Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Способ спасения второго начала термодинамики Бекенштейн увидел в результатах Хокинга. Когда мы бросаем нечто в черную дыру, ее горизонт событий никогда не уменьшается — он остается тем же самым или растет. Из этого Бекенштейн заключил, что для соблюдения во Вселенной второго начала термодинамики черные дыры должны обладать энтропией, пропорциональной площади их поверхности. Этого увеличения площади хватит для компенсации уменьшения беспорядка, вызванного исчезновением за горизонтом событий, поэтому энтропия Вселенной никогда не уменьшается. Однако доведя этот парадокс до логического конца, Бекенштейн пришел к странному выводу. Если черная дыра обладает энтропией, то, как и у контейнера с молекулярным газом, у нее должна быть температура. На этом этапе он ощутил, что заходит слишком далеко, поэтому в статье написал: «Подчеркиваю, что параметр Т не следует считать температурой черной дыры, так как подобное отождествление легко приводит к парадоксам разного рода и, соответственно, не имеет смысла».

Несмотря на оговорки Бекенштейна, Хокинг воспринял его утверждение с раздражением. В соответствии с законами термодинамики не существует способа увеличить энтропию черной дыры, не заставив ее каким-то образом излучать тепло.

Для Хокинга это было чересчур. Он считал черные дыры поглощающими: объект мог провалиться в черную дыру, но совершенно точно не мог выйти наружу. Факт невозможности уменьшения поверхности черной дыры, доказанный им самим, мог выглядеть как энтропия, но на самом деле не имел к ней отношения — энтропия в данном случае была всего лишь приемлемой аналогией для объяснения поведения.

Тем не менее существовали зацепки, указывающие на возможную правоту Бекенштейна. Во-первых, в 1969 году Роджер Пенроуз обнаружил, что вращающаяся черная дыра, описанная в решении Керра, может излучать энергию. Представим частицу, перемещающуюся со скоростью, близкой к скорости света, в момент попадания в зону притяжения черной дыры Керра. Бели она распадется на две частицы, одна из них может втянуться в горизонт событий, а вторая ускориться и удалиться прочь с увеличившейся энергией, сохранив общую энергию системы и Вселенной. Во время этого странного процесса, известного как сверхизлучение Пенроуза, черные дыры по сути дела испускают энергию, как будто светясь каким-то странным образом. Имелись и другие факты. В 1973 году Стивен Хокинг, посетив Якова Зельдовича и его более молодого коллегу Алексея Старобинского, узнал, что они тоже рассматривают процессы, происходящие с черной дырой Керра. С их точки зрения, она должна избавляться от окружающего ее квантового вакуума и использовать его энергию для излучения своей, а значит, на самом деле испускать свечение.

Хокинг решил использовать квантовую физику для рассмотрения частиц рядом с горизонтом событий черной дыры, то есть в месте, где могут происходить странные вещи. Он обнаружил действительно необычную вещь. Квантовая физика допускает создание из вакуума пар частица-античастица. В обычных обстоятельствах эти частицы возникают, затем очень быстро сталкиваются друг с другом и аннигилируют, полностью исчезая. Но рядом с горизонтом событий, по расчетам Хокинга, должна была возникать другая ситуация: некоторые античастицы могли бы всасываться черной дырой, в то время как частицы этот процесс не затрагивал. Это происходило бы снова и снова, и по мере всасывания античастиц черная дыра начала бы медленно, но верно испускать поток энергетических частиц. Хокинг детально рассчитал, что произойдет в случае частиц без массы, например фотонов. Оказалось, что для удаленного наблюдателя черная дыра будет светиться с крайне низкой яркостью, как очень тусклая звезда. И, как звезде, ей можно сопоставить температуру. К примеру, глядя на испускаемый нашим Солнцем свет, можно измерить температуру его поверхности, которая составляет примерно 6000 градусов кельвина. Другими словами, благодаря квантовой физике Хокинг обнаружил, что предсказанные общей теорией относительности черные дыры испускают свет и имеют температуру.

Это был удивительно четкий и однозначный математический результат с далеко идущими последствиями. Расчеты Хокинга показали, что температура свечения черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Например, черная дыра с массой Солнца будет иметь температуру в одну миллиардную градуса кельвина, а черная дыра с массой Луны — 6 градусов кельвина. Причем в процессе свечения часть массы утрачивается. Этот процесс протекает чудовищно медленно. Излучение, или «испарение», как называл его Хокинг, всей массы звезды, весящей как наше Солнце, займет очень много времени. Но чем меньше масса, тем быстрее происходит этот процесс. К примеру, черная дыра с массой около триллиона килограммов (совсем малютка с астрофизической точки зрения) полностью испарится за время жизни Вселенной, высвободив в последнюю долю секунды изрядное количество энергии. Как описывал Хокинг, это будет «по астрономическим стандартам довольно слабый взрыв, эквивалентный взрыву примерно миллиона водородных бомб мощностью в одну мегатонну». Свою статью, которая в конце концов появилась в журнале Nature, Хокинг осторожно озаглавил «Взрывы черных дыр?».

Выступая на Оксфордском симпозиуме, Стивен Хокинг несколько неуклюже сидел в инвалидной коляске в передней части зрительного зала. Он собирался сообщить вещи, открывающие новые горизонты, поэтому говорил четко и целеустремленно, объясняя собравшимся свои расчеты. Когда он закончил, наступила тишина. Как вспоминал Филипп Канделас, в то время ученик Денниса Сиамы: «Люди относились к Хокингу с большим уважением, но никто толком не понял, о чем он говорил». Позднее сам Хокинг вспоминал: «Я столкнулся с общим недоверием. Председатель симпозиума утверждал, что все это ерунда». В обзоре результатов Оксфордского симпозиума было признано, что «главной достопримечательностью конференции стал неутомимый С. Хокинг», но автор обзора скептически отнесся к предсказанию взрывов черных дыр, написав: «При всей заманчивости такой перспективы не существует физически приемлемого механизма, который мог бы привести к подобным эффектам».

Для осознания значимости открытия Хокинга требовалось время, хотя некоторые поняли важность этой теории сразу. Деннис Сиама отозвался о статье Хокинга как об «одной из самых красивых в истории физики» и сразу же заставил часть своих студентов разрабатывать это направление. Джон Уиллер описал результат Хокинга как «конфету на кончике языка». Брайс Девитт решил сам воспроизвести этот результат и написал посвященный излучению черных дыр обзор, который убедил новые группы ученых.

Сделанные Хокингом расчеты излучения черных дыр не имели отношения к квантовой гравитации. Расчет не был связан с квантованием гравитационного поля, требующим выработки правил и процессов, которым подчинялись бы гравитоны, — в этой области пробовали свои силы и потерпели неудачу Девитт и многие другие. Но он успешно объединил кванты и общую теорию относительности, получив интересный устойчивый результат, на который при разработке квантовой гравитации, если бы дело когда-либо до этого дошло, можно было бы сослаться и подробно объяснить. В результате на следующие несколько лет излучение черных дыр вселило надежду на решение невозможно сложной задачи квантования гравитации. Хокинг твердо задумал квантовать не только объекты в пространстве-времени, но и само пространство-время. Готовя новых студентов для работы над своей программой, Хокинг в течение следующих сорока лет концентрировался на квантовой гравитации. И так совпало, что через десять лет после того, как Поль Дирак оставил должность Лукасовского профессора в Кембриджском университете, на нее был назначен Стивен Хокинг и занимал ее в течение двадцати пяти лет.

Когда молодой студент спросил Джона Уиллера, каким образом лучше готовиться к работе над квантовой гравитацией: сделать упор на общую теорию относительности или на квантовую физику? — Уиллер ответил, что, вероятно, лучше всего будет, если студент выберет для себя какую-нибудь другую область. Это был мудрый совет. Неуступчивые бесконечности продолжали срывать все попытки квантования общей теории относительности, и казалось, что любые поползновения в области квантовой гравитации обречены на провал.

Но было верно и другое. Как показали выдающиеся результаты Хокинга, объединение общей теории относительности с квантовой физикой ведет к неожиданным вещам. У черных дыр обнаруживается энтропия и способность испускать тепло, что идет вразрез с идеей релятивистов об их поглощающей природе. Одновременно расчеты Бекенштейна и Хокинга проливают странный свет на кванты, с которыми общая теория относительности творит невероятные вещи. В обычной заурядной физической системе, например в контейнере с газом, энтропия связана с объемом. Чем больше объем, тем больше способов перемешать молекулы в случайном порядке и создать беспорядок — отличительную черту энтропии. И вся эта неупорядоченность, этот беспорядок заключен внутри контейнера. Прямая связь между энтропией и объемом является неотъемлемой частью базового курса термодинамики. Но как мы помним, Бекенштейн и Хокинг показали, что энтропия черной дыры связана не с занимаемым ею в пространстве объемом, а с площадью ее поверхности. Как если бы энтропия заключенного в контейнер газа каким-то образом заключалась в стенках контейнера, а не в хаотичных движениях частиц. Каким же образом мы сохраняем энтропию на поверхности черной дыры, которая должна быть простой, «лишенной волос» и лишь равномерно светящейся из-за излучения Хокинга?