Природа Простору і Часу.

Одвічна боротьба в науці про рівновагу простору і часу і можливості його порушення

У 1994 Стівен Хокінг і Роджер Пенроуз прочитали цикл публічних лекцій з загальної теорії відносності в Інституті Математичних Наук імені Ісаака Ньютона при Кембриджському університеті. Наш журнал представляє вам витяги з цих лекцій, випущених в цьому році видавництвом Princeton University Press під назвою "Природа простору і часу", які дозволяють порівняти погляди цих двох учених. Хоча обидва вони і належать до однієї школи у фізиці (Пенроуз асистував докторську дисертацію Хокінга в Кембриджі), їхні погляди на роль квантової механіки в еволюції всесвіту сильно відрізняються один від одного. Зокрема Хокінг і Пенроуз мають різні уявлення про те, що відбувається з інформацією, запасеної в чорній дірі і чому початок всесвіту відрізняється від її кінця. Одне з головних відкриттів Хокінга, зроблених ним у 1973, було пророкування того, що внаслідок квантових ефектів чорні діри можуть випускати частки. У результаті такого процесу чорна діра випаровується, і в кінцевому рахунку можливо що від її початкової маси нічого не залишиться. Але протягом свого формування чорні діри поглинають безліч падаючих на неї часток мають різні типи, властивості і конфігурації. Хоча квантова теорія вимагає, щоб подібна інформація була збережена, подробиці того, що ж відбувається з нею далі, залишаються темою для бурхливих дебатів. Хокінг і Пенроуз, обидва вважають що, під час випромінювання чорна діра втрачає інформацію, яку вона містила в собі. Але Хокінг наполегливо стверджує, що ця втрата непоправна, тоді як Пенроуз доводить, що вона збалансована спонтанними вимірами квантових станів, які вводять інформацію назад всередину чорної діри. Обидва вчених погоджуються з тим, що майбутня теорія квантової гравітації необхідна для опису природи. Але їх погляди відрізняються на деякі аспекти цієї теорії. Пенроуз вважає, що навіть якщо фундаментальні взаємодії елементарних частинок симетричні по відношенню до звернення часу, то квантова гравітація повинна порушувати таку симетрію. Тимчасова асиметрія повинна тоді пояснити, чому на початку всесвіт була настільки однорідна (як показує мікрохвильове фонове випромінювання, народжене великим вибухом), тоді як наприкінці всесвіт повинний бути неоднорідна. Пенроуз намагається включити подібну асиметрію у свою гіпотезу Вейлевской кривизни. Простір-час, згідно Альберту Ейнштейну, викривлено присутністю матерії. Але простір-час може також мати деяку внутрішньо притаманну йому деформацію, яка визначається як Вейлевская кривизна. Гравітаційні хвилі і чорні діри, наприклад, дозволяють простору-часу викривлятися навіть у тих областях, які є порожніми. У ранній всесвіту Вейлевская кривизна була мабуть дорівнює нулю, але в згасаючої всесвіту, як доводить Пенроуз, велика кількість чорних дір приведе до зростання Вейлевской кривизни. У цьому і полягатиме відмінність між початком і кінцем всесвіту. Хокінг погоджується, що великий вибух і заключний колапс ("Big crunch") будуть різні, але він не розглядає асиметрію часу в якості закону природи. Основною ж причиною для цього відмінності, як він думає, є той шлях, на який запрограмовано розвиток всесвіту. Він постулює свого роду демократію, заявляючи, що у Всесвіті не може бути виділеною просторової точки; і тому, всесвіт не може мати межу. Саме цю пропозицію про відсутність кордону, як стверджує Хокінг, пояснює однорідність мікрохвильового фонового випромінювання. Погляди обох фізиків на інтерпретацію квантової механіки також докорінно розходяться. Хокінг вважає, що єдине призначення теорії - давати прогнози, які узгоджуються з досвідченими даними. Пенроуз ж вважає, що просте порівняння прогнозів з експериментами не достатньо для пояснення дійсності. Він вказує, що квантова теорія, що вимагає суперпозиції хвильових функцій, є концепція, яка може призводити до безглуздя. Ці вчені таким чином зводять на новий виток відому дискусію Ейнштейна і Бора з приводу химерних наслідків квантової теорії. Стівен Хокінг про квантові чорних дірах: Квантова теорія чорних дірок ..., здається, призводить до нового рівня непередбачуваності у фізиці крім звичайної квантовомеханічної невизначеності. Це відбувається завдяки тому, що чорні діри, здається, мають внутрішню ентропію і втрачають інформацію з нашої області всесвіту. Я повинен сказати, що ці вимоги дуже спірні: багато вчених, що працюють у галузі квантової гравітації, включаючи майже всіх тих, хто прийшов до неї з фізики елементарних частинок, інстинктивно відхиляють ідею, що інформація про стан квантової системи може бути втрачена. Проте, така точка зору не призвела до великого успіху в поясненні того, яким чином інформація може залишати чорну діру. У кінцевому рахунку я вважаю, що вони будуть змушені прийняти мою пропозицію, що інформація безповоротно втрачається, також, як вони були змушені погодитися, що чорні діри випромінюють, що суперечить всім їх упередженням ... Той факт, що гравітація є притягальнішою, означає, що у всесвіті має місце тенденція стягування матерії в одному місці, тенденція до формування об'єктів подібних зірок і галактик. Подальше стиснення цих об'єктів може деякий час стримуватися тепловим тиском, щодо зірок, або обертанням і внутрішніми рухами, у разі галактик. Однак, в кінцевому рахунку теплота або кутовий імпульс будуть віднесені геть, і об'єкт знову почне стискатися. Якщо маса менше ніж, приблизно півтори маси Сонця, стиснення може бути зупинено тиском виродженого газу електронів або нейтронів. Об'єкт стабілізується, щоб стати білим карликом або нейтронної зіркою, відповідно. Однак, якщо маса більша ніж ця межа, то вже немає нічого, що могло б зупинити неухильне стиснення. Як тільки стиск об'єкта наблизиться до деякого критичного розміру, поле тяжіння на його поверхні буде настільки сильно, що світлові конуси будуть нахилені всередину .... Ми можемо бачити, що навіть йдуть у поза світлові промені зігнуті по напрямку один до одного, так що вони зближуються, а не розходяться. Це означає, що є деяка закрита поверхню .... Таким чином повинна існувати область простору-часу, з якої неможливо вирватися на нескінченне відстань. Ця область називається чорною дірою. Її межа називається горизонтом подій, вона є поверхнею, сформованої світловими променями, не здатними вирватися до нескінченності .... Велика кількість інформації втрачається, коли космічне тіло колапсує, щоб утворити чорну діру. Колапсуючої об'єкт описується дуже великою кількістю параметрів. Його стан визначаться видами речовини і мультипольні моментами розподілу їх мас. Незважаючи на це формується чорна діра абсолютно не залежить від виду речовини і швидко втрачає все мультипольні моменти крім перших двох: монопольного, який є масою, і дипольного, який є моментом імпульсу. Ця втрата інформації справді не мала значення в класичній теорії. Можна сказати, що вся інформація щодо коллапсірующая об'єкта виявляється всередині чорної діри. Для спостерігача, що знаходиться поза чорної діри, було б дуже важко визначити, на що схожий колапсуючої об'єкт. Однак, в класичній теорії це було все ще можливо в принципі. Спостерігач ніколи фактично не втрачав би з уваги колапсуючої об'єкт. Замість цього, йому здавалося б, що об'єкт сповільнюється у своєму стисканні і стає все більш і більш тьмяним, у міру його наближення до горизонту подій. Цей спостерігач все ще міг бачити з чого складається колапсуючої об'єкт і як в ньому розподілена маса. Однак, з точки зору квантової теорії все повністю змінюється. Протягом колапсу об'єкт випустив би тільки обмежене число фотонів перш, ніж перетнути горизонт подій. Цих фотонів було б соверщенно недостатньо, щоб передати нам всю інформацію щодо коллапсірующая об'єкта. Це означає, що у квантовій теорії не існує жодного способу, яким зовнішній спостерігач міг би визначити стан такого об'єкта. Можна було б подумати, що це не має надто великого значення, тому що інформація буде все ще всередині чорної діри, навіть якщо її неможливо виміряти ззовні.


Але це якраз той випадок, де виявляється другий ефект квантової теорії чорних дір .... Квантова теорія змушує чорні діри випромінювати і втрачати масу. І мабуть вони в кінцевому рахунку зникають повністю - разом з інформацією всередині них. Я хочу навести аргументи на користь того, що ця інформація дійсно втрачається і не повертається в будь-якій формі. Як я покажу далі, з цією втратою інформації в фізику входить невизначеність більш високого рівня ніж звичайна невизначеність, пов'язана з квантовою теорією. На жаль, на відміну від співвідношення невизначеності Гейзенберга, цей новий рівень невизначеності буде досить важко підтвердити експериментально в разі чорних дір. Роджер Пенроуз про квантової теорії і просторі-часу: Квантова теорія, спеціальна теорія відносності, загальна теорія відносності і квантова теорія поля - найбільші фізичні теорії 20-ого століття. Ці теорії не незалежні від один одного: загальна теорія відносності була побудована на основі спеціальної теорії відносності, а квантова теорія поля має спеціальну теорію відносності і квантову теорію в якості свого заснування. Зазвичай говорилося, що квантова теорія поля - найбільш точна зі всіх коли-небудь існували фізичних теорій, що дає точність до 11 знаків після коми. Однак, я хотів би вказати, що загальна теорія відносності в даний час перевірено з точністю до 14 знаків після коми (і ця точність очевидно обмежена тільки точністю годинника, що йдуть на Землі). Я маю на увазі бінарний пульсар Hulse-Taylor PSR 1913 +16, пара нейтронних зірок обертаються один щодо одного, одна з яких - пульсар. Загальна теорія відносності пророкує, що подібна орбіта повільно стискається (а її період зменшується), тому що відбувається втрата енергія внаслідок випромінювання гравітаційних хвиль. Цей процес дійсно був зафіксований експериментально, а повний опис його руху, спостережуваного протягом 20 років ... знаходиться у згоді з загальною теорією відносності (яка включає в себе ньютонівську теорію) із чудовою точністю, зазначеної вище. Дослідники цієї зоряної системи по праву отримали Нобелівські премії за свою роботу. Квантові теоретики завжди стверджували, посилаючись на точність їх теорії, що загальна теорія відносності повинна брати з неї приклад, але я думаю тепер, що приклад повинна брати квантова теорія поля. Хоча ці чотири теорії досягли великих успіхів, але і вони не вільні від проблем .... Загальна теорія відносності передбачає існування сингулярностей простору-часу. У квантовій теорії є "проблема виміру", я опишу її пізніше. Може виявитися, що вирішення проблем цих теорій полягає у визнанні того факту, що вони є неповними теоріями. Наприклад, багато передчувають, що квантова теорія поля могла б будь-яким способом "розмазати" сингулярності загальної теорії відносності .... А тепер я хотів би сказати кілька слів щодо втрати інформації в чорних дірах, яка, як я вважаю, має відношення до останньому твердженню. Я погоджуюся майже з усім, що щодо цього сказав Стівен. Але в той час як Стівен розцінює втрату інформації в чорних дірах як нову невизначеність у фізиці, більш високого рівня, ніж квантовомеханічна невизначеність, то я ж розглядаю її як усього лише "додаткову" невизначеність .... Можливо, що невелика кількість інформації втрачається під час випаровування чорної діри ... але цей ефект буде набагато менше, ніж втрата інформації під час колапсу (для опису якого я приймаю будь-яку розумну картину заключного зникнення чорної діри). В якості уявного експерименту розглянемо замкнуту систему у великому ящику і розглянемо рух матерії всередині ящика у фазовому просторі. В областях фазового простору, відповідних местоположениям чорної діри, траєкторії описують фізичну еволюцію системи будуть сходитися, і фазові обсяги, які заповнюються цими траєкторіями, будуть скорочуватися. Це відбувається в результаті втрати інформації в сингулярності чорної діри. Дане скорочення знаходиться в прямій суперечності з законом класичної механіки, відомим як теорема Ліувілля, яка стверджує, що фазові обсяги, що переносяться фазовими траєкторіями залишаються постійними .... Таким чином простір-час чорної діри порушує збереження таких обсягів. Однак, у моїй картині, ця втрата обсягу фазового простору збалансована процесом спонтанних квантових вимірювань, в результаті яких відбувається відновлення інформації та збільшення обсягу в фазовому простору. Як розумію це я, так відбувається тому, що невизначеність, пов'язана з втратою інформації в чорних дірах, є як би "додаткової" до квантовомеханічної невизначеності: кожна з них - лише одна сторона однієї монети .... А тепер давайте розглянемо уявний експеримент із котом Шредінгера. Він описує незавидне становище кота в ящику, в якому іспущенний фотон падає на напівпрозоре дзеркало, а передана частина його хвильової функції реєструється датчиком. Якщо датчик виявляє фотон, то спрацьовує пістолет, вбиває кота. Якщо датчик не виявляє фотон, то кіт залишається живий і здоровий. (Я знаю, що Стівен не схвалює погане поводження з котами, навіть в уявних експериментах!) Хвильова функція такої системи є суперпозицією цих двох можливостей .... Але чому нашому сприйняттю доступні тільки макроскопічні альтернативи "кіт мертвий" і "кіт живий", а не макроскопічні суперпозиції таких станів? ... Я припускаю, що із залученням загальної теорії відносності, використання суперпозицій альтернативних геометрій простору-часу стикається з серйозними труднощами. Можливо, що суперпозиція двох різних геометрій нестабільна і розпадається в одну з цих двох альтернатив. Такими геометріями могли б бути, наприклад, простір і час живого чи мертвого кота. Для позначення цього розпаду суперпозиції в одне з альтернативних станів я використовую термін об'єктивна редукція, який мені подобається, бо має хороший акронім (OR). Яке відношення до цього має довжина Планка 10-33 сантиметри? Така довжина є природним критерієм для визначення того, чи є геометрії дійсно різними світами. Планка масштаб визначає також і часовий масштаб, при якому відбувається редукція в різні альтернативи. Хокінг про квантової космології: Я закінчую цю лекцію обговоренням питання, з приводу якого Роджер і я маємо різні погляди - це стріла часу. Є дуже ясна відмінність між прямим і зворотним напрямками часу в нашій частині всесвіту. Досить прокрутити назад будь-який фільм, щоб побачити цю відмінність. Замість чашок, що падають зі столу і розсипаються на дрібні шматочки, ми бачили б як ці осколки знову збираються разом і підхоплюються назад на стіл. Хіба реальна життя схоже не що-небудь подібне?. Локальні закони фізичні полів задовольняють вимогу симетрії в часі, або якщо бути більш точним CPT-інваріантності (Carge-Parity-Time Заряд-Парність-Час). Таким чином, бачимо відмінність між минулим і майбутнім походить від граничних умов всесвіту. Розглянемо модель, у якій просторово замкнута Всесвіт розширюється до максимального розміру, після чого знову колапсує. Як підкреслив Роджер, всесвіт буде сильно розрізняється в кінцевих пунктах цієї історії. У своєму початку всесвіт, як ми тепер думаємо, буде досить гладкою і регулярної. Однак, коли вона почне знову колапсувати, ми очікуємо, що вона буде надзвичайно безладна і нерегулярна. Оскільки безладних конфігурацій набагато більше ніж впорядкованих, це означає, що початкові умови мають бути обрані надзвичайно точно. Внаслідок цього граничні умови мають бути різними в ці моменти часу. Припущення Роджера полягає в тому, що Вейлевскій тензор повинен звернутися в нуль тільки в одному з кінців часу. Вейлевскій тензор - та частина кривизни простору-часу, яка не визначається локальним розподілом матерії через рівняння Ейнштейна. Ця кривизна надзвичайно мала в упорядкованій ранній стадії, і дуже велика в колапсуючої всесвіту.