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.

---

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.

Однако Хокингу предстояло расправиться с загадкой посложнее: как может черная дыра быть горячей и испускать частицы, если ничто не выходит за пределы горизонта событий? Ответ он нашел в квантовой механике.

Рассуждать о пространстве как о вакууме не вполне правильно, ведь пространство, как мы уже убедились, не бывает совершенно пустым. Сейчас мы поймем, почему это так.

Принцип неопределенности гласит: нам не дано точно знать и положение частицы, и ее количество движения одновременно в любой момент времени. И более того, мы не можем точно знать величину поля и скорость его изменения во времени. Чем точнее мы знаем величину поля, тем менее точно знаем скорость изменения, и наоборот – вечные качели. Зато величина поля никогда не бывает равна нулю: ноль – самое что ни на есть точное измерение как величины, так и скорости изменения, а принцип неопределенности не допускает такой точности измерения. В абсолютно пустом пространстве величина любого поля должна быть равна нулю. Нет нулевой величины поля – нет и пустого пространства.

Вместо пустого пространства, полного вакуума, которое мерещится “где-то там” большинству из нас, приходится иметь дело с минимальной неточностью, с некоторой неопределенностью насчет того, какова же величина поля в “пустом” пространстве. Вот один из способов постичь колебания величины этого поля, чуточку больше нуля – чуточку больше, но никогда не ровно ноль.

Постоянно возникают пары частиц – например, фотонов или гравитонов. Сперва пара держится вместе, затем распадается. Спустя невообразимо короткий промежуток времени эти частицы вновь соединяются, и происходит аннигиляция – частицы взаимно уничтожают друг друга. Квантовая механика учит, что такие события происходят все время и повсюду в так называемом “вакууме”. Возможно, эти частицы не “реальны”, то есть мы не сумеем зарегистрировать их с помощью приборов, но они и не плод воображения. Даже если эти частицы всего лишь “виртуальны”, мы знаем об их существовании, поскольку можем замерить их влияние на другие частицы.

Некоторые пары состоят из частиц материи, фермионов. В таком случае одна из частиц в паре принадлежит к антиматерии. Антиматерия, с которой нас познакомили научно-фантастические романы, видеоигры и фильмы (она служит топливом кораблю “Энтерпрайз”), не вымысел.

Вероятно, вы слышали о том, что общее количество энергии во вселенной всегда остается постоянным. Энергия не может вдруг взяться из ниоткуда. Как же применить этот закон к постоянно образующимся парам частиц? Они-то ведь порождаются “взятой взаймы” на очень краткое время энергией. Постоянного изменения не происходит. Одна частица в паре несет отрицательную энергию, другая – положительную. Вместе они уравновешивают друг друга. Общее количество энергии во вселенной не увеличивается.

Хокинг рассуждал так: на горизонте событий черной дыры появляется множество таких пар. Он представлял себе, как возникает пара виртуальных частиц. Прежде чем разошедшиеся частицы встретятся вновь и аннигилируют, одна из них, та, что с отрицательной энергией, пересечет горизонт событий и попадет внутрь черной дыры. Означает ли это, что и положительно заряженная частица должна последовать за своей неудачливой напарницей, разыскать ее и вместе с ней погибнуть? Нет. Гравитационное поле на горизонте событий черной дыры настолько сильно, что способно творить чудеса с “виртуальными” частицами, даже с теми, кому не повезло получить отрицательную энергию: оно превращает их из “виртуальных” частиц в “реальные”.

Это превращение радикально изменяет судьбу частиц. Им уже нет необходимости разыскивать друг друга, чтобы аннигилировать. Они смогут существовать по отдельности, причем намного дольше. Разумеется, и частица с положительной энергией может упасть в черную дыру, но может и не упасть. Она освобождается от уз партнерства. Она может спастись бегством. Наблюдателю из удаленной точки покажется, будто она вылетела изнутри черной дыры. На самом деле эта частица находилась точно на наружной границе. А вторая частица из пары унесла отрицательную энергию внутрь черной дыры (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Излучение Хокинга.

Теперь такого рода излучение черных дыр называется излучением Хокинга. И, сделав второе свое великое открытие о природе черных дыр, Хокинг сам и доказал, что первое его прославленное открытие, второй закон динамики черных дыр (площадь горизонта событий никогда не сокращается), не всегда верно. Излучение Хокинга может привести к тому, что черная дыра начнет уменьшаться в размерах и в конечном итоге вовсе испарится. Это было уже не просто открытие – революция.

Почему излучение Хокинга приводит к уменьшению размеров черной дыры? Превращая “виртуальные” частицы в “реальные”, черная дыра теряет энергию. Как это возможно, если ничто не выходит за пределы горизонта событий? Как может черная дыра что-то “терять”? Ответ хитроумный: попадая в черную дыру, частица с отрицательной энергией приносит в черную дыру именно отрицательную энергию, то есть общее количество энергии в черной дыре убывает. Добавить отрицательную энергию значит вычесть энергию.

Так излучение Хокинга “грабит” черную дыру, отнимая у нее энергию. С убыванием энергии автоматически убывает и масса. Вспомните уравнение Эйнштейна Е=mc2. Е – энергия, m – масса, с – скорость света. Когда в левой части уравнения убывает энергия (именно это происходит в рассмотренном случае в черной дыре), должно убывать и произведение в правой части уравнения. Скорость света – с – константа. Следовательно, убывает масса. Итак, предположив, что черная дыра теряет энергию, мы допускаем также, что в ней убывает и масса.

Учтем это и вспомним открытие Ньютона, формулу гравитации: если изменяется масса тела, то непременно меняется и сила притяжения, с какой это тело воздействует на другие тела. Если уменьшится масса Земли (на этот раз мы говорим о массе, а не о размерах), ее гравитационное поле на орбите Луны окажется слабее. Если черная дыра потеряет часть своей массы, сила ее притяжения на горизонте событий (границе невозврата) станет меньше. Тогда и вторая космическая скорость на таком расстоянии от черной дыры станет меньше скорости света. Значит, равенство “вторая космическая скорость = скорость света” будет действительно для меньшего, чем прежде, радиуса. Появится новый горизонт событий – ближе к черной дыре. Площадь горизонта событий сократится. Только так мы можем объяснить уменьшение размеров черной дыры.

Если замерить излучение Хокинга из большой черной дыры, возникшей в результате коллапса звезды, то мы будем разочарованы: такая огромная черная дыра, а температура на поверхности лишь на миллионную долю градуса превышает абсолютный ноль. И чем больше черная дыра, тем ниже ее температура. Хокинг утверждает: “Черная дыра с десятикратной солярной массой может испускать несколько тысяч фотонов в секунду, но их длина волны совпадает с размерами черной дыры, а энергии так мало, что мы не сумеем их обнаружить”[109]. Ведь чем больше масса черной дыры, тем больше и площадь горизонта событий. Чем больше площадь горизонта событий, тем выше энтропия. Чем выше энтропия, тем ниже температура поверхности и уровень излучения.

Взрывы черных дыр?

Однако уже в 1971 году Хокинг предположил существование черных дыр иного типа – маленьких. Самые удивительные – размером с ядро атома. Вот у них излучение так излучение. Чем меньше черная дыра, тем выше температура на ее поверхности. Описывая эту разновидность черных дыр, Хокинг восклицает: “Едва ли их правильно именовать черными: на самом деле они раскалены добела!”[110]

Эти “первичные черные дыры”, как называл их Хокинг, появились – если они в самом деле существуют – не в результате коллапса звезд. Это пережиток самых ранних этапов существования вселенной, когда действовало мощнейшее давление, сжимавшее вещество чуть ли не в точку. С тех пор первичные черные дыры должны были еще и уменьшиться в размере, ведь они постоянно теряют массу.

Для первичной черной дыры излучение Хокинга губительно: масса уменьшается, уменьшается и сама черная дыра, температура и скорость испускания частиц с горизонта событий возрастают. Черная дыра все быстрее теряет массу, а чем меньше масса, тем больше температура – порочный круг.

Чем же дело кончится? Хокинг предположил, что в итоге маленькая черная дыра исчезнет, выпустив напоследок огромное количество частиц – словно взорвется разом миллион водородных бомб. Взорвется ли когда-нибудь и большая черная дыра? Нет, вселенная достигнет финальной стадии своего существования задолго до того, как большая черная дыра будет готова к взрыву.