «Когда я проделал вычисления, — вспоминал он, — я обнаружил, к моему удивлению и досаде, что даже невращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы в постоянном темпе. Сначала я подумал, что наличие этого излучения означает, что одно из использованных мной приближений неправильно… Однако, чем дальше я размышлял, тем более очевидным становилось, что использованные приближения справедливы… С тех пор вычисления были повторены многими разными методами другими людьми. Все они подтвердили, что черная дыра испускает частицы и излучение, как если бы она была горячим телом с температурой, которая зависит только от ее массы: чем больше масса, тем меньше температура».