Вселенная! Курс выживания среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности

Голдберг Дэйв

I. Можно ли построить вечный двигатель?

Рассмотрим старый добрый классический вечный двигатель. Это изобретение чокнутой науки представляет собой устройство, которое не растрачивает энергию, не изнашивается и работает вечно [78] . Лучшие из них делают следующий шаг и неустанно вырабатывают энергию – видимо, из ничего.

Редколлегии журналов обожают получать статьи о вечных двигателях, поскольку рецензии на них пишутся на полном автопилоте. «А вот и нет, а вот и нет, – говорят рецензенты, – по закону сохранения энергии [79] из ничего не получится ничего!» Положим, иногда они пересказывают закон

сохранения энергии своими словами, но по сути они правы: локально невозможно ни создавать, ни уничтожать энергию, а энергия в замкнутой системе может преобразовываться (например, в массу и из массы), но общая сумма должна оставаться постоянной.

78

По крайней мере один из авторов долгое время был убежден, что Дик Кларк, ведущий телемарафонов в новогоднюю ночь, – на самом деле вечный двигатель.

79

Это настолько базовый принцип, что теперь его считают первым законом термодинамики.

Не исключено, что чокнутые профессора, мечтающие о вечном движении или генераторах энергии, – поголовно идиоты. В конце концов, человек, рассказывающий о своих планах завоевать мировое господство не просто первому встречному, а именно тому, кто способен эти планы расстроить, вполне способен и проворонить всякие мелочи вроде закона сохранения энергии. Но ведь, с другой стороны, не исключено, что чокнутый профессор обнаружит лазейку в законах, красной нитью проходящих по самой ткани пространства и времени.

Иногда чокнутого профессора и не отличишь от обычного ученого. Чтобы окончательно прояснить, что именно мы пытаемся доказать, упомянем о том, как Ричард Фейнман, который тогда работал в Калифорнийском технологическом институте, придумал очень хитроумный вечный двигатель – но с преднамеренным изъяном. Хотите, расскажем, как он был устроен? Конечно, хотите. Продемонстрировать его помогут наши славные ассистенты: позвольте представить вам парочку архизлодеев, у которых отрицательная научная харизма прямо-таки лезет из ушей, – доктора Дейва и его подельника Робо-Джеффа.

1. Доктор Дейв берет лазер и направляет его на вершину утеса, где ждет Робо-Джефф с параболической тарелкой в руках.

2. Собрав луч, Робо-Джефф превращает его свет в массу (детали опустим) при помощи великого уравнения Эйнштейна: E = mc² .

3. Робо-Джефф роняет массу с утеса. Как вы знаете, когда вы что-то роняете, то оно набирает энергию.

4. Вуаля! Когда масса долетает до низа, энергии в системе больше, чем в начале. Некоторым количеством энергии злодеи заряжают лазер, а остальную используют на что-нибудь полезное – например, заряжают лазер побольше.

Беда только в том, что такой вечный двигатель не работает, и Фейнман знал об этом с самого начала.

Нет, мы не придумали способ нарушить первый закон термодинамики, а всего лишь показали всем этим устройством, что если свет исходит от источника гравитации, он должен потерять энергию. Если направить лазерный луч снизу вверх, на утес, энергия луча наверху будет меньше, чем внизу. С другой стороны, если свет падает к Земле, то набирает энергию. Это не просто произвольная спекуляция. В 1959 году Роберт Паунд и Джордж Ребка, которые тогда работали в Гарварде, сумели измерить потерю энергии фотонов, когда фотоны летели вверх вдоль стены лаборатории Джефферсона в Гарварде – всего в 22,5 метра высотой.

Измерить эту потерю непросто. В ходе эксперимента Паунда – Ребки фотоны потеряли всего одну квадрильонную своей начальной энергии. Даже если бы мы направили лазерный луч на утес, уходивший в глубокий космос, мы бы потеряли лишь одну миллиардную его энергии. Неудивительно, что в обыденной жизни подобные

явления не бросаются нам в глаза. Если бы гравитация была сильнее, она бы проявлялась гораздо заметнее, а измерить ее было бы проще.

Великолепным примером маленьких тугих тючков с гравитацией служат белые карлики. Белые карлики обладают массой примерно в миллион раз больше массы Земли, хотя размера они сравнимого, поэтому и гравитация там примерно в миллион раз сильнее. Если бы вы находились на белом карлике, то весили бы в миллион раз больше, и если бы мы были хуже воспитаны, то донимали бы вас сальными шуточками.

Но во Вселенной есть места и с более суровыми условиями, чем белые карлики. Представьте себе, что мы стоим на поверхности крайне массивной планеты, где гравитация крайне сильна, и направляем в воздух лазерный луч. Чем выше взлетает фотон, тем больше энергии он теряет.

Теперь представьте себе, что эта планета еще и крайне компактна. В таком случае свет потеряет столько энергии, что обратится вспять и вернется на поверхность планеты. Или не вернется? Если планета и правда такая плотная, что свет не может с нее выбраться, то он, прежде всего, и вверх не поднимется. Это вроде малыша, который пытается идти вверх по эскалатору, едущему вниз. Ах, лапочка, он так старается, но неминуемо спускается все ниже и ниже. Вообще-то у такой планеты и поверхности толком не будет. Она тоже схлопнется под воздействием чудовищной гравитации, и вся планета тоже схлопнется в одну точку – в сингулярность.

Создать такую сингулярность – дело трудное. Чтобы сгенерировать подобную гравитацию с помощью нашей Земли, мы должны будем сжать ее в шарик в 7,5 миллиметра в диаметре. Даже солнце, которое массивнее Земли в триста тысяч раз, придется сжать до радиуса 3,2 километра. Это меньше Манхэттена.

Такова общая идея черной дыры – это настолько компактная система, что от нее не может убежать даже свет. Горизонт событий, точка, откуда нет возврата, – это невидимая граница между отчаянным притяжением очень сильной гравитации и билетом в один конец к центру массивного чудища. Стоит чему-нибудь – звезде, одинокому носку, ключам от машины, частице – пересечь горизонт событий, и его затянет в черную дыру. Этой алчной пасти не избежать даже фотону. Раз уж свет, оказавшись за горизонтом событий, не может оттуда вырваться, больше ничто не в силах. Не забывайте: скорость света – это вселенский предел скорости.

Черная дыра – необходимейшее орудие в арсенале чокнутого профессора. Она пригодится для самых разных целей – в ней хорошо топить надоедливых протагонистов и прятать результаты неудавшихся биологических экспериментов. Но больше всего любому по-настоящему чокнутому профессору хочется найти применение тому, что гравитация вблизи черной дыры сворачивает время, и создать на этой основе машину времени.

Прежде чем мы разберемся, что такое черная дыра и с чем ее едят и можно ли (или нельзя) сделать из нее машину времени, давайте «вспомним» некоторые черты фотонов – частиц, которые, как мы обсудили в главе 2, составляют свет.

Как вы помните, если вы видели один фотон, значит, видели все. По сути дела, разница между ними только в том, что одни фотоны более энергичны, другие менее. Есть много свойств света, которые на первый взгляд кажутся разными, но на самом деле это разные проявления одного и того же. В случае света количество энергии фотона коррелирует с цветом светового луча. Эта взаимозависимость энергии и цвета простирается далеко за пределы видимого спектра.

В главе 2 мы также поговорили о том, что свет ведет себя как кусочки волн и чем выше энергии, тем короче длина волны. Самое главное в этом (в рамках настоящей дискуссии) – то, что, поскольку фотоны представляют собой маленькие волны, мы можем засечь время, которое требуется, чтобы два последовательных фронта волны прошли фиксированную точку, – этот интервал называется периодом волны. Помните, в главе 1 мы говорили о цезиевых часах? Теперь мы готовы рассказать вам, что мы на самом деле имели в виду. Если взять фотон, который испустил атом цезия, и измерить время между гребнями волны, то он будет вести себя как часы – одни из точнейших часов во Вселенной.