Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Оксфордский симпозиум больше походил на признание поражения, исключая удивительное выступление кембриджского физика Стивена Хокинга. Тема выступления касалась черных дыр и квантовой физики. В своем докладе Хокинг показал, что существует некая активная зона, в которой возможно объединение квантовой физики и общей теории относительности. Более того, он брался доказать, что на самом деле черные дыры не были черными, а испускали чрезвычайно тусклый свет. Это диковинное заявление за следующие четыре десятилетия позволило преобразовать квантовую гравитацию.

К началу 1970-х Стивен Хокинг стал неотъемлемой частью Кембриджа. Он работал на кафедре прикладной математики и теоретической физики. В возрасте всего тридцати лет он уже был авторитетом по общей теории относительности. Вышедший из группы учеников Денниса Сиамы, Хокинг работал с Роджером Пенроузом над доказательством существования в начале времен сингулярностей. В первой половине 1970-х он заинтересовался космологией и черными дырами, после чего совместно с Брэндоном Картером и Вернером Израэлем однозначно доказал отсутствие у черных дыр волос: черные дыры не сохраняют информацию о процессе своего формирования, а все дыры с одинаковыми массой, моментом импульса и зарядом неотличимы друг от друга. Кроме того, Хокинг получил интересные данные о размерах черных дыр. Он обнаружил, что поверхность Шварцшильда, или горизонт событий объекта, полученного слиянием двух черных дыр, должна быть больше или равна сумме их поверхностей Шварцшильда. На практике это означает, что если просуммировать область, занятую черными дырами до и после любого физического события, она всегда будет больше.

Всю эту работу Хокинг выполнял, уже будучи больным боковым амиотрофическим склерозом. В конце 1960-х он ходил по коридорам факультета с палочкой, опираясь на стены, и медленно, но неуклонно терял возможность перемещаться без посторонней помощи. Постепенно утрачивая возможность писать и чертить — существенный инструмент в арсенале физика-теоретика, — он развил умение анализировать все детали в уме, что позволило ему и дальше заниматься важными проблемами общей теории относительности и квантовой физики.

Можно сказать, что движущей силой крупного открытия Хокинга стало его недовольство идеей, которую продвигал Яаков Бекенштейн, молодой израильский аспирант Джона Уиллера. Бекенштейн хотел увязать черные дыры со вторым законом термодинамики. Воспользовавшись одним из результатов Хокинга, он выдвинул совершенно абсурдное утверждение, касающееся черных дыр. Хокинг счел это утверждение чрезмерно спорным и откровенно некорректным.

Для понимания сути вопроса нам потребуется совершить краткий экскурс в термодинамику — раздел физики, изучающий тепло, работу и энергию. Второе начало термодинамики (всего их четыре) гласит, что энтропия, или мера беспорядка системы, всегда увеличивается. Рассмотрим классический пример простой термодинамической системы: контейнер с молекулами газа. Если молекулы находятся в состоянии покоя и аккуратно сконденсированы в одном из углов, энтропия системы низка — беспорядок практически отсутствует. Кроме того, стационарные частицы не могут ударяться о стенки контейнера и нагревать его, поэтому температура системы низка. А теперь представьте, что молекулы пришли в движение. Они свободно перемещаются по контейнеру, случайным образом заполняя пространство и сдвигая систему в состояние с высокой энтропией. То есть распределение молекул внутри контейнера становится менее упорядоченным. Во время перемещений они сталкиваются со стенками контейнера, передавая им некую энергию, что приводит к росту его температуры. Чем быстрее двигаются молекулы, тем быстрее они перемешиваются и тем быстрее увеличивается энтропия, пока не достигнет максимума. Ведь чем выше скорость молекул, тем меньше вероятность собрать их в спокойное упорядоченное состояние с низкой энтропией. Кроме того, более быстрые молекулы передают стенкам контейнера больше тепла, еще сильнее нагревая систему. Фактически мы видим две вещи: контейнер стремится перейти в состояние с более высокой энтропией, а энтропия непосредственно связана с температурой.

Бекенштейн решил рассмотреть парадоксальное явление: что произойдет, если бросить в черную дыру контейнер с неким содержимым. В качестве содержимого могло выступать что угодно: энциклопедии, газообразный водород, кусок железа. Для простоты рассмотрим все тот же контейнер с газом. Контейнер исчезнет в черной дыре и очень быстро в действие вступит теорема «об отсутствии волос». Способа узнать, чем был наполнен контейнер, не существует. Вся информация о нем теряется. Но одновременно весь беспорядок, созданный газом в контейнере, — вся энтропия — тоже исчезает, а значит, общая энтропия Вселенной уменьшается. Получается, что черные дыры нарушают второе начало термодинамики.

Способ спасения второго начала термодинамики Бекенштейн увидел в результатах Хокинга. Когда мы бросаем нечто в черную дыру, ее горизонт событий никогда не уменьшается — он остается тем же самым или растет. Из этого Бекенштейн заключил, что для соблюдения во Вселенной второго начала термодинамики черные дыры должны обладать энтропией, пропорциональной площади их поверхности. Этого увеличения площади хватит для компенсации уменьшения беспорядка, вызванного исчезновением за горизонтом событий, поэтому энтропия Вселенной никогда не уменьшается. Однако доведя этот парадокс до логического конца, Бекенштейн пришел к странному выводу. Если черная дыра обладает энтропией, то, как и у контейнера с молекулярным газом, у нее должна быть температура. На этом этапе он ощутил, что заходит слишком далеко, поэтому в статье написал: «Подчеркиваю, что параметр Т не следует считать температурой черной дыры, так как подобное отождествление легко приводит к парадоксам разного рода и, соответственно, не имеет смысла».

Несмотря на оговорки Бекенштейна, Хокинг воспринял его утверждение с раздражением. В соответствии с законами термодинамики не существует способа увеличить энтропию черной дыры, не заставив ее каким-то образом излучать тепло.

Для Хокинга это было чересчур. Он считал черные дыры поглощающими: объект мог провалиться в черную дыру, но совершенно точно не мог выйти наружу. Факт невозможности уменьшения поверхности черной дыры, доказанный им самим, мог выглядеть как энтропия, но на самом деле не имел к ней отношения — энтропия в данном случае была всего лишь приемлемой аналогией для объяснения поведения.

Тем не менее существовали зацепки, указывающие на возможную правоту Бекенштейна. Во-первых, в 1969 году Роджер Пенроуз обнаружил, что вращающаяся черная дыра, описанная в решении Керра, может излучать энергию. Представим частицу, перемещающуюся со скоростью, близкой к скорости света, в момент попадания в зону притяжения черной дыры Керра. Бели она распадется на две частицы, одна из них может втянуться в горизонт событий, а вторая ускориться и удалиться прочь с увеличившейся энергией, сохранив общую энергию системы и Вселенной. Во время этого странного процесса, известного как сверхизлучение Пенроуза, черные дыры по сути дела испускают энергию, как будто светясь каким-то странным образом. Имелись и другие факты. В 1973 году Стивен Хокинг, посетив Якова Зельдовича и его более молодого коллегу Алексея Старобинского, узнал, что они тоже рассматривают процессы, происходящие с черной дырой Керра. С их точки зрения, она должна избавляться от окружающего ее квантового вакуума и использовать его энергию для излучения своей, а значит, на самом деле испускать свечение.