Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы
Шрифт:
Вероятно, в истории науки квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна являются самыми новаторскими теориями. Обе они фундаментальны, и обе описывают самый сущностный смысл нашего мира. Однако при попытке их объединить нам приходится преодолевать некий психологический барьер. И черные дыры, как никакие иные небесные объекты, демонстрируют этот неразрешимый конфликт.
Общая теория относительности описывает самое большое из всего большого – пространство-время. Жизнь каждого начинается и кончается в пространстве-времени; драма всей Вселенной проходит в пространстве-времени. Это театр, где разыгрывается
Все имеет время и место? Это верно? Нет! Ведь есть еще вторая, настолько же фундаментальная квантовая теория. Если теория относительности описывает очень большое, то квантовая теория рассказывает нам о самом малом из малого – о составе материи: о молекулах, атомах и элементарных частицах. При этом именно “строительные кирпичики” света – фотоны – делают пространство-время измеримым. Эти кванты света “вытягивают” пространство-время из мрака абстрактного математического описания на яркий свет данной нам в ощущениях реальности. Именно здесь встречаются теория относительности и квантовая механика.
Но, в отличие от теории Эйнштейна, в квантовой физике не у всего есть собственное место или собственное время. На протяжении очень коротких отрезков времени процессы могут идти и в одном, и в противоположном направлении. До тех пор, пока никто не видит частицу, она может одновременно находиться сразу в двух или в нескольких местах. В предельных случаях – на очень малых расстояниях и на очень коротких отрезках времени – квантовая теория открывает перед нами микроскопический мир, который чужд нам так же, как и макроскопический мир на краю черных дыр. Тем не менее обе теории, мирно уживаясь друг с другом, например, в смартфонах, вошли в нашу повседневную жизнь. Каждый чип, каждый полупроводник в нашем телефоне – это прикладная квантовая механика. Без квантовой механики не было бы интернета и процессоров компьютеров. Ну, а навигационная система телефона, с помощью которой мы определяем свой маршрут, использует результаты общей теории относительности.
На краю черных дыр происходит принципиальное столкновение этих двух теорий. Здесь должна “работать” совершенно новая физика, и на протяжении многих лет десятки тысяч самых блестящих ученых нашей планеты размышляют о том, какой эта новая физика должна быть. Однако явного успеха они пока не добились.
До сих пор это была чисто теоретическая проблема. Среди прочих ею занимался и выдающийся астрофизик Стивен Хокинг, пытавшийся понять, что происходит с квантовыми частицами на горизонте событий.
В физике квантовые объекты – самые маленькие из известных шалунов. Бог в своей бесконечной мудрости позволяет им вытворять такое, что нам и не снилось. Например, не спрашивая ни у кого разрешения, они могут “позаимствовать” немного энергии. Вся штука в том, что отдать ее обратно они должны так быстро, что никто этого не заметит.
Пустое пространство можно представить себе в виде гигантского пенящегося океана. Раз за разом брызги и капельки воды спонтанно взлетают в воздух, а затем падают вниз, вновь смешиваясь с водой в океане. Граница между океаном и воздухом размывается. Даже не плавая в воде, вблизи поверхности океана вы
Точно так же крошечные частицы появляются и опять исчезают и в пустом пространстве. Следовательно, на самом деле пустое пространство не совсем пустое – скорее, оно заполнено взвесью частиц. Но, естественно, чтобы создать частицу из ничего, требуется энергия. Откуда же она берется? Над океаном дует ветер, поставляющий энергию каплям воды, но в пустом пространстве ветра нет. Поэтому природа использует простой, известный всем бухгалтерам трюк – она на короткое время занимает энергию у виртуальных квантов света. При этом образуется квантовая пара, состоящая из двух во всем противоположных друг другу “близнецов” – частицы и античастицы. Можно даже сказать – миниангела и минидемона. Если одна из частиц заряжена положительно, то другая – отрицательно; если одна вращается вправо, то другая – влево; если одна из частиц – материя, то другая – антиматерия. Вернемся к аналогии с океаном: частица напоминает капельку воды в воздухе, а античастица – пузырек воздуха в океане.
Когда эти два “близнеца” встречаются, их свойства нейтрализуются – материя и антиматерия уничтожают друг друга. От них не остается ничего, кроме короткого виртуального выброса энергии, возвращающейся обратно в океан пространства-времени. Причем взятый долг (энергия) погашается и никто не может выставить счет.
Но это напоминает финансовый кризис. Подобную аферу можно продолжать только до тех пор, пока никто ничего не замечает и все долги выплачиваются. Если речь идет об океане, то схема начинает давать сбой с началом шторма. Капли сдуваются с поверхности моря в направлении порта и разбрызгиваются по земле. Создается ощущение, что океан теряет воду; люди на берегу становятся мокрыми. Правда, чтобы таким образом вычерпать весь океан, потребуется целая вечность; кроме того, его пополняют реки и дожди.
Согласно Хокингу, такой же процесс происходит на краю черных дыр. Горизонт событий – берег океана пространства-времени. Черная дыра выступает в роли шторма, а гравитационная энергия заменяет энергию ветра.
В своих публичных лекциях Хокинг описывал этот процесс примерно так: на краю черной дыры рождаются пары близнецов – частиц и античастиц, – которые занимают энергию у ее сильного магнитного поля. Прежде чем они смогут отдать свой долг и аннигилировать, один из близнецов исчезает за горизонтом событий. Его выживший собрат уже не может объединиться со своим “антиблизнецом” и исчезает в необъятных просторах космоса. Временно образовавшаяся пара частиц внезапно становится одной постоянной частицей.
Но теперь эта частица не может вернуть взятую в долг энергию – сделка стала невыгодной. Черная дыра одолжила две частицы, а обратно получила только одну. В результате она теряет энергию и массу: словно бы устойчивый легкий ветерок сдувает частицы с ее поверхности. Так в ветреный день можно почувствовать, что где-то рядом океан. Создается впечатление, будто черная дыра испускает излучение. Это – излучение Хокинга, о существовании которого ныне покойный британский ученый впервые заговорил в 1975 году.
Однако представление Хокинга о частице и античастице несколько неточно. В первую очередь оно объясняет метод расчета, используемый в квантовой механике. По сути дела, излучаются не частицы, а преимущественно фотоны, то есть свет с длиной волны, превышающей размер самой черной дыры. Кроме того, излучение испускается не прямо на горизонте событий, а исходит, скорее, из широкой области, окружающей черную дыру. Таким образом, это то же самое, как если бы источником излучения было гравитационное поле.