Китти Фергюсон - Стивен Хокинг. Непобедимый разум

• Название: Стивен Хокинг. Непобедимый разум
• Автор: Китти Фергюсон
• Жанр: Биографии
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-17-115613-8

Образ великого астрофизика Стивена Хокинга, давно стал культовым, его имя – синоним и гениальности, и мужества, и надежды. Когда-то кембриджскому студенту поставили страшный диагноз – БАС – и обещали не более двух лет жизни. Юноша бросился дописывать диссертацию – вдруг успеет. И успел: сделать огромный вклад в изучение загадок вселенной, прославиться на весь мир научно-популярными книгами для взрослых и детей, стать героем игровых и документальных фильмов, дважды жениться, обзавестись внуками… В теле инвалида, лишенном движения и речи, жило неукротимое существо, на всю планету излучавшее энергию, ум, юмор и обаяние. Американская писательница Китти Фергюсон много лет публикует книги и читает лекции о космологии для широкой аудитории. Международную известность ей принес “талант переводить с языка физиков на простой человеческий”. Биографию Хокинга она писала с одобрения и при помощи своего героя и в итоге смогла не только воссоздать его личную историю, но и увлекательно рассказать о его научной работе, нацеленной на постижение самых основ вселенной.

---

Энтропия – мерило беспорядка в системе. Беспорядок всегда нарастает и никогда не убывает. Соберешь пазл, уложишь его аккуратно в коробку, но стоит коробку тряхнуть, как кусочки перемешаются, и картинку уже не рассмотреть – такое происходит каждый день, но разве кто-нибудь рассчитывает получить готовую картинку, встряхивая коробку с перемешанными кусочками мозаик? В нашей вселенной энтропия (беспорядок) всегда нарастает. Разбитая чашка сама собой не склеится, грязная комната без помощи хозяйки не произведет уборку.

Допустим, вы склеили чашку, прибрались в комнате. Навели порядок. Означает ли это, что энтропии во вселенной стало меньше? А вот и нет. В процессе уборки вы расходуете умственную и физическую энергию, превращая ее в энергию с меньшим КПД. В сумме убыль порядка во вселенной превышает ту локальную прибавку порядка, которой вы добились.

И не только этим энтропия по своим свойствам напоминает горизонт событий черной дыры. Соединив любые две системы, мы получим энтропию, равную или большую, чем сумма энтропий этих двух систем. Известный пример – ящик, в котором находятся молекулы газа. Представим себе их в виде крошечных шариков, сталкивающихся друг с другом и со стенами ящика. Посреди ящика – перегородка. В одной половине (по одну сторону от перегородки) молекулы кислорода, по другую сторону – молекулы азота. Уберем перегородку, и молекулы кислорода и азота начнут перемешиваться. Вскоре практически однородная смесь заполнит весь ящик, но эта смесь окажется менее упорядоченной, чем были кислород и азот по отдельности: энтропия возрастет. (Во втором законе термодинамики есть оговорка: существует крошечный шанс, один на миллионы миллионов, что в какой-то момент молекулы азота вернутся в свою половину ящика, а все молекулы кислорода соберутся в другой половине.)

А теперь представьте себе, что вы бросаете коробку с перемешавшимися молекулами или любой другой подверженный энтропии объект в подвернувшуюся под руку черную дыру. Прощай энтропия в отдельно взятом ящике, думаете вы. Сумма беспорядка за пределами черной дыры уменьшилась, думаете вы. Сладили со вторым законом? Можно возразить, что в целом для вселенной (за пределами черной дыры плюс черная дыра) ничего не изменилось. Но ведь все, что попадает в черную дыру, навеки исчезает из нашей вселенной. Или нет?

Один из принстонских учеников Джона Уилера, Димитриос Христодулу, напомнил, что, согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе всегда возрастает и никогда не убывает и что “неприводимая масса” (так Христодулу назвал математическую комбинацию массы черной дыры и скорости вращения) никогда не убывает, что бы ни происходило с черной дырой. Это что, лишь внешнее совпадение? Неужели гипотеза Христодулу или более общее и существенное по своим последствиям утверждение Хокинга[102] (горизонт событий никогда не сокращается) имеют какое-то отношение ко второму закону термодинамики?

Побег из черной дыры?

Свою идею – горизонт событий черной дыры никогда не сокращается – Стивен Хокинг впервые представил научному сообществу в декабре 1970 года на Симпозиуме по астрофизике и теории относительности в Техасе[103]. Тогда он оговорился, что при всем сходстве формулировок – неубывание области горизонта событий, неубывание энтропии – это всего лишь аналогия.

Еще один принстонский выученик Уилера, Яков (Джейкоб) Бекенштейн, не согласился с такой оговоркой. Он решил, что горизонт событий черной дыры не только похож по своим свойствам на энтропию – он и есть энтропия[104]. Измеряя радиус горизонта событий, мы тем самым измеряем энтропию черной дыры. Бросив ящик в черную дыру, мы не уничтожим энтропию внутри черного ящика – энтропия присутствует и внутри черной дыры, и мы лишь увеличим ее. Упав в черную дыру, наш ящик с молекулами внутри приплюсуется к общей массе черной дыры, и соответственно увеличится горизонт событий. Вместе с тем возрастет и энтропия.

Но тут возникает затруднение. Нарастание энтропии означает повышение температуры. Объект, которому присуща энтропия, не может быть совершенно холодным, а если у него есть температура, объект должен излучать энергию. Раз излучается энергия, мы уже не вправе говорить, что “оттуда” ничего не исходит. Но ведь из черной дыры ничего не должно исходить.

Хокинг счел гипотезу Бекенштейна ошибочной и даже сердился, что Бекенштейн, мол, исказил его открытие о неубывании горизонта событий. В 1972 и 1973 годах вместе с двумя другими физиками, Джеймсом Бардином и Брэндоном Картером, он, казалось бы, двигался навстречу этой гипотезе, разработав в итоге целых четыре закона механики черной дыры, практически совпадающих с четырьмя хорошо известными законами термодинамики, – нужно лишь заменить выражение “горизонт событий” на термин “энтропия”, а вместо “сила притяжения на поверхности горизонта” писать “температура”[105]. Тем не менее три соавтора продолжали настаивать, что это всего лишь аналогия, и в окончательной версии своей статьи[106] подчеркивали, что четыре закона механики черной дыры хотя и похожи на законы термодинамики, но отнюдь с ними не совпадают. Сколько бы мы ни проводили параллелей между свойствами энтропии и областью внутри горизонта событий, в черной дыре энтропии нет, писали они, поскольку из нее ничего не исходит. Такой аргумент Бекенштейну крыть было нечем, и все же, хотя он был в ту пору аспирантом, а эти трое уже сделали себе имя в науке, Бекенштейн не сдавался. В итоге выяснилось, что ошибались Хокинг, Бардин и Картер. Сам же Хокинг и доказал это.

В 1962 году, когда Хокинг поступил в Кембридж, он предпочел космологию, науку о бесконечно больших, квантовой механике, науке о бесконечно малых. Теперь, в 1973 году, он решил сменить угол зрения и изучить черные дыры как раз с точки зрения квантовой механики. Впервые кто-то всерьез – и с успехом – попытался объединить две главные физические теории ХХ века, теорию относительности и квантовую механику. Как мы знаем из главы 2, несводимость этих теорий стала главным препятствием на пути к созданию теории всего.

В январе 1973 года Хокингу исполнился 31 год. Новый год принес ему публикацию его первой книги, написанной в соавторстве с Джорджем Эллисом и посвященной Деннису Сиаме. Эту работу, “Крупномасштабная структура пространства-времени”, Хокинг теперь считает “крайне специальной и едва ли читабельной”[107]. Книгу до сих пор можно отыскать на полках академических книжных магазинов, и любой читатель, кроме специалиста по физике, пожалуй, согласится с таким суждением автора, если попытается ее пролистать. Бестселлером, подобным “Краткой истории времени”, этой работе не стать, но в своей области она признана классической.

В августе и сентябре того же года, в длинные университетские каникулы, Хокинги съездили в Варшаву на празднование пятисотлетия со дня рождения Николая Коперника, а оттуда дальше на восток, в Москву. Они пригласили в эту поездку и Кипа Торна, поскольку тот уже пять лет сотрудничал с советскими физиками и знал ходы и выходы в Союзе. Хокинг хотел потолковать с Яковом Борисовичем Зельдовичем и его аспирантом Александром Старобинским. Эти двое советских ученых сумели доказать, что принцип неопределенности подразумевает: вращаясь, черная дыра создает и испускает частицы, порожденные энергией вращения. Излучение не выходит за пределы горизонта событий, оно притягивается обратно и замедляет вращение черной дыры, пока вращение вовсе не остановится, а вместе с вращением прекратится и излучение. Хокинг заинтересовался идеями Зельдовича и Старобинского, однако их вычисления его не устраивали. После этой встречи он вернулся в Кембридж с твердым намерением отыскать математическое решение получше.

Хокинг ожидал, что его подсчеты подтвердят: черная дыра испускает то самое излучение, которое предсказывали русские, однако он открыл нечто куда более поразительное: “К собственному изумлению, я обнаружил, что даже невращающиеся черные дыры должны с постоянной интенсивностью порождать и испускать частицы”[108]. Сперва Хокинг заподозрил собственные вычисления и много времени провел в поисках ошибки. В особенности он не хотел, чтобы о таком повороте событий прознал Бекенштейн, ведь выходило, что тот был прав, отождествляя площадь горизонта событий и энтропию. Однако чем дольше Хокинг размышлял об этом, тем очевиднее становилось, что его вычисления вполне соответствуют истине. И вот что интересно: спектр испускаемых частиц как раз соответствовал излучению любого объекта с повышенной температурой.

Бекенштейн, выходит, был прав: нет смысла бросать вещество в черные дыры, словно в огромные урны, – энтропия от этого не уменьшится и порядка во вселенной не прибавится. Вещество, обладающее энтропией, провалится в черную дыру, площадь горизонта событий увеличится, энтропия черной дыры возрастет. Суммарная энтропия вселенной внутри черной дыры и за ее пределами никак не уменьшится.