Стивен Хокинг. О дружбе и физике - Леонард Млодинов

На первый взгляд может показаться, что нюансы того, как именно теоретики определяют понятие горизонта событий черной дыры, не очень важны. Ведь формулировка того или иного термина – это выбор физиков, а не постулат, подобный закону природы. Но принципы, которые мы изобретаем, влекут за собой идеи, которые мы выдвигаем, и выводы, которые мы делаем из этих идей. Определение, данное Стивеном, оказалось мощным рычагом для рывка вперед и было широко воспринято другими учеными. Оно послужило путеводной звездой для их интуиции и сформировало в их воображении картины процессов, происходящих в черной дыре. Стивен назвал свой горизонт событий «абсолютным горизонтом», чтобы отличить его от «видимого» горизонта событий Пенроуза. Дав новое определение горизонту событий, Стивен по существу переосмыслил не только понятие горизонта, но и подход к изучению черных дыр.

⁂

Вооружившись новым принципом по отношению к черным дырам, Стивен с неукротимым упорством начал исследовать законы, следующие из общей теории относительности и управляющие черными дырами. Он, бывало, отключался на несколько дней кряду. Джейн пыталась заговаривать с ним о повседневных делах, но его не интересовало ничего, кроме мира физики. Она хотела получить от него уверение в том, что по-прежнему важна для него, но он был глух. Он без конца ставил на проигрывателе оперу Вагнера и работал под музыку – так же, как тогда, когда он узнал свой диагноз, так же, как делали его родители, когда он был ребенком. Джейн возненавидела Вагнера. Он стал для нее «злым гением», силой, внесшей раскол в их супружескую жизнь.

Вагнер сослужил плохую службу Стивену в его семейных отношениях, но помог ему совершить прорыв в науке. Говоря языком математики – сколько в одном месте убавилось, столько в другом прибавилось. Через полтора года неутомимой работы в сотрудничестве с двумя своими коллегами Стивен сделал второе важное открытие – он открыл законы механики черных дыр. Он сформулировал их в августе 1972 года. Ему в то время исполнилось всего лишь тридцать лет. Стивен выяснил, как именно растут черные дыры при падении на них вещества и что происходит при их взаимодействии с другими черными дырами.

Законы Стивена опередили свое время. Первые наблюдения, которые подтвердили косвенно, но с большой долей вероятности, что черные дыры существуют, были проведены только около 1990 года: предположительно, черной дырой оказался небесный объект Лебедь X-1. А первое непосредственное наблюдение возмущений пространства-времени, являющихся свидетельством столкновения черных дыр, – обнаружение гравитационных волн – произошло только в 2015 году во время проведения эксперимента LIGO[7]. За это открытие Кип Торн с коллегами получили Нобелевскую премию. Первое (почти) прямое наблюдение самой черной дыры свершилось в 2019 году, через год после смерти Стивена.

Хотя прямые наблюдения черных дыр во времена Стивена были невозможны, он был убежден, что черные дыры могут предоставить нам уникальную информацию о природе гравитации, пространства и времени, а также раскрыть секреты, которые остаются под покровом тайны в обычных обстоятельствах. Интуиция его не подвела.

Открытие законов механики черных дыр явилось важным шагом на пути к пониманию природы этих экзотических объектов. Эти законы имели странную особенность, которая также оказалась важной: они были очень похожи на законы из другой области физики, термодинамики, изучающей законы распространения тепла. По существу, все законы, описывающие поведение черных дыр, оказались идентичными законам термодинамики; надо было только заменить некоторые понятия в термодинамике на соответствующие понятия в физике черных дыр.

Рассмотрим, в частности, один из законов, действующих в мире черных дыр, – закон возрастания площади черной дыры. Согласно этому закону, при любом взаимодействии черных дыр – сливаются ли они друг с другом, поглощают ли материю, сталкиваются ли, и так далее, – общая сумма площадей всех горизонтов событий черных дыр всегда возрастает. Для обычных объектов это не так. Например, если вы возьмете два одинаковых пластилиновых шарика, сомнете их в один пластилиновый ком и затем сформируете новый шар, простая школьная математика подскажет вам, что площадь поверхности этого шара будет примерно на двадцать процентов меньше, чем сумма площадей поверхностей первоначальных шариков. Но вследствие кривизны пространства, если смять вместе две черные дыры, горизонт событий – аналог поверхностной площади – окажется больше суммы исходных горизонтов.

Физики немедленно взяли на заметку тот факт, что теорема возрастания площади поразительно похожа на второй закон термодинамики. Теорема возрастания площади утверждает, что при любом взаимодействии черных дыр сумма площадей горизонтов событий черных дыр всегда растет. Второй закон термодинамики утверждает, что при любом физическом взаимодействии энтропия (степень случайности) любой закрытой системы всегда растет. Замените термин «площади горизонтов событий» на слово «энтропия», и закон о черных дырах превратится в закон термодинамики.

Практически все физики полагали, что сходство между этими законами было просто совпадением, хотя и необычным. Но студент-магистрант из Принстона по имени Яаков Бекенштейн придерживался иного мнения. Бекенштейн предположил, что соответствие законов следует понимать буквально, а именно, что энтропия черной дыры пропорциональна площади поверхности ее горизонта событий.

Энтропия является мерой беспорядка. Например, в кубике льда молекулы воды расположены в виде правильных шестиугольников, в то время как в жидкости те же молекулы воды хаотически перемещаются. Кубик льда, таким образом, имеет относительно низкую энтропию; когда он тает, энтропия увеличивается. В общем случае, система с низкой энтропией – это упорядоченная система, или простая система, содержащая не так много составных частей, которые могут прийти в беспорядок. С другой стороны, типичная система с высокой энтропией – это сложная система, в которой господствует хаос.

Что касается черной дыры, то она казалась слишком простой, чтобы находиться в состоянии беспорядка. Однажды образовавшись, она пребывает в неизменном состоянии и покоится в пустом пространстве, как бильярдный шар в лузе. Нет составных частей – нечему приходить в беспорядок. Если никакого беспорядка в черных дырах нет, то и энтропия, следовательно, равна нулю. Идеи Бекенштейна противоречили этой картине и были встречены повсеместным зубоскальством.

Была еще одна причина, по которой теория Бекенштейна была принята в штыки. В соответствии с законами термодинамики, любое тело с энтропией выше нуля должно иметь температуру больше нуля – оно не может быть совершенно холодным. А если температура тела выше абсолютного нуля, оно должно испускать излучение, то есть будет светиться[8].

В этом-то и заключается проблема, потому что при излучении тело выделяет энергию. Энергия берется из массы черной дыры. Другими словами, «светящаяся» черная дыра будет медленно преобразовывать свою массу в электромагнитную энергию (в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc²), которая будет излучаться в окружающее пространство[9]. Черная дыра будет постепенно сжиматься и в конце концов полностью исчезнет. В каком-то смысле она попросту испарится, так как все ее содержимое истечет в виде излучения.