Вселенная Стивена Хокинга - Стивен Хокинг

Это был восхитительный период, кульминацией которого стала летняя школа в Лез-Уш 1972 года, во время которой мы решили большую часть основных проблем теории черных дыр. Так, вместе с Дэвидом Робинсоном мы доказали «теорему об отсутствии волос», согласно которой черные дыры можно охарактеризовать всего двумя классическими параметрами – массой и угловым моментом вращения. Это вновь наталкивало на мысль о наличии у черных дыр энтропии, так как множество звезд могут коллапсировать, образуя черные дыры с одинаковой массой и угловым вращением.

Астрофизики шутят: эту картинку я напечатал на футболках, которые получили Кип Торн и Джон Прескилл. (Надпись на полотенце: «Природа не терпит голых сингулярностей».)

Эта теория была разработана прежде, чем были получены результаты наблюдения черных дыр, и это доказывало ошибочность мнения Фейнмана о том, что любая область активного исследования должна основываться на эксперименте. Единственное, что так и не удалось доказать, так это гипотезу о космической цензуре, хотя и все попытки опровергнуть ее не имели успеха. Но именно она является фундаментом для всех работ, так или иначе связанных с изучением черных дыр, поэтому я был крайне заинтересован в ее справедливости. Я даже заключил пари с Кипом Торном и Джоном Прескиллом. Его я пока не выиграл, но проиграть могу, если кому-нибудь удастся выдвинуть стоящий контраргумент против «голой» сингулярности. На самом деле я проиграл начальную версию данного пари, так как был недостаточно внимателен к формулировкам. Торн и Прескилл, однако, не слишком обрадовались футболке, которую я предложил им в качестве выигрыша.

Мы настолько преуспели в развитии классической общей теории относительности, что после выхода в свет книги «Крупномасштабная структура пространства-времени» в 1973 году у меня появилось свободное время. Наша работа с Пенроузом показала, что общая теория относительности в буквальном смысле разбивалась о проблему сингулярностей. Поэтому мне казалось логичным объединить общую теорию относительности, описывающую крупномасштабные явления, с квантовой теорией, имевшей дело с явлениями микроскопическими. Но мои познания в области квантовой механики были ничтожны, и решить проблему сингулярности в то время с налета не представлялось возможным. Поэтому для начала я решил рассмотреть, как частицы и поля, подчиняющиеся канонам квантовой теории, поведут себя вблизи черных дыр. В частности, мне было интересно, возможно ли получить атом, ядром которого будет крошечная первичная черная дыра, образовавшаяся в ранней Вселенной.

Астрофизики шутят: пари с Джоном Прескиллом

Чтобы ответить на этот вопрос, я изучил процесс рассеивания квантовых полей в непосредственной близости к черной дыре, ожидая, что часть случайной волны будет поглощена, а часть рассеется. Но, к своему изумлению, я обнаружил, что из черной дыры, по всей видимости, исходит излучение. Сначала я решил, что допустил ошибку в расчетах, но тот факт, что излучение было именно таким, чтобы отождествить площадь горизонта событий с энтропией черной дыры, убедил меня в обратном. Все сводилось к весьма простой формуле:

S = Ac3/4ћG,

где S – энтропия, а А – площадь горизонта событий. Это выражение строится на трех фундаментальных постоянных: c – скорости света, G – ньютоновской гравитационной постоянной и ћ – постоянной Планка и указывает на наличие не предполагавшейся ранее глубокой связи между гравитацией и термодинамикой.

Излучение, исходящее от черной дыры, будет лишать ее энергии, что приведет к потере массы и сжатию. В конце концов, по всей видимости, черная дыра, полностью испарившись, исчезнет. Эта проблема била физику в самое сердце. По моим расчетам выходило, что данное излучение было тепловое и случайное, впрочем, как и должно быть, если площадь горизонта событий является мерой энтропии черной дыры. Но как исчезнувшее излучение могло нести информацию о том, из чего создана черная дыра? В любом случае потеря информации несовместима с положениями квантовой механики.

Этот парадокс без особого успеха обсуждался на протяжении тридцати лет, пока, так мне по крайней мере казалось, я не нашел достойное объяснение. Информация не теряется, но и не возвращается в удобоваримом виде. Это похоже на сжигание энциклопедии: при сжигании информация, которая была в энциклопедии, формально не теряется, просто ее невозможно прочитать в остатках дыма и пепла. Тогда Кип Торн и я заключили пари с Джоном Прескиллом относительно информационного парадокса. Джон выиграл пари, и в качестве приза я подарил ему энциклопедию бейсбола, хотя, возможно, я должен был вручить ему лишь пепел от нее[63].

В 1974 году меня избрали в члены Королевского общества. Этот факт немало удивил моих коллег, потому что я был всего лишь очень молодым начинающим научным сотрудником. Но за три года мне удалось получить звание профессора.

После моего избрания Джейн как-то сникла, думая, что я достиг своего предела и в будущем буду только регрессировать. Но ее депрессия отступила после того, как мой друг Кип Торн пригласил меня и еще нескольких исследователей общей теории относительности в Калифорнийский технологический институт (Калтех).

Уже на протяжении четырех лет моими средствами передвижения были инвалидное кресло с ручным приводом и голубой трехколесный электромобиль, на котором благодаря его небольшой скорости я мог комфортно ездить и даже позволял себе, хотя и незаконно, брать пассажиров. В Калифорнии нам предоставили принадлежавший университету дом в колониальном стиле, находившийся совсем рядом с кампусом, и там же я впервые попробовал передвигаться на инвалидном кресле с электроприводом. Надо сказать, что это прибавило мне свободы и самостоятельности, принимая во внимание тот факт, что в Соединенных Штатах общественные здания и тротуары были гораздо лучше приспособлены для инвалидов, нежели в Британии. С нами жил один из моих аспирантов, который в обмен на проживание и повышенный интерес с моей стороны к его научной работе помогал мне утром подниматься, а вечером укладываться в постель, а также немного с едой.

Детям, Роберту и Люси, Калифорния тоже пришлась по душе. В школе, которую они посещали, опасались возможного похищения детей, поэтому забрать их из школы было не так просто. Вместо того чтобы просто встретить ребенка у ворот школы, родителям приходилось объезжать ее вокруг и по одному подходить к воротам, а в это время их чадо вызывали по громкоговорителю. Прежде я с таким никогда не сталкивался.