Чудовища доктора Эйнштейна

скачать книгу бесплатно

В 1967 г. Джон Уилер предположил, что черные дыры – очень простые объекты, для описания которых достаточно массы и момента импульса[39 - Электрический заряд – третье возможное свойство черной дыры. Однако, поскольку черные дыры образуются при коллапсе материи, являющейся электрически нейтральной, заряженная черная дыра считается искусственным построением, маловероятным в реальности. Электрическая сила на 40 порядков сильнее гравитации, и даже самый слабый электрический заряд препятствовал бы формированию черной дыры. Рой Керр обобщил решение уравнений черной дыры для случая ее вращения почти через 50 лет после первого решения Шварцшильда в работе: R.P. Kerr, “Gravitational Field of a Spinning Mass as an Example of Algebraically Special Metrics,” Physical Review Letters 11 (1963): 237–38. Общая теория относительности позволяет такую сложную геометрию пространственно-временного континуума, что уравнения лишь в редких случаях имеют полное решение, только приближенное, с широкими допущениями относительно симметрии.]. Мастер броских наименований, он назвал идею «теоремой об отсутствии волос», подразумевая, что большинство физических тел имеют «волосы» – детали, которые их характеризуют. Яаков Бекенштейн, один из магистрантов Уилера, попробовал соединить теорию Уилера с хокинговским пониманием площади поверхности черной дыры. Бекенштейн заявил, что площадь поверхности черной дыры является мерой ее энтропии. В расхожем употреблении энтропия означает непорядок. В физике энтропия – показатель количества возможных способов реорганизации атомов или молекул физического тела без изменения его общих свойств.

Из теоремы «об отсутствии волос» следует, что у черных дыр нет энтропии, но, как указал Бекенштейн, ничто наблюдаемое в природе не свободно от действия второго закона термодинамики – энтропия всегда возрастает – и черные дыры не могут быть исключением[40 - J.D. Bekenstein, “Black Holes and Entropy,” Physical Review D7 (1973): 2333–46.]. Поскольку термодинамика – краеугольный камень физики, Хокинг принял аргумент Бекенштейна, но столкнулся с новой задачей. Если у черной дыры есть энтропия, то должна быть и температура. Если у нее есть температура, она должна излучать энергию. Но, если ничто не способно вырваться из черной дыры, как она может излучать энергию?

Предложенное Хокингом решение этого противоречия ошеломило мир теоретической физики. Он заявил, что черные дыры испаряются. Вот как это происходит. В классической физике космический вакуум пуст, но, согласно квантовой теории, в нем постоянно возникают и уничтожаются «виртуальные частицы». Они существуют ничтожно малые промежутки времени, разрешенные принципом неопределенности Гейзенберга. В нормальных условиях эти пары частиц и античастиц или пары фотонов исчезают, ни на что не влияя, однако вблизи горизонта событий черной дыры мощная гравитация может разъединить виртуальные пары. Одна часть падает в дыру, а другая улетает прочь и становится реальной – так черная дыра излучает энергию (илл. 8). Источником энергии, необходимой для создания реальной частицы, является гравитационное поле черной дыры, вследствие чего ее масса уменьшается. Шутливо опровергая знаменитую остроту Эйнштейна о квантовой механике «Бог не играет с Вселенной в кости», Хокинг заявил: «Бог не только играет в кости, но иногда бросает их туда, где их невозможно увидеть»[41 - S. Hawking and R. Penrose, The Nature of Space and Time (Princeton: Princeton University Press, 2010), 26. Хокинг написал много узкоспециальных статей об излучении и испарении черных дыр; наиболее доступной является статья: S. Hawking, “Black Hole Explosions?” Nature 248 (1974): 31–32.].

Излучение Хокинга – спорная, но, безусловно, блестящая идея. Вскоре Хокинг был избран в члены Королевского общества. К сожалению, для остатка звезды солнечной массы эффекты излучения Хокинга крайне слабы – одной десятимиллионной кельвина слишком мало для астрономических измерений. Скорость испарения невероятно низка. Потребуется 10

лет, чтобы черная дыра с такой же массой, как у Солнца, совершенно исчезла. Зато кульминация этого процесса впечатляет: с уменьшением массы увеличиваются температура и скорость испарения, и черные дыры исчезают на пике стремительно растущего излучения.

По мере изучения черные дыры представлялись все более странными объектами. Физики исследовали их свойства, подвергая сомнениям даже сам факт их существования. В 1935 г. Альберт Эйнштейн и Натан Розен предположили, что между двумя точками пространственно-временного континуума могут существовать «мосты»[42 - A. Einstein and N. Rosen, “The Particle Problem in the General Theory of Relativity,” Physical Review Letters 48 (1935): 73–77.]. Черная дыра может находиться на любом конце такого моста, который Джон Уилер окрестил «кротовой норой»[43 - Буквальный перевод слова wormhole – «червоточина». – Прим. пер.]. Общая теория относительности также допускает существование областей пространства-времени, в которые невозможно проникнуть извне, но откуда, однако, могут выходить свет и материя. Это так называемые белые дыры. Область черной дыры будущего может иметь область белой дыры в качестве своего прошлого. Ученые не наблюдали за кротовыми норами и белыми дырами, но, по замечанию Стивена Вайнберга «в физике так часто бывает – нашей ошибкой является не чрезмерно серьезное, а недостаточно серьезное отношение к собственным теориям»[44 - S. Weinberg, The First Three Minutes (New York: Basic Books, 1988), 131.].

В массовой культуре черные дыры стали символом смерти и разрушения. Однако в них заключена и надежда на трансформацию и вечную жизнь, поскольку на горизонте событий время застывает и никто не знает, что находится внутри. Романист Мартин Эмис писал: «Хокинг понимал черные дыры, потому что мог вглядываться в них. Черные дыры означают забвение. Смерть. Хокинг вглядывался в смерть всю свою взрослую жизнь»[45 - M. Amis, Night Train (New York: Vintage, 1999), 114.].

Пари о черных дырах

Со Стивеном Хокингом было выгодно держать пари – чаще всего он проигрывал[46 - A.Z. Capri, From Quanta to Quarks: More Anecdotal History of Physics (Hackensack, NJ: World Scientific, 2007).]. Его первый спор касался гипотезы космической цензуры. В 1969 г. Роджер Пенроуз предположил, что сингулярности всегда «спрятаны» за горизонтом событий. За исключением Большого взрыва, голых сингулярностей не существует. Горизонт событий не даст наблюдателю увидеть материю, сдавленную до бесконечной плотности. Сингулярность оборачивается серьезными концептуальными проблемами для общей теории относительности, и потому физики надеялись, что черные дыры всегда имеют горизонт событий. В 1991 г. Хокинг поспорил на $100 с двумя физиками-теоретиками из Калтеха – Джоном Прескиллом и Кипом Торном, утверждая, что гипотеза космической цензуры верна и голых сингулярностей не существует. В 1997 г. моделирование на суперкомпьютере показало, что при определенных условиях коллапс черной дыры может привести к голой сингулярности, которая создана природой или, возможно, высокоразвитой цивилизацией. Хокинг признал свое поражение, выплатил проигрыш и подарил двум своим коллегам футболки с надписью: «Природа не выносит сингулярности».

В том же году Хокинг побился об заклад с Прескиллом, заявив, что информация в черной дыре уничтожается (на сей раз Торн занял его сторону). «Информация» в этом контексте связана с энтропией. Высокая энтропия означает беспорядок и малый объем информации. Например, нормальный газ сильно разупорядочен, и для его описания достаточно считаных единиц информации: плотность, температура и химический состав. Черные дыры обладают громадной энтропией, существенно превышающей формирующие их газовые шары, и, соответственно, описываются даже меньшим числом единиц, чем газ: нам известны только их масса и осевое вращение[47 - В обиходном значении энтропия означает беспорядок, но изначальное определение из физики связано с количеством эквивалентных микроскопических конфигураций системы. Поскольку имеется огромное число способов сделать черную дыру – по сравнению с относительно ограниченным количеством возможностей сделать звезду, энтропия черной дыры очень высока. С математической точки зрения черная дыра солнечной массы имеет энтропию в 100 млн раз выше, чем Солнце.]. В принципе, черную дыру можно создать бесконечно разными способами – например, сжатием газа и каменной породы или даже книг и непарных носков, – но невозможно увидеть информацию извне. Затем черная дыра испаряется, выделяя неупорядоченное излучение. Что происходит с информацией – в первую очередь о том, из чего сделана черная дыра? Этот вопрос получил название информационного парадокса.

В 2004 г. Хокинг проиграл и это пари. На конференции в Дублине он пересмотрел свою позицию и сказал, что информация может пережить падение в черную дыру, хотя и в искаженном виде, – как если бы сгорела энциклопедия и мы бы нашли ничтожные остатки содержавшейся в ней информации среди дыма и пепла. Возможно, новейшие технологии позволят восстановить типографскую краску и текст. Хокинг оставил положения квантовой механики, но отказался от предшествующего рассуждения, согласно которому информация может не только сохраняться внутри черной дыры, но и переходить в другие вселенные, ответвляющиеся от черной дыры. Он сказал The New York Times: «Жаль разочаровывать поклонников научной фантастики, но даже если информация сохраняется, невозможно использовать черные дыры для путешествий в другие вселенные»[48 - D. Overbye, “About Those Fearsome Black Holes? Never Mind,” New York Times, July 22, 2004, http://www.nytimes.com/learning/students/pop/20040723snapfriday.html (http://www.nytimes.com/learning/students/pop/20040723snapfriday.html).]. Хокинг ссылался на предложенную в космологии идею о том, что состояние, предшествовавшее Большому взрыву, могло породить множественные вселенные. Ученый добавил, что черные дыры могут служить путями перемещения информации между вселенными. Выполняя условия пари, Хокинг вручил своему другу Прескиллу энциклопедию бейсбола, из которой «информацию можно восстановить без всякого труда», а первоначальное заявление о потере информации объявил своим «величайшим промахом»[49 - Это отсылка к Эйнштейну, называвшему подгонку своего решения для общего принципа относительности под принятую у астрономов начала 1900-х гг. картину статичной Вселенной своей «грубейшей ошибкой». Для объяснения гравитации Эйнштейн ввел так называемую космологическую константу. По иронии, теперь известно, что Вселенная ускоряется и что это поведение хорошо описывается космологической константой.].

Я встречал Стивена Хокинга в конце 1970-х гг., когда учился в магистратуре. В Лондоне он читал лекцию о черных дырах в честь своего назначения лукасовским профессором математики. Хокингу было 36 лет, он состоялся как блестящий физик. Он уже десять лет сидел в инвалидном кресле, его речь настолько ухудшилась, что его понимали лишь немногочисленные члены семьи и близкие коллеги. Один из студентов, стоя вплотную к Хокингу, разбирал его слова и передавал аудитории. Помню, что к концу лекции проникся глубочайшим убеждением, что, какие бы препятствия ни встретились мне в жизни и в карьере, все это будет ничто по сравнению с тем, что испытывал Хокинг.

Двадцать лет спустя мы с двоюродным братом посетили публичную лекцию Хокинга в Кембридже. Текст лекции был подготовлен заранее и озвучивался синтезатором речи – это стало визитной карточкой Хокинга. Он отвечал на вопросы медленно, так как ему приходилось одним пальцем выбирать нужные фразы из огромной компьютерной базы. Но колкий юмор ученого проявился сполна. Кто-то спросил: «Мы когда-нибудь сможем использовать черные дыры, чтобы спасти человечество от уничтожения?» Помедлив, Хокинг напечатал: «Надеюсь, нет». Другой вопрос: «Может ли кто-нибудь выжить, падая в черную дыру?» Он медленно набрал ответ: «Вы – может быть. У меня и без того достаточно проблем».

В действительности ответ на второй вопрос заключается в том, что, к сожалению, падающий в черную дыру путешественник не выживет, его ждет «спагеттификация» под действием силы растяжения вследствие гравитации. Гравитация слабеет обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта. Для любого компактного объекта – такого как черная дыра – разница между гравитацией, действующей на две точки на разных расстояниях от этого объекта, может быть большой – это так называемая приливная сила[50 - Нам хорошо знакомы приливные силы, действующие в Солнечной системе. Ближняя сторона Земли испытывает более сильное притяжение Луны, чем дальняя, и, когда океаны реагируют на эту разницу, возникают приливы. Солнце также оказывает на Землю приливное воздействие, но более слабое из-за большего расстояния. Если приливная сила, действующая на твердое тело, например естественный спутник и астероид, превышает его прочность, то тело разрушается. Граница области, внутри которой меньшее тело разрывается приливными силами большего тела, называется пределом Роша. Приливные силы, действующие на маленький спутник Юпитера Ио, вызывают на нем самую мощную вулканическую активность в Солнечной системе. В математическом выражении приливное ускорение в теле размером d на расстоянии R от тела массой M равно 2GMd/R

.]. На расстоянии 3000 км сила растяжения создаст между вашими головой и стопами ускорение, примерно равное гравитации Земли. Приятного мало, но вы выживете. На расстоянии 1000 км сила растяжения в 50 раз превысит земную гравитацию и разорвет на части ваши кости и внутренние органы. В 300 км – все еще далеко от горизонта событий – сила растяжения в 1000 раз превысит гравитацию Земли, твердые тела разрушатся. Спагеттификация – не детская игра, в которой один тянет вас за ноги, а другой – за руки, и даже не средневековая пытка дыбой. Пространственно-временной континуум возле черной дыры искривляется, и вас растягивает на всех уровнях: мышечных волокон, клеток и спирали ДНК.

Возникает парадокс. Горизонт событий – это точка невозврата, информационная мембрана: информация проникает внутрь, но не наружу. Если бы вы могли нырнуть в черную дыру с цифровыми часами и каким-то образом избежать спагеттификации, вам показалось бы, что часы продолжают нормально идти, пока вы в свободном падении погружаетесь в горизонт событий. Тем временем ваш компаньон, наблюдающий за падением, увидит, что часы замедляются, а ваша деформированная фигура медленно приближается к горизонту событий – до тех пор, пока вы не остановитесь вместе с часами. Теперь представьте, как мы бросаем в черную дыру книгу. Согласно законам гравитации, книга пересечет горизонт событий и информация будет утрачена, но с точки зрения стороннего наблюдателя книга никогда не достигнет горизонта событий. Утрачивается ли информация или каким-то образом «сохраняется» на горизонте событий?

Впрочем, Хокинг был рад проиграть одно пари – первое пари с Кипом Торном, заключенное в 1975 г. Хокинг оспорил существование черной дыры – это должно было его подстраховать. Он надеялся на проигрыш, но если бы выиграл, то, по его словам, утешился бы четырехлетней подпиской на британский сатирический журнал Private Eye. Как мы узнаем из следующей главы, источник высокоэнергетического излучения Лебедь Х-1 оказался убедительным кандидатом в черные дыры, и в 1990 г. Хокинг признал свое поражение. В качестве выигрыша Торн получил годовую подписку на Penthouse[51 - У научных пари интересная история. Одно из первых известных пари было связано с гравитацией. В 1648 г. английский архитектор Кристофер Рен предложил книгу стоимостью два фунта стерлингов (эквивалентно сегодняшним $400) любому, кто сумеет вывести законы движения планет Кеплера из закона обратной квадратичной зависимости для гравитации. Этот вызов был намеренной попыткой заставить Исаака Ньютона завершить расчеты и опубликовать результат, что он впоследствии и сделал в своем главном труде о гравитации Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, нарушив, однако, сроки пари.].

Золотой век теории черных дыр

После эпохальных открытий Хокинга изучение черных дыр пошло быстрее. Мы наблюдаем золотой век теории черных дыр, и с каждым годом выходит все больше статей. Физики пытаются согласовать «стройные» описания тел в общей теории относительности с «шероховатыми» описаниями материи в квантовой теории.

Как сказано выше, вопрос о том, что происходит с информацией на горизонте событий, остается величайшей загадкой. Теория испарения черных дыр Хокинга проникает в арсенал квантовой механики. Изначально ученый утверждал, что излучение черной дыры хаотично и случайно и при испарении черной дыры теряется вся содержавшаяся в ней информация. Это противоречит основной предпосылке квантовой теории, согласно которой взаимодействия частиц обратимы во времени, следовательно, можно было бы «проиграть фильм задом наперед» и восстановить начальное состояние из конечного. Противоречия между двумя весьма успешными теориями в физике – общей теории относительности и квантовой механики – многие ученые восприняли как кризис.

В 1996 г. Энди Строминджер и Кумрун Вафа воспроизвели энтропию и излучение Хокинга с помощью теории струн[52 - A. Strominger and C. Vafa, “Microscopic Origin of the Bekenstein – Hawking Entropy,” Physical Letters B379 (1996): 99–104.]. Теория струн – это растянувшаяся на много десятилетий попытка объединить четыре фундаментальные силы природы с концепцией материи не как частиц, а крохотных одномерных «струн» энергии, существующих в пространственно-временном континууме, имеющем, возможно, восемь или десять измерений. Теория струн более фундаментальна, чем стандартная квантовая теория, поскольку постулирует единственную сущность, лежащую в основе всевозможных частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны. Она красива и математически точна, но ее трудно проверить. Однако потрясающим образом с ее помощью удалось объяснить некоторые важные свойства черных дыр – впервые микроскопическая теория материи была успешно применена в области сильной гравитации. Исследование Строминджера и Вафы позволило предположить, что информация, попавшая в черную дыру, действительно может быть восстановлена. Однако ученые по-прежнему не пришли к согласию по вопросам сохранения информация и по поводу того, что теория струн может сказать о природе черных дыр.

Многие ведущие физики трудятся над этой головоломкой[53 - Объединение квантовой теории с общей теорией относительности заняло последние 20 лет жизни Эйнштейна. Он так и не добился успеха. Некоторые самые очевидные идеи квантовой гравитации – например, что гравитация переносится частицей – гравитоном, быстро упирались в технические проблемы. Роль времени также очень сильно различается в квантовой механике и общей теории относительности. Теория струн считается многообещающим подходом, но создает огромное число состояний вакуума, в которых трудно разобраться. По иронии, недавний прогресс в описании черных дыр с точки зрения теории струн отчасти связан с отключением гравитации! По всей видимости, пройдет немало лет, прежде чем это направление исследований созреет или выдаст предсказания, которые можно будет проверить.]. Согласно одной оригинальной идее, информация хранится на горизонте событий подобно тому, как голограмма служит двумерным информационным хранилищем трехмерного объекта. Если информация о содержимом черной дыры каким-то образом кодируется на поверхности (илл. 9), то это разрешает информационный парадокс. В 2012 г. в этой бочке меда обнаружили большую ложку дегтя: виртуальные частицы, обеспечивающие излучение Хокинга, оказались связанными – их квантовые состояния одинаковы даже на большом удалении друг от друга. Извлечь информацию, нарушив эту связность, означает высвободить мощный поток излучения, создав «стену огня» (файрвол) прямо над горизонтом событий. Путешественника ждет не скучное погружение в черную бездну, а уничтожение стеной огня. Однако для внешнего наблюдателя путешественник так и останется на горизонте событий, как муха на липкой ленте. Умрет или выживет? Никто не может выбраться наружу, и ничто не может проникнуть внутрь. Неизбежна ли стена огня? Ученые продолжают об этом спорить.

Этот спор показывает, как сильно менялись представления в процессе разработки теории черных дыр. Предоставим заключительное слово Энди Строминджеру. В статье 2016 г. «Мягкие волосы черных дыр», написанной в соавторстве с Хокингом, он оспаривает теорему Джона Уилера об отсутствии волос и идентифицирует частицы, которые могут играть роль квантовых пикселей информационного хранилища на границе черной дыры. Эта работа еще не завершена. Строминджер признает: «У меня есть список из 35 задач, решение каждой отнимет несколько месяцев. Физикам-теоретикам такое по вкусу: есть вещи, которые мы не понимаем, но можно сделать расчеты, что неизбежно приведет к пониманию»[54 - A. Strominger and S. Hawking, “Soft Hair on Black Holes,” Physical Review Letters 116 (2016): 231301–11. Более читабельное интервью с Энди Строминджером о его работе можно найти в блоге Сета Флетчера Dark Star Diaries: http://blogs.scientificamerican.com/dark-star-diaries/stephenhawking-s-new-black-hole-paper-translated-an-interview-with-co-authorandrew-strominger/ (http://blogs.scientificamerican.com/dark-star-diaries/stephenhawking-s-new-black-hole-paper-translated-an-interview-with-co-authorandrew-strominger/).].

За последние 100 лет черные дыры из монструозных идей, противоречащих здравому смыслу, превратились в испытательный полигон для проверки блестящих физических теорий. Черные дыры – подарок Вселенной. Их содержимое скрыто и загадочно, однако даже обертку этого ящика интересно изучать. Я вспоминаю ироничное замечание Марка Твена: «Все-таки в науке есть что-то захватывающее. Вложишь какое-то пустяковое количество фактов, а берешь колоссальный дивиденд в виде умозаключений»[55 - Твен М. Старые времена на Миссисипи // Собрание сочинений: в 8 т. Т. 4. – М., 1980.]