Стивен Хокинг. О дружбе и физике - Леонард Млодинов

Обычно знакомство с черными дырами на уровне популярных знаний, да и множество специальных работ по черным дырам, ограничивается простейшим случаем – черными дырами с нулевым зарядом, у которых отсутствует вращение. Единственная характеристика таких черных дыр – их масса. Но Зельдович принял во внимание вращение черных дыр. Он предложил идею, казавшуюся очень странной на тот момент, а именно: вращающиеся черные дыры должны излучать энергию.

Согласно Зельдовичу, излучаемая черной дырой энергия берется из ее энергии вращения. Излучение будет все больше и больше истощать энергию вращения, черная дыра будет вращаться все медленнее и медленнее, пока, наконец, не остановится и не перестанет излучать.

В отличие от теории Бекенштейна, идея о том, что вращающаяся черная дыра будет излучать энергию, не выглядела слишком радикальной, ломающей все устои, потому что излучаемая энергия извлекалась из вращения черной дыры, а не из ее массы. Вращающаяся черная дыра могла сохранять свою массу неизменной и все-таки излучать. Ей вовсе не нужно было истощаться и исчезать в процессе излучения.

Зельдович опубликовал свои идеи, но его аргументация была сложной, а математические аспекты вызывали некоторые вопросы. На его статью не обратили должного внимания, а потом и вовсе о ней забыли. Но, когда Зельдович рассказал Стивену о своей теории в гостиничном номере, Стивен был заинтригован. Анализ Зельдовича был основан на законах гравитации и квантовой теории. В идеале следовало бы использовать теорию квантовой гравитации, но ее еще не существовало, и Зельдович попытался осторожно совместить элементы общей теории относительности (рассматривая гравитационный аспект) и физики элементарных частиц (когда дело касалось квантового аспекта). Стивен скептически отнесся к методу Зельдовича и решил исследовать процесс с помощью своих собственных геометрических методов.

Анализ Стивена убедил его в том, что в выкладки Зельдовича действительно вкралась ошибка, но вовсе не там, где предполагал Стивен. Работа Стивена подтвердила, что вращающиеся черные дыры излучают энергию, но она также показала, что и черные дыры, у которых вращения нет, также излучают энергию. По расчетам Стивена получалось, что должны излучать все черные дыры – в полном согласии с теорией Бекенштейна об энтропии черной дыры.

Вначале Стивен подумал, что где-то в его расчетах есть ошибка. Возможно, неверно одно из приближений, сделанных в процессе работы? Но после повторного рассмотрения он не нашел ошибки. А когда Стивен рассчитал характеристики излучаемой энергии, оказалось, что они совпадают с теми, которые ожидались бы в случае правоты Бекенштейна.

Основная предпосылка Бекенштейна заключалась в том, что черные дыры должны иметь энтропию, не равную нулю. Это всех раздражало, потому что законы термодинамики предполагают: энтропия означает излучение. А все свято верили в то, что черные дыры излучать не могут. Эта вера была основана на общей теории относительности, при этом игнорировались эффекты квантовой теории. Открытие Стивена заключалось в том, что квантовые эффекты игнорировать ни в коем случае нельзя – квантовый подход существенным образом влияет на получаемые результаты. Стивен показал, что, если принимать во внимание квантовые эффекты, появляется тот самый тип излучения, который ожидается согласно гипотезе ненулевой энтропии Бекенштейна и который не может быть объяснен общей теорией относительности. Привлечение квантовой теории сделало правомерной теорию энтропии Бекенштейна.

Открытие Стивена обескуражило его самого, он некоторое время хранил молчание по этому поводу. Стивен пишет в «Краткой истории времени»: «Я боялся, что, если Бекенштейн разузнает о моем открытии, он поднимет его на щит и будет ссылаться на меня при доказательстве правоты своих идей». Но, как говаривал Ричард Фейнман, не физики диктуют природе, как себя вести, а природа раскрывает физикам свои тайны. И в конце концов Стивен вынужден был признать правоту Бекенштейна: черные дыры имеют ненулевую энтропию, которая пропорциональна площади поверхности горизонта событий; их температура не равна нулю; они медленно преобразуют вещество и энергию, которые «заглатывают», в излучение, а затем испускают его вновь в пространство, постепенно сжимаясь до тех пор, пока в конце концов полностью не исчезнут.

Стивен понимал, что стоит ему только объявить о своем открытии, и он сразу же встретится с таким же противодействием, с каким в свое время столкнулся Бекенштейн, и что ему придется с трудом защищать свою новую позицию. В отличие от Бекенштейна, уверенность Стивена была основана на убедительных расчетах. Но поскольку единой квантовой теории гравитации не существовало, у каждого физика было свое представление о том, как надо «подмешивать» квантовую теорию в общую теорию относительности и какие уравнения нужно при этом писать. Геометрический подход Стивена был знаком немногим, и поневоле многие стали бы подвергать сомнению то специфическое попурри, которое Стивен составил из двух теорий и использовал в своих выкладках. Но Стивен не боялся предстоящей битвы.

⁂

Стивен решил обнародовать свою теорию излучения черных дыр на конференции в лаборатории Резерфорда, расположенной к югу от Оксфорда. Поскольку незнакомые люди с трудом понимали Стивена, на доклад вместе с ним пошел его аспирант, Бернард Карр. Шел 1974 год, стоял февраль – унылая и холодная пора в Англии. Вначале Стивен не хотел выступать перед большим скоплением публики. Его уговорил Деннис Сиама, организатор конференции и бывший научный руководитель Стивена, которому он рассказал о своем открытии. Мартин Рис и Роджер Пенроуз тоже настаивали на выступлении. Все они с большим энтузиазмом восприняли полученные Стивеном результаты – все они были его друзьями.

Поскольку Стивен не мог полагаться на то, что его устная речь будет понятна слушателям, его стратегия заключалась в том, чтобы тезисы доклада были спроецированы на экран, тогда каждый сможет сам следить за ходом событий. Стивен не ожидал, конечно, что все сразу поймут его математические выкладки, но надеялся, что его аргументация прозвучит достоверно и убедительно. Он был уверен, что сможет ответить на любые вопросы, которые появятся у слушателей в зале после его доклада.

В этот день было много докладов. Стивен находился в лекционном зале, слушая один из них, а Джейн сидела в буфете в ожидании доклада Стивена, назначенного на одиннадцать часов. Несколько уборщиц отдыхали от работы, курили и пили кофе неподалеку. Стивен еще и не начал выступление, а Джейн уже получила оценку своего мужа от одной из этих женщин – оценку не его работы, а его личности.

– Это тот самый парень, который доживает последние дни? – спросила одна.

– Впечатление такое, как будто он трещит по швам, – ответила другая и рассмеялась.

Джейн поняла, что они говорят о Стивене. Вопреки ее желанию не обращать на них внимания, слова этих женщин заставили ее задуматься. Для Джейн состояние Стивена стало привычным. Со стороны он мог выглядеть хилым и болезненным, а ей он всегда казался нормальным. Конечно, она замечала ухудшение его здоровья, но вскоре приспосабливалась к изменениям, которые становились для нее новой нормой. Способность Джейн к адаптации была для нее благом. Это свойство характера позволяло ей находиться рядом с мужем и при этом не мучиться от постоянных мыслей о его скорой кончине. У нее были надежды и мечты, обращенные в будущее. Замечание посторонних наблюдателей о том, что Стивен стоит одной ногой в могиле, вылило на нее ушат ледяной воды.