Краткие ответы на большие вопросы - Стивен Хокинг

Эта «Температура Хокинга» черной дыры и ее «Излучение Хокинга» (как их стали называть позже) – поистине радикальные открытия; возможно, самые радикальные в теоретической физике второй половины ХХ века. Мы увидели глубокую связь между общей теорией относительности (черные дыры), термодинамикой (физика тепла) и квантовой физикой (создание частиц там, где их не существовало). Например, это навело Стивена на мысль, что черная дыра обладает энтропией, а это означает, что где-то внутри или вокруг черной дыры существует огромная хаотичность. Он пришел к выводу, что количество энтропии (логарифм степени хаотичности дыры) пропорционально площади поверхности дыры. Формула энтропии[2] выгравирована на памятнике Стивену перед колледжем Гонвиль и Киз в Кембридже, где он работал.

Последние сорок пять лет Стивен и сотни других физиков стремились понять истинную природу хаотичности черной дыры. Это вопрос, который порождает новые мысли об объединении квантовой теории с общей теорией относительности, а если точнее, о плохо еще понимаемых законах квантовой теории гравитации.

Осенью 1974 года Стивен перевез своих аспирантов и семью (жену Джейн и детей – Роберта и Люси) в Пасадену, Калифорния, чтобы на год погрузиться в интеллектуальную жизнь моего университета – Калифорнийского технологического (Калтех) – и временно присоединиться к моей исследовательской группе. Это был славный год, который потом стали называть «золотым веком исследований черных дыр».

В течение этого года Стивен со своими и некоторыми из моих учеников старался глубже понять природу черных дыр. До некоторой степени я и сам занимался этой проблемой. Но присутствие Стивена и его ведущая роль в нашей объединенной исследовательской группе дали мне свободу заняться новым направлением (о чем я мечтал уже несколько лет) – гравитационными волнами.

Существует лишь два типа волн, которые способны перемещаться во Вселенной и доносить до нас информацию из ее глубин: электромагнитные (в том числе свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи, микроволны, радиоволны) и гравитационные волны.

Электромагнитные волны – это пульсирующие электрические и магнитные силы, которые перемещаются со скоростью света. Встречаясь с заряженными частицами, такими как как электроны в антенне радиоприемников и телевизоров, они приводят эти частицы в движение, тем самым передавая содержащуюся в них информацию. Эта информация может быть усилена и направлена в динамик или на телевизионный экран, становясь доступной для человеческого восприятия.

Гравитационные волны, согласно Эйнштейну – это пульсация искривленного пространства: пульсирующее растяжение и сжатие пространства. В 1972 году Райнер (Рай) Вайсс из Массачусетского технологического института изобрел детектор гравитационных волн. В этом устройстве, представляющем собой Г-образную вакуумную трубку, на концах и в месте изгиба располагались зеркала, которые в одном отрезке расходились благодаря расширению пространства, а в другом сходились благодаря сжатию пространства. Райнер предложил использовать лазерный луч для измерения характера пульсаций при расхождении и сжатии. Лазерный луч может извлечь информацию из гравитационных волн, а сигнал затем может быть усилен и передан в компьютер, чтобы стать доступным человеческому пониманию.

В основе изучения Вселенной с помощью электромагнитных телескопов стоит изобретение Галилеем небольшого оптического телескопа. Направив его на Юпитер, Галилей обнаружил четыре крупнейших спутника этой планеты. За четыре сотни лет, прошедших с тех пор, астрономия полностью преобразила наши представления о Вселенной.

В 1972 году я со своими учениками начал размышлять, о том, что можно узнать о Вселенной с помощью гравитационных волн. Мы стали разрабатывать идеи для гравитационно-волновой астрономии. Поскольку гравитационные волны – это форма искривления пространства, наиболее интенсивно их испускают объекты, которые полностью или частично состоят из искаженного пространства-времени, в частности именно черные дыры. Мы пришли к выводу, что гравитационные волны – идеальный инструмент для изучения и проверки гипотез Стивена о природе черных дыр.

В более широком смысле нам казалось, что гравитационные волны настолько сильно отличаются от электромагнитных волн, что благодаря им мы почти гарантированно сможем совершить новую революцию в понимании Вселенной, возможно, сопоставимую по масштабам с электромагнитной революцией, произошедшей после Галилея, – если эти неуловимые волны удастся обнаруживать и отслеживать. Но это значительное «если»: по нашим оценкам, гравитационные волны, которые окутывают Землю, настолько слабы, что зеркала в концах Г-образной трубки, придуманной Раем Вайссом, будут колебаться относительно друг друга не более чем на одну сотую диаметра протона (это 1/10 000 000 размера атома), даже если расстояние между зеркалами будет составлять несколько километров. Сложность измерения столь незначительных колебаний была колоссальной.

В общем, в течение того славного года, когда Стивен работал с моей исследовательской группой, я в основном занимался гравитационно-волновыми перспективами. Стивен помог мне в этом, поскольку сам со своим аспирантом Гэри Гиббонсом за несколько лет до этого спроектировал гравитационно-волновой детектор (но они его так и не построили).

Вскоре после возвращения Стивена в Кембридж я целую ночь разговаривал с Раем Вайссом в номере его вашингтонского отеля и окончательно убедился, что шансы на успех в области изучения гравитационных волн весьма велики и я должен посвятить свою дальнейшую карьеру, как и будущие исследования моих аспирантов, помощи Раю и другим экспериментаторам в осуществлении наших гравитационно-волновых идей. Остальное, как говорится, вошло в историю.

Четырнадцатого сентября 2015 года гравитационно-волновой детектор в обсерватории LIGO зарегистрировал первые гравитационные волны (сооснователями проекта, в котором было задействовано 1000 человек, являются Рай, я и Рональд Древер, а организатором и руководителем процесса был Барри Бариш).[3] Сравнив волновые характеристики с полученными на компьютерном симуляторе, наша команда пришла к выводу, что волны возникли от столкновения двух массивных черных дыр, которое произошло в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Это стало началом гравитационно-волновой астрономии. Наша команда достигла с гравитационными волнами того, что Галилей достиг с электромагнитными.

Я уверен, что в ближайшие десятилетия следующее поколение гравитационно-волновых астрономов будет работать с этими волнами не только для проверки физических законов черных дыр, выведенных Стивеном, но и для обнаружения и слежения за гравитационными волнами, возникшими при сингулярном рождении нашей Вселенной, тем самым проверяя идеи о возникновении нашей Вселенной, выдвинутые Стивеном и другими о ее возникновении.

В течение славного 1974/75 года, когда я занимался проблемами гравитационных волн, а Хокинг во главе объединенной группы изучал черные дыры, ему пришла в голову идея еще более блестящая, чем «Излучение Хокинга».[4] Он дал исчерпывающее, почти неоспоримое доказательство того, что черная дыра после испарения не выпускает содержащуюся в ней информацию. Информация, которая попадает в черную дыру, исчезает бесследно.

Радикальность этой идеи в том, что, согласно законам квантовой физики, информация не может исчезнуть окончательно. Но если Стивен был прав, черные дыры нарушают самый фундаментальный закон квантовой механики.

Как такое возможно? Излучение черной дыры подчиняется объединенным законам квантовой механики и общей теории относительности – плохо еще понимаемым законам квантовой гравитации. Таким образом, утверждал Стивен, пылкий союз теории относительности и квантовой физики должен вести к разрушению информации.

Подавляющее большинство физиков-теоретиков считают это утверждение неприемлемым. Они настроены крайне скептически. На протяжении сорока четырех лет они борются с этим так называемым парадоксом потери информации. Борьба вполне стоит мучительных усилий тех, кто в ней участвует, поскольку этот парадокс является важнейшим звеном для понимания законов квантовой гравитации. В 2003 году сам Стивен нашел способ, благодаря которому в процессе испарения черной дыры информация может вырываться наружу, но это не успокоило теоретиков. Стивен не доказал, что информация может покидать черную дыру. Поэтому борьба продолжается.

В прощальном слове при погребении пепла Стивена в Вестминстерском аббатстве я отметил эту борьбу следующими словами: «Ньютон дал нам ответы. Хокинг дал нам вопросы. И вопросы Хокинга сами по себе будут работать, генерируя научные прорывы еще не одно десятилетие. Когда мы наконец овладеем законами квантовой гравитации и полностью поймем, как родилась наша Вселенная, этим мы во многом будем обязаны именно Хокингу».