Стивен Хокинг. Непобедимый разум  - Китти Фергюсон

Но тут возникает затруднение. Нарастание энтропии означает повышение температуры. Объект, которому присуща энтропия, не может быть совершенно холодным, а если у него есть температура, объект должен излучать энергию. Раз излучается энергия, мы уже не вправе говорить, что “оттуда” ничего не исходит. Но ведь из черной дыры ничего не должно исходить.

Хокинг счел гипотезу Бекенштейна ошибочной и даже сердился, что Бекенштейн, мол, исказил его открытие о неубывании горизонта событий. В 1972 и 1973 годах вместе с двумя другими физиками, Джеймсом Бардином и Брэндоном Картером, он, казалось бы, двигался навстречу этой гипотезе, разработав в итоге целых четыре закона механики черной дыры, практически совпадающих с четырьмя хорошо известными законами термодинамики, – нужно лишь заменить выражение “горизонт событий” на термин “энтропия”, а вместо “сила притяжения на поверхности горизонта” писать “температура”[105]. Тем не менее три соавтора продолжали настаивать, что это всего лишь аналогия, и в окончательной версии своей статьи[106] подчеркивали, что четыре закона механики черной дыры хотя и похожи на законы термодинамики, но отнюдь с ними не совпадают. Сколько бы мы ни проводили параллелей между свойствами энтропии и областью внутри горизонта событий, в черной дыре энтропии нет, писали они, поскольку из нее ничего не исходит. Такой аргумент Бекенштейну крыть было нечем, и все же, хотя он был в ту пору аспирантом, а эти трое уже сделали себе имя в науке, Бекенштейн не сдавался. В итоге выяснилось, что ошибались Хокинг, Бардин и Картер. Сам же Хокинг и доказал это.

В 1962 году, когда Хокинг поступил в Кембридж, он предпочел космологию, науку о бесконечно больших, квантовой механике, науке о бесконечно малых. Теперь, в 1973 году, он решил сменить угол зрения и изучить черные дыры как раз с точки зрения квантовой механики. Впервые кто-то всерьез – и с успехом – попытался объединить две главные физические теории ХХ века, теорию относительности и квантовую механику. Как мы знаем из главы 2, несводимость этих теорий стала главным препятствием на пути к созданию теории всего.

В январе 1973 года Хокингу исполнился 31 год. Новый год принес ему публикацию его первой книги, написанной в соавторстве с Джорджем Эллисом и посвященной Деннису Сиаме. Эту работу, “Крупномасштабная структура пространства-времени”, Хокинг теперь считает “крайне специальной и едва ли читабельной”[107]. Книгу до сих пор можно отыскать на полках академических книжных магазинов, и любой читатель, кроме специалиста по физике, пожалуй, согласится с таким суждением автора, если попытается ее пролистать. Бестселлером, подобным “Краткой истории времени”, этой работе не стать, но в своей области она признана классической.

В августе и сентябре того же года, в длинные университетские каникулы, Хокинги съездили в Варшаву на празднование пятисотлетия со дня рождения Николая Коперника, а оттуда дальше на восток, в Москву. Они пригласили в эту поездку и Кипа Торна, поскольку тот уже пять лет сотрудничал с советскими физиками и знал ходы и выходы в Союзе. Хокинг хотел потолковать с Яковом Борисовичем Зельдовичем и его аспирантом Александром Старобинским. Эти двое советских ученых сумели доказать, что принцип неопределенности подразумевает: вращаясь, черная дыра создает и испускает частицы, порожденные энергией вращения. Излучение не выходит за пределы горизонта событий, оно притягивается обратно и замедляет вращение черной дыры, пока вращение вовсе не остановится, а вместе с вращением прекратится и излучение. Хокинг заинтересовался идеями Зельдовича и Старобинского, однако их вычисления его не устраивали. После этой встречи он вернулся в Кембридж с твердым намерением отыскать математическое решение получше.

Хокинг ожидал, что его подсчеты подтвердят: черная дыра испускает то самое излучение, которое предсказывали русские, однако он открыл нечто куда более поразительное: “К собственному изумлению, я обнаружил, что даже невращающиеся черные дыры должны с постоянной интенсивностью порождать и испускать частицы”[108]. Сперва Хокинг заподозрил собственные вычисления и много времени провел в поисках ошибки. В особенности он не хотел, чтобы о таком повороте событий прознал Бекенштейн, ведь выходило, что тот был прав, отождествляя площадь горизонта событий и энтропию. Однако чем дольше Хокинг размышлял об этом, тем очевиднее становилось, что его вычисления вполне соответствуют истине. И вот что интересно: спектр испускаемых частиц как раз соответствовал излучению любого объекта с повышенной температурой.

Бекенштейн, выходит, был прав: нет смысла бросать вещество в черные дыры, словно в огромные урны, – энтропия от этого не уменьшится и порядка во вселенной не прибавится. Вещество, обладающее энтропией, провалится в черную дыру, площадь горизонта событий увеличится, энтропия черной дыры возрастет. Суммарная энтропия вселенной внутри черной дыры и за ее пределами никак не уменьшится.

Однако Хокингу предстояло расправиться с загадкой посложнее: как может черная дыра быть горячей и испускать частицы, если ничто не выходит за пределы горизонта событий? Ответ он нашел в квантовой механике.

Рассуждать о пространстве как о вакууме не вполне правильно, ведь пространство, как мы уже убедились, не бывает совершенно пустым. Сейчас мы поймем, почему это так.

Принцип неопределенности гласит: нам не дано точно знать и положение частицы, и ее количество движения одновременно в любой момент времени. И более того, мы не можем точно знать величину поля и скорость его изменения во времени. Чем точнее мы знаем величину поля, тем менее точно знаем скорость изменения, и наоборот – вечные качели. Зато величина поля никогда не бывает равна нулю: ноль – самое что ни на есть точное измерение как величины, так и скорости изменения, а принцип неопределенности не допускает такой точности измерения. В абсолютно пустом пространстве величина любого поля должна быть равна нулю. Нет нулевой величины поля – нет и пустого пространства.

Вместо пустого пространства, полного вакуума, которое мерещится “где-то там” большинству из нас, приходится иметь дело с минимальной неточностью, с некоторой неопределенностью насчет того, какова же величина поля в “пустом” пространстве. Вот один из способов постичь колебания величины этого поля, чуточку больше нуля – чуточку больше, но никогда не ровно ноль.

Постоянно возникают пары частиц – например, фотонов или гравитонов. Сперва пара держится вместе, затем распадается. Спустя невообразимо короткий промежуток времени эти частицы вновь соединяются, и происходит аннигиляция – частицы взаимно уничтожают друг друга. Квантовая механика учит, что такие события происходят все время и повсюду в так называемом “вакууме”. Возможно, эти частицы не “реальны”, то есть мы не сумеем зарегистрировать их с помощью приборов, но они и не плод воображения. Даже если эти частицы всего лишь “виртуальны”, мы знаем об их существовании, поскольку можем замерить их влияние на другие частицы.