Ноль: биография опасной идеи - Чарльз Сейфе

Это и к лучшему. Если бы не было горизонта событий, не было космического цензора, прячущего сингулярности от остальной Вселенной, могли бы произойти очень странные события. Теоретически голая сингулярность без горизонта событий могла бы позволить путешествовать быстрее света или перемещаться обратно во времени. Этого можно было бы достичь с помощью структуры, названной кротовой норой.

Если вернуться к аналогии резинового полотна, сингулярность — это точка, где пространство имеет бесконечную кривизну, это разрыв в ткани пространства-времени. При определенных условиях разрыв может быть растянут. Например, если черная дыра вращается или имеет электрический заряд, сингулярность, по расчетам математиков, оказывается не точкой (проколом в пространстве-времени), а кольцом. Физики предполагают, что две такие растянутые сингулярности могут быть соединены туннелем: кротовой норой (рис. 53). Тот, кто будет путешествовать по кротовой норе, вынырнет в другой точке пространства, а может быть, и времени. Точно так же, как кротовая нора может отправить вас в мгновение ока через половину Вселенной, она может переместить вас назад или вперед во времени (см. Приложение E). Вы могли бы даже выследить свою мать и убить ее до того, как она повстречает вашего отца, что помешало бы вам родиться и создать ужасный парадокс.

Рис. 53. Кротовая нора

Кротовая нора — парадокс, порожденный нолем в уравнениях общей теории относительности. Никто на самом деле не знает, существуют ли кротовые норы, однако НАСА надеется, что это так.

Кое-что за ничто?

Не существует такой вещи, как бесплатный обед

НАСА питает надежду, что ноль может открыть секрет путешествий к далеким звездам. В 1992 году НАСА провело симпозиум, названный «Физика третьего тысячелетия», на котором ученые обсуждали особенности кротовых нор, скачки сквозь пространство, двигатели, использующие энергию вакуума и другие нетрадиционные идеи.

Проблема космических путешествий связана с тем, что не от чего отталкиваться. Когда вы плаваете в бассейне, вы отталкиваетесь от воды, заставляя ее отступать назад и двигать вас вперед. Когда вы идете по земле, ваши ноги отталкиваются от почвы, создавая продвигающую вас вперед силу. В космосе отталкиваться не от чего, вы можете сколько угодно грести, но это ничего вам не даст.

Ракеты несут собственный запас вещества, от которого могут отталкиваться. Топливо ракеты сгорает в двигателе и выбрасывается назад, двигая космический корабль вперед, так же, как дуновение воздуха из воздушного шарика заставляет его летать по комнате. Однако выброс топлива — очень дорогой и трудный способ передвижения, и даже современные улучшения химических двигателей, такие как использование электричества для выброса вещества из дюз ракеты, не могут обеспечить достаточную энергию для того, чтобы космические зонды могли достичь далеких звезд за приемлемое время. Чтобы добраться даже до ближайшей звезды, вам понадобилось бы чудовищное количество топлива — огромные затраты.

Физик Марк Миллис, глава проекта НАСА «Физика прорыва в реактивном движении», надеется преодолеть эту трудность благодаря физике ноля. К несчастью, ноли черных дыр — сингулярности — в ближайшее время представляются маловероятными кандидатами. Не только чрезвычайно трудно создать голую сингулярность, требующуюся для кротовой норы. Есть вероятность, что такая сингулярность разорвет космического путешественника в клочья. В 1998 году двое физиков из Еврейского университета в Иерусалиме показали, что даже вращающаяся или электрически заряженная черная дыра — с прекрасной кольцевой сингулярностью — благодаря нарастанию массы убьет космонавта. По мере вашего приближения к сингулярности масса черной дыры увеличивается, и увеличивается до бесконечности. Гравитация делается такой сильной, что вы в долю секунды будете разорваны на части. Кротовые норы опасны для здоровья.

Даже если ноли в центре черной дыры не обеспечат легкого способа перемещаться через пространство, ноль квантовой механики предлагает альтернативу: энергия нулевых колебаний может оказаться неисчерпаемым топливом. Именно здесь заканчивается физика мейнстрима и начинается граница.

В соответствии с взглядами Миллиса, астронавты могли бы использовать энергию вакуума для движения корабля, как моряки использовали энергию ветра для движения парусников. «Я провожу аналогию с эффектом Казимира, когда пластины могут соединяться благодаря заметному давлению радиации извне, — говорит он. — Если бы существовал способ извлечь из этого асимметричную силу, действующую в одном направлении и не действующую в другом, это можно было бы использовать как движитель». К сожалению, до сих пор эффект Казимира проявлялся только симметрично: обе пластины притягивались друг к другу — действие одной было равным и противоположно направленным по отношению к действию другой. Однако если бы существовало нечто подобное квантовому парусу, одностороннее зеркало, которое отражало бы виртуальные частицы от одной стороны и позволяло им беспрепятственно проходить сквозь другую, энергия вакуума толкала бы объект в сторону неотражающей поверхности паруса. Миллис признает, что никто не знает, как этого добиться. «Нет теорий того, как создать подобный агрегат», — печально говорит он.

Проблема заключается в том, что в соответствии с законами физики нельзя получить нечто из ничего. Как паруса фрегата снижают скорость ветра, так и квантовый парус понизил бы энергию вакуума. Как можно изменить ничто?

Гарольд Путофф, директор Института перспективных исследований в Остине (Техас), полагает, что квантовый парус просто изменит свойства вакуума. (Путофф больше всего известен своей статьей 1904 года в журнале Nature и попыткой доказать, что Ури Геллер и другие физики могли наблюдать предметы на расстоянии — без участия зрения. Это заключение не соответствовало мейнстриму науки.) «Вакуум распадается к немного более низкому уровню», — говорит Путофф. Если так, то квантовые паруса — это лишь начало; станет возможным создание двигателей, работающих только на энергии нулевых колебаний. Единственным их недостатком, возможно, является истончение ткани Вселенной, но очень медленное. «Никто и не почувствует. Это все равно, что зачерпнуть чашку воды из океана», — говорит Путофф. Тем не менее угроза для Вселенной имеется.

Нет сомнения в том, что вакуум обладает энергией — об этом свидетельствует сила Казимира. Однако возможно ли, что энергия вакуума представляет собой самый низкий уровень энергии? Если нет, то в вакууме может крыться опасность. В 1983 году двое ученых в журнале Nature высказали предположение, что использование энергии вакуума может привести к самоуничтожению Вселенной. В статье говорилось о том, что наш вакуум может быть «ложным» вакуумом в неестественном энергетическом состоянии — как мяч, неустойчиво лежащий на склоне холма. Если мы дадим вакууму достаточно сильный толчок, «мяч» может покатиться вниз по склону, стремясь к состоянию с более низкой энергией, и мы окажемся не в силах его остановить. Может образоваться огромный пузырь, растущий со скоростью света. Высвобожденная при этом энергия чревата неслыханными разрушениями. Катастрофа может оказаться такой ужасной, что все атомы будут разорваны на части.

К счастью, это совершенно фантастический сценарий. Наша Вселенная существует миллиарды лет, и невероятно, чтобы мы жили в таком неустойчивом состоянии. Столкновения космических лучей, вероятно, уже достаточно «воспламенили» вакуум, чтобы вызвать такую катастрофу, будь она возможна. Это не мешает некоторым энтузиастам — в том числе физикам — пикетировать лаборатории, работающие с высокими энергиями, как, например, Фермилаб (Национальную ускорительную лабораторию им. Энрико Ферми, США). Они опасаются, что обладающее высокой энергией столкновение частиц может привести к коллапсу вакуума. Даже если бы их опасения были обоснованы, представляется практически невозможным ускорить космический корабль с помощью энергии нулевых колебаний. Тем не менее Путофф полагает, что у него есть способ извлечь энергию из пустоты.

Теоретически ученые могут получать энергию в результате эффекта Казимира даже при абсолютном ноле в самом глубоком вакууме космоса. Две пластины, смыкаясь, выделяют тепло, которое может быть преобразовано в электричество. Увы, пластины нужно снова разъединять, на что требуется больше энергии, чем было произведено. Большинство ученых считают, что этот факт убивает идею создания вечного двигателя, питающегося энергией вакуума. Однако Путофф считает, что видит несколько путей преодолеть это препятствие. Одним из них является использование вместо пластин плазмы.