Чудовища доктора Эйнштейна
Шрифт:
В этой теории имеется лишь два типа сингулярности пространственно-временного континуума. Сингулярность может быть вызвана сжатием материи до достижения бесконечной плотности (как в черной дыре) или возникнуть, когда свет приходит из области пространства с бесконечной искривленностью и плотностью энергии (как при Большом взрыве). Первую можно сравнить с плоским продырявленным листом бумаги или с краем листа, вторая не имеет точной аналогии. Любая частица, движущаяся вдоль листа бумаги, просто исчезает, натолкнувшись на сингулярность. Хокинг и Пенроуз решили провести общее исследование. Они отказались от многочисленных допущений и доказали знаменитую серию теорем о сингулярности, продемонстрировав, что в общей теории относительности сингулярности неизбежны. Иными словами, это ее свойство, а не баг. Любая черная дыра должна иметь сингулярность массы, и любая расширяющаяся вселенная (такая, как наша) в обязательном порядке начинается с сингулярности энергии. В своей диссертации Хокинг использовал пример из космологии, что моментально подняло его на звездные высоты в тонких мирах теоретической физики [38] .
38
S. Hawking and R. Penrose, “The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology,” Proceedings of the Royal Society A 324 (1970): 539–48.
Затем
Один из «законов» Хокинга для черных дыр гласил, что площадь их поверхности всегда увеличивается. Когда материя падает в черную дыру, площадь горизонта событий растет, а при слиянии двух черных дыр площадь возникающего горизонта событий оказывается больше суммы площадей горизонтов событий их обеих. Это вызвало новые споры, закончившиеся поразительным выводом.
В 1967 г. Джон Уилер предположил, что черные дыры – очень простые объекты, для описания которых достаточно массы и момента импульса [39] . Мастер броских наименований, он назвал идею «теоремой об отсутствии волос», подразумевая, что большинство физических тел имеют «волосы» – детали, которые их характеризуют. Яаков Бекенштейн, один из магистрантов Уилера, попробовал соединить теорию Уилера с хокинговским пониманием площади поверхности черной дыры. Бекенштейн заявил, что площадь поверхности черной дыры является мерой ее энтропии. В расхожем употреблении энтропия означает непорядок. В физике энтропия – показатель количества возможных способов реорганизации атомов или молекул физического тела без изменения его общих свойств.
39
Электрический заряд – третье возможное свойство черной дыры. Однако, поскольку черные дыры образуются при коллапсе материи, являющейся электрически нейтральной, заряженная черная дыра считается искусственным построением, маловероятным в реальности. Электрическая сила на 40 порядков сильнее гравитации, и даже самый слабый электрический заряд препятствовал бы формированию черной дыры. Рой Керр обобщил решение уравнений черной дыры для случая ее вращения почти через 50 лет после первого решения Шварцшильда в работе: R.P. Kerr, “Gravitational Field of a Spinning Mass as an Example of Algebraically Special Metrics,” Physical Review Letters 11 (1963): 237–38. Общая теория относительности позволяет такую сложную геометрию пространственно-временного континуума, что уравнения лишь в редких случаях имеют полное решение, только приближенное, с широкими допущениями относительно симметрии.
Из теоремы «об отсутствии волос» следует, что у черных дыр нет энтропии, но, как указал Бекенштейн, ничто наблюдаемое в природе не свободно от действия второго закона термодинамики – энтропия всегда возрастает – и черные дыры не могут быть исключением [40] . Поскольку термодинамика – краеугольный камень физики, Хокинг принял аргумент Бекенштейна, но столкнулся с новой задачей. Если у черной дыры есть энтропия, то должна быть и температура. Если у нее есть температура, она должна излучать энергию. Но, если ничто не способно вырваться из черной дыры, как она может излучать энергию?
40
J.D. Bekenstein, “Black Holes and Entropy,” Physical Review D7 (1973): 2333–46.
Предложенное Хокингом решение этого противоречия ошеломило мир теоретической физики. Он заявил, что черные дыры испаряются. Вот как это происходит. В классической физике космический вакуум пуст, но, согласно квантовой теории, в нем постоянно возникают и уничтожаются «виртуальные частицы». Они существуют ничтожно малые промежутки времени, разрешенные принципом неопределенности Гейзенберга. В нормальных условиях эти пары частиц и античастиц или пары фотонов исчезают, ни на что не влияя, однако вблизи горизонта событий черной дыры мощная гравитация может разъединить виртуальные пары. Одна часть падает в дыру, а другая улетает прочь и становится реальной – так черная дыра излучает энергию (илл. 8). Источником энергии, необходимой для создания реальной частицы, является гравитационное поле черной дыры, вследствие чего ее масса уменьшается. Шутливо опровергая знаменитую остроту Эйнштейна о квантовой механике «Бог не играет с Вселенной в кости», Хокинг заявил: «Бог не только играет в кости, но иногда бросает их туда, где их невозможно увидеть» [41] .
41
S. Hawking and R. Penrose, The Nature of Space and Time (Princeton: Princeton University Press, 2010), 26. Хокинг написал много узкоспециальных статей об излучении и испарении черных дыр; наиболее доступной является статья: S. Hawking, “Black Hole Explosions?” Nature 248 (1974): 31–32.
Излучение
По мере изучения черные дыры представлялись все более странными объектами. Физики исследовали их свойства, подвергая сомнениям даже сам факт их существования. В 1935 г. Альберт Эйнштейн и Натан Розен предположили, что между двумя точками пространственно-временного континуума могут существовать «мосты» [42] . Черная дыра может находиться на любом конце такого моста, который Джон Уилер окрестил «кротовой норой» [43] . Общая теория относительности также допускает существование областей пространства-времени, в которые невозможно проникнуть извне, но откуда, однако, могут выходить свет и материя. Это так называемые белые дыры. Область черной дыры будущего может иметь область белой дыры в качестве своего прошлого. Ученые не наблюдали за кротовыми норами и белыми дырами, но, по замечанию Стивена Вайнберга «в физике так часто бывает – нашей ошибкой является не чрезмерно серьезное, а недостаточно серьезное отношение к собственным теориям» [44] .
42
A. Einstein and N. Rosen, “The Particle Problem in the General Theory of Relativity,” Physical Review Letters 48 (1935): 73–77.
43
Буквальный перевод слова wormhole – «червоточина». – Прим. пер.
44
S. Weinberg, The First Three Minutes (New York: Basic Books, 1988), 131.
В массовой культуре черные дыры стали символом смерти и разрушения. Однако в них заключена и надежда на трансформацию и вечную жизнь, поскольку на горизонте событий время застывает и никто не знает, что находится внутри. Романист Мартин Эмис писал: «Хокинг понимал черные дыры, потому что мог вглядываться в них. Черные дыры означают забвение. Смерть. Хокинг вглядывался в смерть всю свою взрослую жизнь» [45] .
45
M. Amis, Night Train (New York: Vintage, 1999), 114.
Пари о черных дырах
Со Стивеном Хокингом было выгодно держать пари – чаще всего он проигрывал [46] . Его первый спор касался гипотезы космической цензуры. В 1969 г. Роджер Пенроуз предположил, что сингулярности всегда «спрятаны» за горизонтом событий. За исключением Большого взрыва, голых сингулярностей не существует. Горизонт событий не даст наблюдателю увидеть материю, сдавленную до бесконечной плотности. Сингулярность оборачивается серьезными концептуальными проблемами для общей теории относительности, и потому физики надеялись, что черные дыры всегда имеют горизонт событий. В 1991 г. Хокинг поспорил на $100 с двумя физиками-теоретиками из Калтеха – Джоном Прескиллом и Кипом Торном, утверждая, что гипотеза космической цензуры верна и голых сингулярностей не существует. В 1997 г. моделирование на суперкомпьютере показало, что при определенных условиях коллапс черной дыры может привести к голой сингулярности, которая создана природой или, возможно, высокоразвитой цивилизацией. Хокинг признал свое поражение, выплатил проигрыш и подарил двум своим коллегам футболки с надписью: «Природа не выносит сингулярности».
46
A.Z. Capri, From Quanta to Quarks: More Anecdotal History of Physics (Hackensack, NJ: World Scientific, 2007).
В том же году Хокинг побился об заклад с Прескиллом, заявив, что информация в черной дыре уничтожается (на сей раз Торн занял его сторону). «Информация» в этом контексте связана с энтропией. Высокая энтропия означает беспорядок и малый объем информации. Например, нормальный газ сильно разупорядочен, и для его описания достаточно считаных единиц информации: плотность, температура и химический состав. Черные дыры обладают громадной энтропией, существенно превышающей формирующие их газовые шары, и, соответственно, описываются даже меньшим числом единиц, чем газ: нам известны только их масса и осевое вращение [47] . В принципе, черную дыру можно создать бесконечно разными способами – например, сжатием газа и каменной породы или даже книг и непарных носков, – но невозможно увидеть информацию извне. Затем черная дыра испаряется, выделяя неупорядоченное излучение. Что происходит с информацией – в первую очередь о том, из чего сделана черная дыра? Этот вопрос получил название информационного парадокса.
47
В обиходном значении энтропия означает беспорядок, но изначальное определение из физики связано с количеством эквивалентных микроскопических конфигураций системы. Поскольку имеется огромное число способов сделать черную дыру – по сравнению с относительно ограниченным количеством возможностей сделать звезду, энтропия черной дыры очень высока. С математической точки зрения черная дыра солнечной массы имеет энтропию в 100 млн раз выше, чем Солнце.