Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Но как Хокинг понял, что, хотя ничто, даже свет, не может выбраться за пределы горизонта событий, черная дыра все же может излучать теплоту вопреки этому принципу? Дело в том, что Хокинг решил изучить горизонт событий черной дыры с точки зрения квантовой теории. В то время большинство физиков полагало, что черные дыры, массивные космические объекты, подчиняющиеся принципам общей теории относительности, не имеют связи с квантовой теорией. В конце концов, квантовая теория — ключ к микроскопическому миру внутри атома. Однако у Хокинга было чувство, отчасти рожденное его беседами в Москве, что если изучить пустое пространство на границе и вокруг горизонта событий черной дыры с точки зрения квантовой теории, то можно узнать нечто интересное. Понять логику Хокинга непросто. Чтобы примерно представить, что он сделал, нам необходимо рассмотреть одно из самых причудливых следствий знаменитого “принципа неопределенности” квантовой физики — так называемую энергию вакуума.

Как видно из названия, вакуум не инертен, а находится в состоянии активного бурления. В любую секунду в нем вдруг появляются всплески энергии, которые заимствуют свою энергию из какого-то мгновения будущего. Обычно мы не имеем информации об этих флуктуациях, поскольку всплеск положительной энергии нейтрализуется всплеском отрицательной, следующим сразу за ним. Отрицательная энергия — странная вещь, но она существует! Эти всплески энергии принимают множество форм. Они могут проявляться в форме частиц, таких как электроны и позитроны, а также как кванты электромагнитной энергии — фотоны.

Хокинг предположил, что на границе горизонта событий черной дыры и сразу за ней с этой “нейтрализацией” возникают проблемы. Пространство и время там чрезвычайно сильно искривлены, и потому часть создаваемой отрицательной энергии отрывается от положительной энергии, которую в обычных обстоятельствах она бы уничтожала. Выживающая в результате положительная энергия может свободно излучаться из черной дыры. Отрицательная энергия падает в нее. Поскольку эта энергия отрицательна, в результате она делает черную дыру менее массивной.

Внешнему наблюдателю кажется, что черная дыра “испаряется”, постепенно сжимаясь по мере испускания энергии в форме так называемого “излучения” Хокинга.

Поразительно, что расчеты Хокинга позволили ему предсказать температуру этого излучения, испускаемого с горизонта событий. Как правило, она очень низка — на крошечную долю градуса выше абсолютного нуля. Однако это вполне ожидаемо в том случае, если, как отметил Бекенштейн, энтропия черной дыры пропорциональна площади поверхности ее горизонта событий. “Но в конце концов оказалось, что Бекенштейн в принципе был прав, хотя наверняка даже не представлял себе, каким образом”, — писал Хокинг впоследствии.

Из цилиндра физики вытащили кролика. Хокинг и Бекенштейн показали, что три великие идеи современной физики — общая теория относительности, квантовая механика и термодинамика — слаженно работают друг с другом. По этой причине энтропия и излучение черных дыр заняли господствующее положение в современной физике, ведь ученые сегодня ищут так называемую грандиозную единую теорию, Священный Грааль единого принципа, который объясняет природу — мир, Вселенную, все на свете — на самом фундаментальном уровне.

За десятилетия, прошедшие с открытий Хокинга и Бекенштейна, сформировался консенсус, что площадь поверхности горизонта событий черной дыры и есть ее энтропия. Эта странная мысль намекает на фундаментальный принцип организации нашей Вселенной. Энтропия обычно представляется нам трехмерным феноменом. Так, энтропия сосуда с горячим газом есть сумма всех разных, но неотличимых друг от друга конфигураций атомов газа внутри сосуда в трех пространственных измерениях. Как же этот явно трехмерный процесс превращается в двумерный на поверхности горизонта событий?

Порождая огромное количество исследований в последние десятилетия, на арену вместе с термодинамикой, квантовой теорией и общей теорией относительности вышла еще одна область физики — теория информации. Чтобы понять почему, снова представьте, как сосуд с горячим газом падает в черную дыру. Теоретически для расчета энтропии газа можно составить невообразимо длинный список положений всех молекул газа и указать направление их движения. Затем можно преобразовать каждую единицу этого списка в двоичное число по методу, открытому Клодом Шенноном в 1940-х годах. При этом получится полное описание содержимого газа, выполненное в форме длинной последовательности нулей и единиц. Держа это в уме, вспомните, что, согласно Бекенштейну и Хокингу, когда сосуд с газом попадает в черную дыру, площадь поверхности ее горизонта событий увеличивается соразмерно энтропии газа. Это все равно, как если бы площадь поверхности горизонта событий черной дыры увеличивалась ровно настолько, чтобы на ней умещались все кодирующие энтропию газа нули и единицы.

Применяя формулы Бекенштейна и Хокинга, физики могут сказать, какую площадь на поверхности горизонта событий занимает одна цифра из двоичного числа, описывающего энтропию газа. Это маленький участок — примерно 4 X 10-66 см2. Следовательно, можно представить, что поверхность горизонта событий черной дыры покрыта крошечными плитками, каждая из которых содержит один “бит” информации, описывающей энтропию всего, что падает внутрь.

Математика показывает, что площадь поверхности горизонта событий увеличивается на необходимое количество плиток, чтобы записать каждый “бит” энтропии, падающей в черную дыру. В качестве приблизительной визуальной аналогии представьте, как масло выливается на сферу, покрывая ее очень тонким слоем. Чем больше масла льется на сферу, тем больше становится сфера, чтобы слой масла оставался предельно тонким. Подобным образом наблюдателям снаружи черной дыры кажется, что никакие объекты в нее не падают. Вместо этого они распределяются тонким слоем по горизонту событий.

Каждая треугольная плитка содержит один бит информации. Вместе они описывают энтропию всего, что находится внутри черной дыры

Это натолкнуло физиков на мысль сравнить горизонт событий черной дыры с голограммой. В обоих случаях мы имеем дело с двумерными поверхностями, которые содержат всю информацию, необходимую для создания полного трехмерного изображения. Это не 3D-картины, которые показывают в кино и которые лишь создают иллюзию трехмерности. Если обойти голограмму объекта по кругу, она будет казаться настоящим трехмерным объектом. При этом вся информация, необходимая для ее создания, хранится на плоском фрагменте пленки. Так называемый голографический принцип позволил физикам предположить, что двумерная информация на горизонте событий черной дыры в некотором роде “реальнее” трехмерных объектов, упавших в нее, поскольку горизонт событий черной дыры остается доступен нашей части Вселенной, в то время как упавшее в нее оказывается потеряно навсегда.

Все это приводит нас к еще более невероятному выводу: возможно, вся информация, описывающая нашу Вселенную, хранится на двумерной поверхностной оболочке, которая ее окружает.