Квантовые миры и возникновение пространства-времени

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.