Макс Тегмарк - Жизнь 3.0. Быть человеком в эпоху искусственного интеллекта

В своей книге A Brief History of Time [39] См.: Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр / пер. с англ. Н. Я. Смородинская. СПб.: “Амфора”, 2001. – Прим. перев. Стивен Хокинг описал электростанцию, работающую на черных дырах [40] Если поблизости в космическом пространстве не окажется никакой подходящей черной дыры, созданной самой природой, ее можно создать самим, засунув очень много материи в какое-нибудь достаточно маленькое место. . Это, возможно, звучит парадоксом, если вспомнить, что в черной дыре, как считалось долгое время, все, однажды туда попавшее, застревает навеки, и даже свет не может ее покинуть. Однако, как известно, Хокинг сумел рассчитать квантово-гравитационный эффект, благодаря которому черная дыра ведет себя как горячее тело, – причем чем меньше, тем горячее. Это излучение так и стали называть излучением Хокинга . Излучая, черная дыра теряет свою энергию, пока не испарится совсем. Другими словами, какое бы вещество вы ни засунули внутрь черной дыры, оно со временем вылезет обратно в виде теплового излучения, и к тому моменту, когда черная дыра испарится окончательно, все ваше вещество превратится в излучение практически со 100-процентной эффективностью [41] Здесь у нас опять некоторое чрезмерное упрощение, поскольку излучение Хокинга включает в себя и некоторые частицы, которые трудно пустить в дело. Большая черная дыра только 90 % своей массы излучает в доступном для использования виде, а остальные 10 % – в виде гравитонов. Это исключительно деликатные частицы: их почти невозможно обнаружить, не говоря уж о том, чтобы как-то использовать. По мере того как черная дыра все больше излучает и все больше сжимается, в ее излучении появляется все больше нейтрино и других массивных частиц. .

Проблема с использованием черных дыр в качестве источников энергии, однако же, такова: пока размер дыры не сравняется с размером атома или даже не станет значительно меньше его, на что уйдет больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, а пока этого не случится, излучение очень слабое: энергии выделяется не больше, чем от обычной свечки. При уменьшении размера черной дыры излучение растет пропорционально его квадрату, поэтому физики Луис Крейн и Шон Вестмореланд предложили использовать дыры примерно в тысячу раз меньшего размера, чем протон, и по весу примерно равные самому большому океанскому лайнеру {80} 80 Крейн и Вестморланд объясняют принцип работы двигателя на черной дыре в: http://arxiv.org/pdf/0908.1803.pdf . Главное для них заключалось в том, чтобы использовать энергию такой дыры для космического корабля (сюжет, к которому мы еще вернемся), поэтому их интересовала не столько эффективность, сколько портативность, и они предлагали кормить дыру лазерным лучом, исключая всякую возможность превращения энергии в вещество. Но даже если вы будете кормить ее веществом, а не излучением, гарантировать высокую эффективность трудно: чтобы заставлять протоны проваливаться в черную дыру размером в одну тысячную от их собственного, нужна машина вроде Большого адронного коллайдера, увеличивающая их энергию mc 2хотя бы в тысячу раз за счет кинетической энергии (энергии движения). А так как по меньшей мере 10 % этой кинетической энергии потеряется с гравитонами, когда черная дыра испарится, то окажется, что нам приходилось вкладывать в нее гораздо больше энергии, чем мы получим в конце, то есть ее эффективность и вовсе будет отрицательной. Более подробное изучение возможностей использования черной дыры в качестве источника энергии упирается в то, что для этого нам нужна квантовая теория гравитации, которая так до сих пор и не создана, – но эта неопределенность означает также то, что в ней может скрываться полезный квантово-гравитационный эффект, который нам пока неизвестен.

К счастью, есть другие способы получения энергии из черных дыр, которыми можно воспользоваться, не прибегая к квантовой гравитации или какой-нибудь другой, пока еще не очень понятной, физике. Например, многие известные черные дыры очень быстро вращаются, горизонт событий у них закручивается почти до скорости света, вот эту-то энергию и можно извлечь. Горизонт событий черной дыры – это та самая область пространства, где силы гравитации так велики, что даже свет не может ее покинуть. Рис. 6.4 показывает, что над горизонтом событий у вращающейся черной дыры есть так называемая эргосфера – область, где вращающаяся дыра захватывает окружающее ее пространство, а вместе с ним и любую попавшую туда частицу, у которой теперь нет возможности оказаться в состоянии покоя. Если вы забросите какой-нибудь объект в эргосферу, он немедленно будет подхвачен и закружится вокруг дыры. К сожалению, он вскоре будет поглощен черной дырой, навсегда сгинув под ее горизонтом событий, и пользы от него в смысле получения энергии никакой не будет. Однако Роджер Пенроуз показал, что если вы кинете его под правильным углом и при этом расколете на два, как показано на рис. 6.4, то поглощен будет только один осколок, в то время как другой вырвется на свободу с энергией больше той, которую вы ему изначально сообщили. Иными словами, вы успешно превратите часть энергии вращения черной дыры во что-то полезное, что можно будет потом потратить на совершение работы. Проделывая этот фокус много раз, вы можете выдоить из черной дыры всю ее энергию вращения, в результате чего она остановится, а эргосфера у нее пропадет. Если черная дыра вращается так быстро, как только ей позволяют законы природы, и ее горизонт событий фактически движется со скоростью света, то такая стратегия позволит вам превратить в энергию до 27 % ее массы. Тут все еще есть некоторая неопределенность, связанная с нашим незнанием того, насколько быстро вращаются черные дыры в нашем ночном небе, но некоторые наиболее изученные из них, кажется, должны вращаться довольно быстро – от 30 % до 100 % от допустимого максимума скорости. Монструозная черная дыра в центре нашей галактики (она весит в четыре миллиона раз больше нашего Солнца), по всей видимости, вращается так, что если даже превратить в энергию всего 10 % ее массы, получится то же самое, что при превращении в энергию массы 400 тысяч солнц со 100-процентной эффективностью, или примерно столько же энергии, сколько можно получить с помощью сфер Дайсона вокруг 500 миллионов солнц за миллиард лет.

Рис. 6.4

Часть энергии вращения черной дыры можно получить с помощью довольно простого процесса: если запустить частицу А между двух горизонтов, то она расщепится там на две, В и С, одна из которых (С) провалится в черную дыру, а другая (В) – вылетит наружу с энергией, превосходящей начальную энергию частицы А.