Представьте, что вы покинули Землю и включили двигатели.
Корабль ускоряется непрерывно. Не до какой-то выбранной скорости, после которой двигатели замолкают, а снова, снова и снова. Экипаж постоянно чувствует давление кресел, словно ракета всё время взлетает.
Сначала скорость достигает 90 процентов от скорости света. Затем 99 процентов. Потом 99,9 процента, 99,99 процента и 99,999999 процента.
До светового предела остаётся всё меньше. Корабль никогда его не достигнет, но продолжит приближаться.
Где-то далеко позади осталась Земля. Человек, с которым вы договаривались встретиться за чашкой кофе, смотрит на пустой стул, понимает, что вы опаздываете уже на несколько лет, и отправляет сообщение.
Сообщение превращается в короткий световой импульс и устремляется за кораблём.
Свет движется быстрее вас. Значит, рано или поздно импульс обязан догнать ракету.
Но не догоняет.
Между вами и Землёй возникает невидимая граница. За ней продолжают светить звёзды, летать планеты и происходить события. Люди отправляют сигналы, но некоторые сообщения уже никогда до вас не доберутся.
Чтобы скрыть часть Вселенной, не понадобилась чёрная дыра. Хватило нажатой педали газа.
Горизонт отделяет не пространство, а возможное будущее
Слово «горизонт» кажется знакомым и почти безобидным.
Стоя на берегу моря, человек видит линию, за которой исчезают корабли. За линией ничего не обрывается. Океан продолжается, просто свет от далёких объектов больше не достигает наблюдателя по прямому пути.
В теории относительности горизонт играет похожую, но намного более глубокую роль.
Горизонт отделяет события, которые ещё способны повлиять на наблюдателя, от событий, сигналы которых никогда его не достигнут.
Физики вкладывают в слово «событие» точный смысл. Место само по себе не является событием. Время само по себе тоже не является событием. Нужен полный адрес во Вселенной, положение в пространстве и конкретный момент.
Кофейня является местом. Пять часов вечера являются временем. Встреча в кофейне в пять часов вечера является событием.
Такой подход меняет привычный взгляд на реальность. Вселенная состоит не только из объектов. Она состоит из событий, которые могут соединяться светом, движением и причинно-следственными связями.
Если одно событие может отправить сигнал другому, между ними существует физическая связь. Если сигнал никогда не доберётся, события оказываются причинно разделены.
Самый известный пример даёт чёрная дыра.
Её горизонт событий отмечает границу, после пересечения которой наружу уже невозможно вернуться. Падающий человек продолжит видеть часть внешней Вселенной и сможет принимать некоторые сигналы. Но отправить сообщение обратно и получить ответ уже не получится.
Горизонт не похож на стену. На нём нет таблички, вспышки или предупреждающей сирены. Локально пространство может казаться обычным. Изменяется не материал вокруг путешественника, а набор доступных ему будущих событий.
После пересечения горизонта встреча с человеком снаружи исчезает из числа возможных вариантов будущего. Не из-за нехватки топлива, плохого маршрута или слишком большого расстояния. Пространство-время больше не предоставляет пути назад.
Чёрная дыра создаёт горизонт своей гравитацией.
Но физик Вольфганг Риндлер показал, что похожая граница возникает и без чудовищной массы, искривляющей пространство. Достаточно наблюдателя, который ускоряется достаточно долго.
Риндлер родился в Вене, ребёнком покинул Европу, спасаясь от нацистов, а позже стал одним из крупных специалистов по теории относительности. Его имя закрепилось за горизонтом, который появляется в системе постоянно ускоряющегося наблюдателя.
Горизонт Риндлера не принадлежит определённой области космоса. Для человека, спокойно оставшегося на Земле, никакой загадочной стены там нет. Горизонт существует относительно траектории ускоряющегося корабля.
Разные наблюдатели могут жить в одной Вселенной, но иметь доступ к разным частям её будущего.
Свет всё время приближается, но так и не догоняет
Вернёмся к сообщению, отправленному с Земли.
Если корабль неподвижен, световой импульс доберётся до него через конечное время. Если ракета удаляется с постоянной скоростью, свету потребуется больше времени, но импульс всё равно её настигнет.
Допустим, корабль летит со скоростью 90 процентов от скорости света. Импульс движется со скоростью света. Разница невелика, но она существует. С каждой секундой свет сокращает расстояние.
Ракета не может скрыться.
Постоянная скорость, какой бы огромной она ни была, не создаёт горизонт. Свет всегда быстрее массивного объекта и в конце концов завершает погоню.
С ускорением картина меняется.
Импульс прилетает туда, где корабль находился раньше, но ракета уже ушла вперёд. Свет продолжает погоню. Расстояние сокращается, однако корабль за прошедшее время успел разогнаться.
Сначала ракета летела со скоростью 0,9 скорости света. Затем достигла 0,99. Потом 0,9999.
Свет остаётся быстрее, но преимущество становится всё меньше.
Можно представить погоню как бесконечную последовательность почти состоявшихся встреч.
Сначала импульс отстаёт на миллион километров. Затем на тысячу километров. Потом на метр, миллиметр и расстояние меньше атомного ядра.
Каждый миг свет приближается. Каждый миг корабль движется чуть быстрее, чем раньше. Последний промежуток не исчезает.
В математическом пределе импульс догонит корабль только через бесконечно долгое время. В физике фраза «через бесконечно долгое время» означает «никогда».
Путешественник не узнает, что его всё ещё ждут в кофейне.
Не каждый сигнал обречён. Импульс, отправленный достаточно рано или находившийся достаточно близко, успеет настичь ракету. Но сообщения, которые стартуют после определённого момента, уже не смогут пересечь растущую границу.
При постоянном ускорении, равном земному притяжению, критический масштаб времени составляет примерно один год в системе Земли. Точная картина зависит от выбранной траектории и момента начала разгона, но смысл остаётся прежним.
Если корабль продолжит ускоряться вечно, поздние сигналы с Земли перестанут его достигать.
Экипаж при этом не нарушает запрет на сверхсветовое движение. В любой момент скорость ракеты остаётся меньше скорости света. Горизонт возникает не потому, что корабль обогнал фотон.
Причина скрыта в форме траектории.
Корабль всё время меняет собственную систему отсчёта. Новая система отличается от предыдущей. Постоянное ускорение складывает такие изменения в особую линию движения по пространству-времени, которая приближается к световой траектории, но никогда её не пересекает.
Световой импульс летит по прямой линии в пространстве-времени. Путь ракеты изгибается так, что некоторые лучи остаются по другую сторону недостижимой границы.
Горизонт Риндлера рождается не в определённой точке пространства. Его создаёт история движения наблюдателя.
Не скорость прячет Вселенную. Вселенную прячет непрерывное ускорение.
Корабль вырезает из мира область, которая продолжает существовать
Самая странная часть горизонта Риндлера заключается в том, что за ним ничего не исчезает.
Земля остаётся на месте. Люди продолжают жить. Радиостанции передают сообщения. Звёзды излучают свет. Никакая космическая катастрофа не уничтожает оставленную область.
Недоступность возникает только для ускоряющегося путешественника.
Человек на Земле может следить за кораблём, хотя поступающие от него сигналы будут становиться всё слабее, краснее и запаздывать всё сильнее. Другой космический аппарат, летящий по подходящей траектории, сможет принимать земные сообщения без проблем.
Только экипаж бесконечно ускоряющейся ракеты теряет связь с частью событий.
Стоит выключить двигатели, перейти к равномерному движению или развернуться, и горизонт изменится. Некоторые сигналы, казавшиеся потерянными навсегда, снова получат шанс догнать корабль.
Поэтому горизонт Риндлера нельзя считать физической стеной, построенной в космосе. Стена зависит от наблюдателя и его будущих решений.
Такой вывод звучит почти философски.
Мы привыкли считать реальность единым набором вещей, который одинаково доступен всем. Звезда существует, значит каждый наблюдатель рано или поздно может её увидеть. Событие произошло, значит информация о нём когда-нибудь распространится по Вселенной.
Теория относительности отвечает жёстче.
Существование события не гарантирует его доступность. Между событием и наблюдателем должен существовать допустимый причинный путь.
Ускорение способно такой путь закрыть.
Получается, что будущее зависит не только от места, где находится человек, и не только от его скорости. Значение имеет вся траектория, включая решения, которые ещё не приняты.
Пока двигатели работают, за кораблём постепенно формируется область причинной тишины. Там могут происходить войны, рождаться цивилизации, взрываться звёзды и отправляться сигналы. Для путешественника такие события не войдут в наблюдаемую реальность.
Не потому, что информация движется слишком медленно.
Не потому, что расстояние бесконечно.
Не потому, что между кораблём и источником стоит препятствие.
Путешественник выбрал траекторию, которая больше не пересекается с будущим этих сигналов.
В первой части скорость изменила время и расстояние. Во второй части движение сжало звёздное небо в раскалённый конус. Теперь ускорение отрезало часть Вселенной, не сдвинув ни одной звезды.
Но ускорение готовит ещё более странный сюрприз.
Обычный инерциальный наблюдатель назовёт пространство вокруг корабля пустым вакуумом. Ускоряющийся экипаж может описать тот же вакуум как тёплую среду, наполненную частицами.
Никто ничего не добавлял в пространство. Никакое излучение не включалось. Меняется сам ответ на вопрос, что считать пустотой.
В четвёртой части мы разберём эффект Унру и выясним, почему для ускоряющегося наблюдателя вакуум начинает светиться, а понятие «частица» оказывается зависимым от движения.
