Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики - Сасскинд Леонард

Примерно в то же время молодой Стивен Хокинг занимался революционным преобразованием классической теории чёрных дыр. Среди его важнейших открытий был тот факт, что площадь горизонта чёрной дыры никогда не уменьшается. Стивен с сотрудниками Джеймсом Бардиным и Брэндоном Картером использовали общую теорию относительности для вывода набора законов, управляющих поведением чёрных дыр. Новые законы имели необъяснимое сходство с законами термодинамики (управляющими теплом), хотя подобие и считалось простым совпадением. Закон неубывания площади был аналогичен второму началу термодинамики, которое утверждает, что энтропия системы никогда не убывает. Сомневаюсь, чтобы я знал об этой работе или вообще слышал имя Стивена Хокинга ко времени той лекции Фейнмана, однако хокинговским законам динамики чёрных дыр предстояло оказывать глубочайшее влияние на мои исследования в течение более чем 20 лет.

Как бы то ни было, вопрос, который я хотел поставить перед Фейнманом, был о том, может ли квантовая механика заставить чёрную дыру распасться на чёрные дыры меньшего размера. Это представлялось мне чем-то вроде фрагментации очень большого атомного ядра на ядра меньшей величины. Я торопливо объяснил Фейнману, почему я думаю, что это должно происходить.

Фейнман сказал, что никогда не думал над этим. И более того, ему не нравится сам предмет квантовой гравитации. Эффекты квантовой механики в гравитации и гравитации в квантовой механике оказывались слишком малыми для измерения. Не то чтобы он считал этот предмет внутренне неинтересным, но без каких-либо измеримых эффектов, направляющих теорию, было безнадёжно гадать, как она реально работает. Он сказал, что думал об этом много лет назад и не хотел бы задумываться об этом вновь. Он предположил, что может пройти лет пятьсот, прежде чем удастся понять квантовую гравитацию. В любом случае, через час ему предстоит читать лекцию и ему надо отдохнуть.

Лекция была чисто фейнмановская. Своим присутствием он заполнял всю сцену — темпераментный актёр с бруклинским акцентом и жестикуляцией, иллюстрирующей каждое утверждение. Аудитория заворожённо застыла. Он показывал, как можно просто и интуитивно мыслить о сложных задачах квантовой теории поля. Почти все остальные использовали другие, старые методы анализа задач, к которым он обращался. Эти старые методы были сложными, но он нашёл упрощающие приёмы — партонные приёмы. Фейнман взмахивал своей волшебной палочкой, и все вопросы внезапно снимались. Причём самое забавное, что старые методы основывались на его же фейнмановских диаграммах!

Но лучшей частью лекции был момент, когда Ли Чжэндао прервал её вопросом, или, правильнее сказать, сделал утверждение, замаскированное под вопрос. Фейнман говорил, что некоторые типы диаграмм никогда не встречаются в его новом методе и это всё упрощает. Они назывались Z-диаграммами. Ли спросил: «Не правда ли, в некоторых теориях с векторными и спинорными полями Z-диаграммы не всегда дают ноль? Но я надеюсь, что это, вероятно, можно исправить». В зале стало тихо, как в склепе. Фейнман посмотрел на гуру секунд пять, а затем сказал: «Исправьте!» И продолжил лекцию.

После лекции Фейнман подошёл ко мне и спросил: «Л как ваше имя?» Он сказал, что подумал над моим вопросом и хотел бы о нём поговорить, и не знаю ли я место, где можно было бы встретиться вечером. Так мы оказались в кафе «Уэст Энд».

Мы ещё вернёмся в кафе, но прежде я должен ещё кое-что рассказать вам о гравитации и квантовой механике.

Вопрос, который я хотел обсудить, относился к влиянию квантовой механики на чёрные дыры. Общая теория относительности — это классическая теория гравитации. Когда физик использует слово «классический», он не подразумевает, что это связано с Древней Грецией. Это лишь означает, что теория не учитывает эффекты квантовой механики. В том, как квантовая теория влияет на гравитационное поле, очень много непонятного, но то немногое, что известно, связано с небольшими возмущениями, которые распространяются сквозь пространство в виде гравитационных волн. Фейнману мы обязаны большей частью того, что знаем относительно квантовой теории этих возмущений.

В главе 4 мы узнали, что Бог, по-видимому, проигнорировал мнение Эйнштейна относительно игры в кости. Суть в том, что вещи, чётко определённые в классической физике, в квантовой становятся неопределёнными. Квантовая механика никогда не говорит нам, что случится; она даёт нам вероятности того, что случится это или то. Когда именно распадётся радиоактивный атом, непредсказуемо, но квантовая механика может сказать нам, что он, вероятно, распадётся в ближайшие десять секунд.

Нобелевский лауреат по физике Мюррей Гелл-Манн позаимствовал лозунг из книги «Король былого и грядущего» Т. Уайта[60]: «Всё, что не запрещено, — обязательно». В частности, в классической физике множество событий просто не могут случиться. В большинстве случаев, однако, эти события возможны в квантовой теории. Вместо того чтобы быть невозможными, эти события просто крайне маловероятны. Но, несмотря на их невероятность, если подождать достаточно долго, они в конце концов произойдут. Так что всё незапрещённое обязательно.

Хорошим примером этого служит явление, называемое туннелированием. Представьте себе автомобиль, припаркованный на холме со впадиной на нём.

Пренебрежём всем, что не относится к делу, вроде трения или сопротивления воздуха. Предположим также, что водитель забыл поставить машину на ручной тормоз, так что она может свободно катиться. Ясно, что, если автомобиль стоит внизу впадины, он сам собой не начнёт двигаться. Смещение в любую сторону приведёт к подъёму по склону, и если автомобиль изначально покоился, у него не будет энергии, чтобы двигаться вверх. Если позднее мы обнаружим этот автомобиль скатывающимся с холма за возвышением, следует предположить, что либо кто-то вытолкнул его, либо он получил откуда-то энергию, чтобы тем или иным способом перевалить через бугор. Спонтанное перепрыгивание через возвышенность в классической механике невозможно.

Но помните: всё, что не запрещено, — обязательно. Если бы автомобиль был квантово-механическим (а таковы на самом деле все автомобили), ничто не мешало бы ему внезапно появиться с другой стороны бугра. Это может быть крайне маловероятно, — для большого тяжёлого объекта вроде автомобиля это очень, очень маловероятно, — но это не невозможно. Так что за достаточно большое время это обязательно случится. Если подождать достаточно долго, то мы обнаружим автомобиль скатывающимся вниз с другой стороны от возвышения. Это явление называется туннелированием, поскольку оно выглядит так, будто автомобиль прошёл по туннелю под бугром.

Для столь массивного объекта, как автомобиль, вероятность туннелирования так мала, что потребуется невообразимое время (в среднем), чтобы он спонтанно оказался с другой стороны пригорка. Для записи числа, достаточно большого, чтобы выразить это время, потребуется так много цифр, что даже если каждая из них будет не больше протона, они, при плотной упаковке, с большим Избытком заполнят всю Вселенную. Однако тот же самый эффект Может позволить альфа-частице (два протона и два нейтрона) туннелировать из атомного ядра или электрону туннелировать через разрыв в электрической цепи.

В 1972 году я воображал, что, хотя классическая чёрная дыра имеет строго определённую форму, квантовые флуктуации могут заставить её горизонт подрагивать. По идее, форма невращающейся чёрной дыры — это идеальная сфера, но квантовые флуктуации должны быть способны на короткое время деформировать её, придавая сплюснутый или вытянутый вид. Более того, иногда флуктуации могут быть столь велики, что чёрная дыра почти превращается в пару сфер меньшего размера, соединённых тонкой перемычкой. Из этого состояния ей легко разделиться. Тяжёлые атомные ядра спонтанно распадаются подобным образом, почему бы такому не случиться с чёрной дырой? В классике этого не может случиться, так же как автомобиль не может спонтанно перепрыгнуть через барьер. Но запрещено ли это абсолютно? Я не видел тому никаких причин. Подождите достаточно долго, рассуждал я, и чёрная дыра должна разделиться на две дыры поменьше.