Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

Врезка 14.1

Экзотическое вещество: как удержать открывшуюся червоточину

Любая сферическая червоточина, через которую может распространяться свет, будет дефокусировать его гравитационными силами. Чтобы доказать это, представим себе (см. рисунок), что пучок света перед тем как войти в червоточину проходит через собирающую линзу. Таким образом, световые лучи будут сходиться в направлении центра червоточины. Затем лучи будут продолжать распространяться радиально (как же еще им распространяться?). Это значит, что когда они появятся из другого отверстия, они будут расходиться радиально из центра червоточины. Пучок дефокусирован. Пространственно-временная кривизна червоточины, которая является причиной дефокусировки, является следствием экзотического вещества, которое пронизывает червоточину, удерживая ее открытой.

Поскольку эта кривизна эквивалентна гравитации, то дефокусировка светового пучка по сути дела производится силами гравитации экзотического вещества. Другими словами, экзотическое вещество расталкивает гравитационными силами световые лучи, отпихивая их от себя и, следовательно, друг от друга, т. е. дефокусирует их.

Это в точности противоположно тому, что происходит в гравитационной линзе (рис. 8.2). Там свет от удаленной звезды фокусируется гравитационным притяжением находящейся на его пути звезды, галактики или черной дыры, здесь свет дефокусируется.

Это необязательно означает, что экзотическое вещество имеет отрицательную энергию с точки зрения наблюдателя, находящегося в покое внутри червоточины. Плотность энергии — это относительное понятие: в одной системе отсчета она может быть отрицательной, а в другой — положительной. Экзотическое вещество может иметь отрицательную плотность энергии в системе отсчета светового пучка, распространяющегося через него, но положительную плотность энергии в системе отсчета червоточины. Тем не менее, поскольку почти все формы материи, с которыми встречались когда-либо люди, имеют положительную среднюю плотность энергии в любой системе отсчета, физики долгое время подозревали, что экзотическое вещество не может существовать. Предположительно законы физики запрещают существование экзотического вещества, о котором идет речь, но каким именно образом это делается, понять мы не могли.

Возможно, наша предубежденность к экзотическому веществу несправедлива, подумал я, когда ехал все по той же пятерке. Возможно, экзотическое вещество существует. Это был единственный способ, с помощью которого я мог помочь Карлу. Поэтому, прибыв в Пасадену, я написал Карлу длинное письмо, в котором объяснил, почему его героиня не могла воспользоваться черной дырой для быстрого межзвездного путешествия. Я предложил, чтобы вместо черных дыр она воспользовалась червоточинами, а кто-то из героев его романа открыл бы экзотическое вещество, то самое вещество, которое позволяет держать червоточины открытыми. Карл с удовольствием принял мое предложение и включил идею в окончательную версию романа «Контакт».[136]

* * *

После того как я поделился с Карлом Саганом моими размышлениями, мне пришло в голову, что его книгу можно использовать как учебное пособие для студентов, изучающих общую теорию относительности. В качестве помощи для студентов осенью 1985 г. мы с Майком Моррисом (одним из моих студентов) начали писать статью по уравнениям общей теории относительности для червоточин, поддерживаемых экзотическим веществом, и о связи этих уравнений с книгой Сагана.

Мы писали медленно — другие проекты были более срочными и более приоритетными. В начале зимы 1987–1988 гг. мы заслали нашу статью в American Journal of Physics, но она еще не была напечатана. Моррис, который заканчивал аспирантуру, начал искать место постдока. Вместе со своими данными он рассылал повсюду рукопись нашей статьи. Одно из таких писем получил Дон Пейдж (профессор Пенсильванского университета и бывший мой и Хокинга студент), который прочел нашу рукопись и сразу же ответил Моррису.

«Дорогой Майк, как следует из положения 9.2.8 книги Хокинга и Эллиса, а также из уравнений поля Эйнштейна, любая червоточина [требует экзотического вещества для того, чтобы быть открытой]. Искренне Ваш, Дон. Н. Пейдж».

Я себя почувствовал ужасно глупым. Я никогда глубоко не изучал глобальные методы[137] (основная тема книги Хокинга и Эллиса) и теперь я пожинал плоды своего невежества. На пятом хайвэе без больших усилий я вывел, что для поддержания в открытом состоянии совершенно сферической червоточины необходимо пропустить через нее экзотическое вещество. Теперь, однако, с помощью глобальных методов и затратив еще меньше усилий, Пейдж показал, что такое вещество требуется для поддержания любой червоточины (сферической, кубической и т. п.). Позднее я узнал, что Деннис Гэннон и К. В. Ли пришли почти к такому же выводу в 1975 г.

* * *

Это открытие, что для поддержания открытого состояния всех червоточин требуется экзотическое вещество, возбудило в 1988—1992-х годах многочисленные теоретические исследования. (Разрешают ли законы физики существование экзотического вещества, и если да, то при каких обстоятельствах?) Это было ключевым вопросом.

Ключ к ответу был уже предложен Стивеном Хокингом в 1970-х годах. В 1970 г., доказывая, что площадь поверхности черной дыры всегда возрастает (глава 12), Хокинг должен был предположить, что возле горизонта событий черной дыры нет экзотического вещества. Если бы оно там присутствовало, доказательство Хокинга потеряло бы силу, и его теорема оказалась бы неправильной, и площадь поверхности горизонта событий могла бы сжиматься. Однако Хокинга все это не слишком беспокоило; в 1970 г. сама возможность существования экзотического вещества казалась маловероятной.

Но 1974-й год приподнес всем нам большой сюрприз: исследуя испарение черных дыр, Хокинг показал (глава 12), что вакуумные флуктуации возле горизонта событий черной дыры являются экзотическими: они имеют с точки зрения световых лучей, выходящих наружу возле горизонта событий черной дыры отрицательную среднюю плотность энергии. По сути дела, именно это экзотическое свойство вакуумных флуктуаций позволяет сжиматься горизонту событий черной дыры по мере ее испарения, в нарушение теоремы Хокинга о возрастающей площади. Поскольку экзотическое вещество очень важно для физики, я позволю себе объяснить этот момент более детально.

Вспомним происхождение и природу флуктуаций вакуума (Врезка 12.4). При попытке удалить из некоторой области пространства все электрические и магнитные поля, т. е. при попытке создать совершенный вакуум, всегда остается обилие случайных, непредсказуемых электромагнитных колебаний — колебаний, которые вызваны «противоборством» соседствующих областей пространства. Поля «здесь» занимают энергию у полей «там», оставляя их с дефицитом энергии, т. е. фактически с отрицательной энергией. Эти поля «там» быстро захватывают энергию обратно, причем с некоторым избытком, что приводит к тому, что их энергия на какой-то момент времени становится положительной. Так это и происходит.

При нормальных условиях на Земле средняя энергия таких вакуумных флуктуаций равна нулю. Дефицит энергии и ее избыток продолжаются примерно одинаковое время и поэтому в среднем они уравновешивают друг друга, но, как показали расчеты Хокинга в 1974 г., так происходит вдали от горизонта событий испаряющейся черной дыры. Возле горизонта событий средняя энергия должна быть отрицательной, по крайней мере, с точки зрения световых лучей. Это и означает, что флуктуации вакуума — экзотические.

Конкретные детали этого процесса стали понятны только в начале 1980-х годов, когда Дон Пейдж из Пенсильванского университета, Филип Канделас из Оксфорда и многие другие физики применили законы квантовых полей в искривленном пространстве-времени для детального исследования влияния горизонта событий черной дыры на флуктуации вакуума. Они обнаружили, что это влияние имеет большое значение. Горизонт событий изменяет форму вакуумных флуктуаций, и они становятся совершенно непохожими на земные. В результате этого смещения формы их средняя плотность энергии становится отрицательной, а флуктуации — экзотическими.

При каких других обстоятельствах могут вакуумные флуктуации стать экзотическими? Могут ли они быть экзотическими внутри червоточины и таким образом поддерживать ее открытой? В этом заключался основной вопрос исследовательских усилий, предпринятых Пейджем, который заметил, что единственный способ поддерживать любую червоточину открытой — снабдить ее экзотическим веществом.

Ответ, если это можно назвать ответом, дался нелегко. Гуннар Клинкхаммер (мой студент) доказал, что в плоском пространстве-времени, т. е. далеко от всех притягивающих объектов, флуктуации атомов никогда не могут быть экзотическими — они никогда не могут иметь отрицательную среднюю плотность энергии в системе отсчета световых пучков. С другой стороны, Роберт Уолд (бывший студент Уилера) и Улви Юртсевер (бывший мой студент) доказали, что в искривленном пространстве-времени при самых разных условиях кривизна искажает флуктуации вакуума и таким образом делает их экзотическими.