Стивен Хокинг. О дружбе и физике - Леонард Млодинов

Первый вклад Стивена в физику черных дыр касался горизонта событий – ключевого понятия в определении этих экзотических объектов. Простыми словами черную дыру можно описать так: это область в пространстве, которая обладает настолько огромной гравитацией, что ничто не в состоянии выскользнуть из нее наружу. Область пространства внутри черной дыры ограничивается ее горизонтом событий. Говоря словами Роджера Пенроуза, горизонт событий черной дыры – это «самое удаленное [от центра черной дыры] местоположение, где фотоны [свет], пытающиеся покинуть дыру, втягиваются обратно силами гравитации». Название рождено земной аналогией – точно так же, как мы на нашей планете не видим Солнце после того, как оно заходит за горизонт, внешний – по отношению к черной дыре – наблюдатель не может увидеть ничего, что происходит внутри горизонта событий черной дыры.

В своих работах, посвященных черным дырам, Роджер Пенроуз облек это определение в четкую математическую форму. Его формулировка звучала разумно и вскоре стала общепринятой. Но тут на горизонте физики черных дыр появился Стивен Хокинг. Он смекнул, что горизонт событий Пенроуза есть не что иное, как, выражаясь словами Кипа [Торна], «интеллектуальный тупик».

Подход Пенроуза грешил двумя недостатками. Первый затрагивал самую суть теории относительности и касался разногласий в измерениях, проводимых разными наблюдателями. Согласно теории относительности, для различных наблюдателей изучаемые области пространства могут иметь разные размеры и выглядеть по-разному, и измеряемые промежутки времени также будут отличаться – нестыковка в данных будет зависеть от силы гравитации вблизи наблюдателей и от их движения относительно друг друга. Это может внести путаницу в анализ. Но этот недостаток можно преодолеть: исследователи могут договориться между собой и придерживаться методологии измерений, которая не будет зависеть от конкретного наблюдателя. Такой подход снимает многие неопределенности. Во-первых, он гарантирует, что разные наблюдатели будут открывать одинаковые законы и перед их взором предстанут одинаковые явления. Кроме того, это упрощает математический аппарат. И наконец, – возможно, это самое важное – благодаря этому подходу нам становится гораздо проще интерпретировать полученные уравнения. А если пользоваться определением Пенроуза, граница черной дыры для разных наблюдателей будет выглядеть по-разному. Например, искатель приключений, погружающийся в глубь черной дыры, скорее всего, увидит горизонт событий по-иному, чем более осторожный путешественник, оставшийся снаружи. И чему же в таком случае отдать предпочтение? У вас будут два разных горизонта – зависит от того, откуда смотреть.

Другая проблема, связанная с подходом Пенроуза, заключается в скачкообразном изменении параметров горизонта событий в рамках его определения. Например, если черная дыра станет больше за счет того, что на нее упадет порция нового вещества, горизонт событий внезапно увеличится в размерах. В сложных ситуациях – таких, как столкновение двух черных дыр – эти резкие изменения будут неожиданными и весьма трудными для интерпретации.

Пенроуз знал о существовании этих проблем, но не отказывался от своего определения горизонта событий. В начале 1971 года Стивен Хокинг предложил более продуктивный способ истолкования его природы. Стивен призвал рассматривать горизонт событий не как область пространства в данный момент времени, – как это делал Пенроуз, – а как область в пространстве-времени. Таким образом, Стивен по-новому определил горизонт событий – а именно, как границу в пространстве и во времени, за которую не могут выходить такие сигналы, как световые лучи, и не могут попасть в отдаленные области Вселенной. Он доказал математически, что благодаря такому определению устраняются оба слабых звена, имеющихся в подходе Пенроуза. Граница черной дыры будет одной и той же для всех наблюдателей, она будет меняться плавно, не испытывая никаких скачков.

В чем же заключается разница между этими двумя определениями горизонта событий? Представьте себе черную дыру и летающие вокруг нее фрагменты вещества, суммарная масса которых очень велика. Пока они носятся снаружи, но вскоре будут захвачены и поглощены черной дырой[6]. Представьте также, что поблизости от черной дыры оказалась небольшая космическая ракета. Космонавт пытается преодолеть притяжение черной дыры и отлететь на безопасное расстояние. Для этого он включает реактивные двигатели на полную мощь, чтобы ускорить движение. Он пока еще вне черной дыры и есть надежда, что ему удастся ускользнуть от нее. Однако в тот момент, когда окружающее черную дыру вещество с огромной массой будет проглочено ею, дыра станет больше. Как только ее масса вырастет в достаточной степени, черная дыра своим притяжением захватит ракету. Космонавту не удастся вырваться из черной дыры.

Если описывать эти события с точки зрения Пенроуза, ракета вначале находится вне горизонта событий черной дыры. Мгновение спустя, когда огромная масса вещества падает внутрь, горизонт событий «подпрыгивает», и ракета оказывается внутри него. Вначале горизонт событий Пенроуза не отражает тот факт, что ракете не удастся вырваться из тисков черной дыры; это становится ясно только после того, как громадная масса «плюхнулась» в ее недра.

Что происходит с ракетой, если пользоваться тем определением горизонта событий, которое дает Стивен Хокинг? В рамках этого определения, если ракете суждено быть проглоченной черной дырой, чья масса возросла, то событие это не является сюрпризом. Дело в том, что горизонт событий Хокинга будет включать в себя ракету с самого начала. Другими словами, горизонт событий расширяется до того, как на черную дыру падает вещество. Поведение его зависит не только от состояния дел в настоящем, но и от того, что произойдет в будущем. Таким образом, здесь нарушаются законы причинно-следственных связей: следствие (увеличение горизонта событий черной дыры) предшествует причине (падению массы).

Определение горизонта событий с точки зрения Стивена требует знания полной истории пространства-времени, включая будущее, хотя на практике теми объектами, которые находятся далеко в пространстве и во времени, можно пренебречь. Такое определение, в котором нечто происходящее сейчас обусловлено развитием событий в будущем, в физике называется телеологическим. Физики позаимствовали это слово из философии – философы используют его для объяснения явлений не с точки зрения сиюминутной причины, а руководствуясь конечной целью того, что происходит сейчас.

Философы размышляли над телеологическими законами природы, по крайней мере, начиная с Аристотеля. Естествознание учит нас, что дождь начинается потому, что влага в облаках конденсируется в капельки воды, которые тяжелее воздуха. Но, по Аристотелю, у дождя иная причина: дождь идет для того, чтобы могли произрастать растения, которыми питается человек. Будущие запросы, полагал Аристотель, формируют настоящее. В большей или меньшей степени – в зависимости от склада характера – мы все принимаем решения в нашей жизни именно таким образом. Например, если вам предлагают съесть за ланчем кусочек чизкейка, можно не идти на поводу у сиюминутной прихоти, а принять во внимание меню будущего обеда. В физике, однако, силы действуют и тела реагируют на них в согласии с условиями, существующими в настоящем времени. Поэтому, хотя телеологические идеи и являются частью нашей повседневной жизни, они редко используются в физике. Телеологическое определение, данное Стивеном горизонту событий, – это сокровище, рожденное его творческой изобретательностью. Именно научное бесстрашие Стивена позволило ему пробудить к жизни и разработать идею, которая другими учеными, включая Пенроуза, была сброшена со счетов.