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

У Скиамы был припасён и ещё один сюрприз: чёрные дыры испаряются! До того времени физики считали, что чёрные дыры вечны, как бриллианты. Однажды образовавшуюся чёрную дыру невозможно уничтожить никаким известным физическим механизмом. Чёрная пустота в пространстве, образованная умершей звездой, будет существовать вечно — бесконечно холодная и бесконечно тихая.

Однако Скиама сказал нам, что, подобно капле воды, оставленной на солнце, чёрные дыры мало-помалу испаряются и в конце концов исчезают. Как он объяснил, электромагнитное тепловое излучение уносит часть массы чёрной дыры.

Чтобы объяснить, как Деннис со своим студентом пришли этой мысли, я должен познакомить вас с некоторыми фактами, касающимися тепла и теплового излучения. Я ещё вернусь к чёрным дырам, но сначала сделаю отступление.

Тепло и температура

Тепло и температура относятся к числу самых известных физических понятий. У всех нас есть встроенный термостат. Эволюция обеспечила нас врождённым чувством холода и тепла.

Тепло — это наличие теплоты, холод — её отсутствие. Но что за сущность такая — теплота? Что в ванне с горячей водой есть такого, что исчезает, когда ванна остывает? Если внимательно посмотреть в микроскоп, на крошечные пылинки или частицы пыльцы, взвешенные в тёплой воде, то станет видно, что они пошатываются, как пьяные матросы. Чем горячее вода, тем более оживлёнными выглядят пылинки. В 1905 году Альберт Эйнштейн[76] объяснил это броуновское движение тем, что пылинки постоянно бомбардируются быстро движущимися энергичными молекулами. Вода, как и все вещества, состоит из молекул, снующих туда-сюда, врезающихся друг в друга, в стенки сосуда и в любые посторонние загрязнители. Когда это движение является случайным и хаотическим, мы называем его теплом. В обычных предметах добавление энергии в форме тепла вызывает увеличение случайных кинетических энергий молекул.

Температура, конечно, связана с теплотой. Когда беспорядочно движущиеся молекулы ударяют по вашей коже, они возбуждают нервные окончания, и вы чувствуете температуру. Чем больше энергия отдельных молекул, тем сильнее воздействие на нервные окончания и тем вам становится горячее. Ваша кожа — лишь один из множества типов термометров, которые могут воспринимать и регистрировать хаотические движения молекул.

Так что, грубо говоря, температура объекта — это мера энергии его отдельных молекул. Когда объект остывает, энергия уходит, и молекулы замедляются. В конце концов, если отводить всё больше и больше энергии, молекулы достигают наинизшего энергетического состояния. Если игнорировать квантовую механику, то это случится, когда движение молекул полностью прекратится. В этом состоянии больше нет энергии, которую можно отвести, и объект будет находиться при абсолютном нуле. Ниже температуру опустить невозможно.

Чёрные дыры и чёрные тела

Большинство объектов отражают хотя бы немного света. Причина, по которой красная краска выглядит красной, состоит в том, что она отражает красный свет. Точнее, она отражает некоторое сочетание длин волн, которые глаз и мозг воспринимают как красное. Аналогично, синяя краска отражает сочетание, которое мы воспринимаем как синее. Снег белый, потому что поверхность ледяных кристаллов отражает все видимые цвета одинаково. (Единственное различие между снегом и зеркальным листом льда в том, что зернистая структура снега рассеивает свет по всем направлениям, разбивая отражённое изображение на тысячи крошечных фрагментов.) Но некоторые поверхности свет почти не отражают. Всякий свет, падающий на закопчённое днище котелка, поглощается слоем копоти, нагревая чёрное покрытие, а в конечном счёте и сам металл. Такие объекты мозг воспринимает как чёрные.

Физический термин для объекта, поглощающего абсолютно весь падающий свет, — чёрное тело[77]. Ко времени лекции Скиамы в моём университете в Нью-Йорке физики давно знали, что чёрные дыры — это чёрные тела. Лаплас и Митчел догадывались об этом в восемнадцатом веке, а шварцшильдовское решение эйнштейновских уравнений это доказало. Свет, попадающий под горизонт чёрной дыры, полностью поглощается. Горизонты чёрных дыр — чернейшие из чёрных объектов.

Но вот чего никто не знал до открытия Хокинга, это того, что чёрные дыры имеют температуру. Прежде, если спросить у физика: «Какая температура у чёрной дыры?» — первой реакцией, вероятно, было бы: «Чёрные дыры не имеют температуры». Вы могли бы возразить: «Ерунда. У всего есть температура». Небольшое размышление тогда привело бы к ответу: «О'кей, чёрные дыры не обладают теплотой, так что у них температура абсолютного нуля — наинизшая возможная». Фактически до Хокинга все физики утверждали, что чёрные дыры — это чёрные тела, но чёрные тела с нулевой абсолютной температурой.

Сегодня некорректно говорить, что чёрные дыры не испускают никакого света. Возьмите закопчённый котелок, разогрейте его до нескольких сотен градусов, и он начнёт светиться красным. Ещё горячее — и свечение станет оранжевым, затем жёлтым и, наконец, ярким голубовато-белым. Любопытно, что, согласно определению физиков, Солнце является чёрным телом. Как странно, скажете вы: трудно вообразить что-то более далёкое от чёрного, чем Солнце. И действительно, поверхность Солнца испускает огромное количество света, но она ничего не отражает. Это делает его для физика чёрным телом.

Охладите горячий котелок, и он станет светиться в невидимом инфракрасном свете. Даже самые холодные объекты испускают немного электромагнитного излучения, если только не находятся при абсолютном нуле.

Но излучение, испускаемое чёрными телами, — это не отражённый свет; оно порождается колебаниями и столкновениями атомов, и, в отличие от отражённого света, его цвет зависит от температуры тела.

То, что объяснил Деннис Скиама, было удивительно (и казалось в то время немного сумасшедшим). Он говорил, что чёрные дыры — это чёрные тела, но они не находятся при абсолютном нуле. Каждая чёрная дыра имеет температуру, зависящую от её массы. И формула этой зависимости была на доске.

Он рассказал и ещё об одной вещи, в некотором смысле самой поразительной. Раз чёрная дыра обладает теплотой и температурой, она должна испускать электромагнитное излучение — фотоны — точно так же, как и горячий чёрный котелок. Это означает, что она теряет энергию. Согласно эйнштейновской формуле E=m∙c2, энергия и масса — это в действительности одно и то же. Так что если чёрная дыра теряет энергию, она также теряет и массу.

Вот мы и подошли к кульминационному пункту рассказанной Скиамой истории. Размер чёрной дыры — радиус её горизонта — прямо пропорционален массе. Если масса убывает, значит, размер чёрной дыры уменьшается. Так что, излучая энергию, чёрная дыра съёживается, пока не станет размером не больше элементарной частицы, и тогда она исчезает. Согласно Скиаме, чёрные дыры испаряются, подобно лужам в летний день.

На протяжении всей лекции, по крайней мере той части, что я застал, Скиама ясно давал понять, что не он является автором этих открытий. «Стивен говорит то», «Стивен говорит это»… Но, несмотря на слова Денниса, к концу лекции у Меня сложилось впечатление, что безвестному студенту Стивену Хокингу просто посчастливилось оказаться в нужное время в нужном месте, чтобы попасть в исследовательский проект Денниса. Для известного физика обычное дело — многократно упоминать на лекции яркого студента. Была идея блестящей или безумной, для меня было естественно предполагать, что она исходит от более крупного учёного.

В тот вечер я был глубоко не прав с этим допущением. Мы с Оге и ещё несколько преподавателей физического факультета позвали Денниса на ужин в замечательный итальянский ресторан в квартале «Маленькая Италия». За едой Деннис всё рассказал нам о своём замечательном студенте.