На лужайке Эйнштейна

Когда я впервые услышала вопрос об этом загадочном низкоэнтропийном старте, он показался мне абсурдным. А как быть с космическим микроволновым фоном? Это снимок Вселенной, полученный почти в самом начале ее эволюции, и он показывает, что Вселенная была идеально гладкой, с неоднородностью порядка одной стотысячной. Это, конечно, на мой взгляд, вполне выглядело равновесием. Я полезла в книги за разъяснениями и в конце концов нашла одно. Низкое значение энтропии в начале времен – это не про термодинамическую энтропию, это про энтропию гравитационную. Для большого размера термодинамическая энтропия не так важна. Важна гравитация. А у гравитационной энтропии своя стрела времени, повернутая совсем в другую сторону, в противоположную. С гравитационной точки зрения, однородная Вселенная как раз созрела для комкования. Сила гравитации всегда притягивает, поэтому состояние без комков чрезвычайно маловероятно. Если бы гравитации дать волю, то вся Вселенная превратится в гигантскую черную дыру – состояние гравитационного равновесия.

Космическая стрела времени зависит от гравитационной энтропии, но когда я попыталась разобраться в этом вопросе глубже, я обнаружила, что физики, по сути, не знали, что такое гравитационная энтропия. Если энтропия – это мера отсутствия информации о микросостояниях, то какая микроскопическая информация закодирована в гравитации? Конечно, если бы физики знали ответ на этот вопрос, то есть если бы они знали микроскопическое строение гравитационного поля, – они бы больше не думали о стреле времени. Они бы обнаружили квантовую гравитацию.

Но есть одно место, где гравитационная энтропия вполне определена. Это горизонт событий черной дыры. Я вдруг поняла, что тут есть что-то поразительное, какой-то скрытый смысл. Я еще не знала, как его искать, но уже знала, что нашла тему для диплома.

Эйнштейн обнаружил, что масса и энергия искажают пространство, но он не ожидал, что найдутся такие места, где пространство замыкается само на себя, как змея, укусившая себя за хвост. Когда в массивной звезде выгорает топливо и она схлопывается под собственным весом, гравитация запускает необратимый процесс коллапса звезды. Становясь все плотнее и плотнее, звезда проваливается внутрь себя и прорывает самое ткань пространства-времени. Процесс подобен цепной реакции, и когда он заканчивается, пространство и время становится не узнать. Уилер придумал название для того, что получается, – черная дыра.

Черные дыры сводят вместе три столпа физики – общую теорию относительности, квантовую теорию, термодинамику, – чтобы они показали, на что каждый из них способен. Когда охотишься за окончательной реальностью, в черную дыру стоит заглянуть. Тут рвутся пространство и время, начинается и кончается Вселенная. Это то место, где из осколков восстанавливаются симметрии. В ее центре таится сингулярность, место, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а физика превращается в патологию. Так как радиус пространственно-временной кривизны устремляется вниз, к планковской длине, привычная физика, как мы знаем, отступает, обнажая terra incognita, пересечь которую способна только теория квантовой гравитации.

Учитывая сходство сингулярности черных дыр с сингулярностью в момент рождения Вселенной, я всегда считала, что черные дыры наиболее интересны именно наличием у них сингулярности. Я была неправа. Я довольно быстро выяснила, что по-настоящему интересные события происходят на внешней стороне черной дыры, на горизонте событий. Горизонт событий – это гравитационная точка невозврата, поверхность пространства-времени, где хватка сил гравитации точно уравновешивает скорость света. Это поверхность, на которой лучи света застыли на месте под действием силы тяжести. Для наблюдателя вне черной дыры горизонт событий – это своего рода космическая стена. Поскольку свет не может пройти сквозь нее, то наблюдатель никогда не сможет увидеть что-либо на другой ее стороне. При любых намерениях и целях можно считать, что у нее просто нет другой стороны. Другая сторона принципиально и во веки веков недостижима – что бы за ней ни происходило, это не может иметь никакого физического воздействия на внешний мир. Это то, что делает черную дыру черной. Горизонт событий разрезает мир на части.

Горизонт – это дверь на одну сторону: в нее можно войти, но никак не выйти. Для физиков тут огромная проблема. Это означало, что энтропия может в нее войти и никогда не выйти, а тогда энтропия Вселенной за пределами черной дыры будет уменьшаться. Непонятно, как быть со стрелой времени.