Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку

Он решил потратить несколько оставшихся ему лет жизни на что-то полезное. Для него это означало решить одну из величайших задач физики: применить квантовую теорию к гравитации. К счастью, болезнь прогрессировала намного медленнее, чем предсказывали доктора, так что он мог продолжать новаторские исследования в этой новой области, даже когда оказался прикован к инвалидному креслу и утратил контроль над руками и ногами и даже голосовыми связками. Однажды меня пригласили выступить на организованной Хокингом конференции. Мне посчастливилось побывать у него дома, и меня поразили те гаджеты, которые позволяли ему продолжать исследования. Одним из них было устройство для переворачивания страниц. Можно было поместить в него журнал, и оно начинало автоматически перелистывать страницы. На меня сильное впечатление произвела целеустремленность Хокинга, его готовность сделать все возможное и невозможное, чтобы не дать болезни помешать ему двигаться к цели.

В то время большинство физиков-теоретиков работало над квантовой теорией, но небольшая кучка нонконформистов и твердолобых упрямцев пыталась найти новые решения уравнения Эйнштейна. Хокинг же задался другим, но при этом очень глубоким вопросом: что произойдет, если объединить эти две системы и применить квантовую механику к черной дыре?

Он понимал, что задача вычисления квантовых поправок для гравитации слишком сложна, чтобы ее решить, поэтому выбрал для себя более простое задание: рассчитать квантовые поправки только для атомов внутри черной дыры, игнорируя более сложные квантовые поправки гравитонов.

Чем больше Хокинг читал о черных дырах, тем яснее видел, что что-то здесь не так. Он начал подозревать, что традиционное представление, в соответствии с которым ничто не в состоянии покинуть черную дыру, нарушает квантовую теорию. В квантовой механике все очень неопределенно. Черная дыра выглядит идеально черной потому, что поглощает абсолютно все. Но идеальная чернота нарушает принцип неопределенности. Даже чернота должна быть неопределенной.

Хокинг пришел к революционному выводу о том, что черные дыры должны обязательно испускать очень слабое квантовое излучение.

Затем он показал, что излучение, испускаемое черной дырой, на самом деле представляет собой одну из форм излучения абсолютно черного тела. В расчете ему помогло осознание того, что вакуум – это не просто состояние пустоты, что на самом деле в нем буквально кипит квантовая активность. В квантовой теории даже пустота находится в состоянии постоянной бурлящей неопределенности, где электроны и антиэлектроны могут внезапно выскакивать из вакуума, затем сталкиваться и исчезать, вновь превращаясь в вакуум. Так что пустота на самом деле пенится квантовой активностью. Затем он понял, что если гравитационное поле достаточно интенсивно, то в вакууме могут возникать пары электрон – антиэлектрон, или так называемые виртуальные частицы. Если один из членов такой пары падает в черную дыру, а вторая частица улетает прочь, возникает то, что сейчас называют хокинговским излучением. Создание такой пары частиц подпитывается энергией, содержащейся в гравитационном поле черной дыры. Поскольку вторая частица покидает черную дыру навсегда, это означает, что суммарное содержание материи и энергии в черной дыре и ее гравитационное поле уменьшаются.

Этот процесс называется испарением черной дыры и описывает конечную судьбу всех черных дыр: они мягко светятся хокинговским излучением триллионы лет, пока не истощат свои силы и не умрут в яростном взрыве. Так что даже жизнь черных дыр конечна.

Через многие триллионы лет звезды Вселенной сожгут все свое ядерное топливо и погаснут. Только черные дыры останутся неизменными в эту мрачную эпоху. Но даже черные дыры должны со временем испариться, не оставив после себя ничего, кроме дрейфующего моря элементарных частиц. Хокинг задал себе еще один вопрос: что произойдет, если бросить книгу в черную дыру? Будет ли информация, содержащаяся в этой книге, потеряна навсегда?

Согласно квантовой механике, информация никогда не пропадает. Даже если сжечь книгу, то путем кропотливого анализа молекул сгоревшей бумаги можно ее полностью реконструировать.

Но Хокинг разворошил осиное гнездо противоречий, сказав, что информация, брошенная в черную дыру, на самом деле теряется навсегда и что квантовая механика в черной дыре вследствие этого нарушается.

Эйнштейн однажды сказал, что «Бог не играет в кости с миром», – то есть невозможно свести все к вероятности и неопределенности. Хокинг добавил к этому: «Иногда Бог бросает кости туда, где вы не можете их найти», имея в виду, что кость может остановиться внутри черной дыры, где квантовые законы, возможно, вообще не действуют. Так что, когда проходишь горизонт событий, законы неопределенности перестают работать.

Услышав это, физики как один встали на защиту квантовой механики, показывая, что продвинутые теории, такие как теория струн, о которой речь пойдет в следующей главе, говорят о сохранении информации даже в присутствии черных дыр. Через некоторое время Хокинг сдал назад и допустил, что был, возможно, неправ. Но при этом он предложил собственное новое решение. Может быть, когда вы бросаете книгу в черную дыру, информация не пропадает навсегда, как он считал прежде, а возвращается в форме хокинговского излучения. В слабом хокинговском излучении зашифрована вся информация, необходимая для воссоздания книги в первоначальном виде. Так что Хокинг, возможно, был неправ, но верное решение заключается в излучении, которое он же незадолго до этого обнаружил.

В заключение заметим, что вопрос о том, теряется ли информация в черной дыре, остается открытым и служит предметом горячих споров физиков. Но для его разрешения нам, возможно, придется ждать появления окончательной квантовой теории гравитации, включающей гравитонные квантовые поправки. А пока Хокинг обратился к следующему каверзному вопросу, связанному с объединением квантовой теории и общей теории относительности.

Сквозь кротовую нору

Если черные дыры все пожирают, то куда это девается?

Короткий ответ таков: мы не знаем. Возможно, настоящий ответ будет получен, когда нам удастся объединить квантовую теорию с общей теорией относительности.

Только когда мы сумеем наконец найти квантовую теорию гравитации (а не только вещества), можно будет ответить на следующий вопрос: что находится по ту сторону черной дыры?

Если слепо принять теорию Эйнштейна, мы окажемся в сложном положении, поскольку его уравнения предсказывают, что сила гравитации в самом центре черной дыры или в начале времен бесконечна, что не имеет смысла.

Однако в 1963 г. математик Рой Керр нашел совершенно новое решение уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры. Ранее, в работе Шварцшильда, черная дыра должна была коллапсировать в неподвижную крохотную точку, получившую название сингулярности, где гравитационные поля становились бесконечными и все сжималось буквально в точку. Но при анализе уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры Керр обнаружил странность.

Во-первых, такая черная дыра не схлопывается в точку. Вместо этого она коллапсирует в быстро вращающееся кольцо. (Центробежные силы, действующие на вращающееся кольцо, достаточно сильны, чтобы не дать этому кольцу схлопнуться под действием собственной гравитации.)