Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Однако не прошло и года, как Хокинг передумал. Причиной стало новое направление исследований черных дыр, которое привлекло его внимание: высказанное в 1971 году предположение, что при Большом Взрыве, вероятно, возникли очень маленькие «минидыры», меньше ядра атома, которые до сих пор в изобилии представлены во Вселенной.

Критическая масса, необходимая для создания черной дыры из объекта, коллапсирующего под собственным весом, как мы уже упоминали, составляет приблизительно три массы Солнца, и сама Земля превратилась бы в черную дыру, если сжать ее до размеров около сантиметра. Однако черную дыру можно сделать абсолютно из чего угодно, если сжать это как следует: из пакета сахарного песка, из монетки, из книги, которую вы читаете, – из чего угодно. Просто чем легче предмет, который вы хотите превратить в черную дыру, тем сильнее придется его сжимать.

Хокинг рассудил, что если заглянуть в прошлое, вернуться к началу времен, то чем ближе к Большому Взрыву, тем выше плотность и давление. Значит, если заглянуть достаточно далеко, мы попадем в момент, когда давление было до того высоко, что его хватало, чтобы сжать в черную дыру любое количество вещества, какое хочешь, даже несколько граммов. Единственный недостаток подобной линии рассуждений состоит в том, что если Вселенная была в тот момент абсолютно однородной, никаких минидыр не могло образоваться, и единственной черной дырой была бы Вселенная как таковая. Но если в ней были какие-то неправильности, колебания плотности в разных местах, то на соответствующей стадии Большого Взрыва несколько граммов вещества – любая область, случайно оказавшаяся чуть плотнее среднего – и в самом деле могла быть вырвана из остального пространства-времени и превращена в крошечную черную дыру, которая сохранилась бы навечно (по крайней мере, так думал Хокинг в 1971 году) и осталась бы во Вселенной и посейчас.

Мы знаем, что при Большом Взрыве Вселенная никак не могла быть идеально однородной, иначе при ее расширении не могли бы образоваться неправильности вроде галактик. В ней должны были быть своего рода семена – крошечные неправильности, на которых впоследствии благодаря гравитации наросли галактики. Поэтому гипотеза Хокинга о первобытных минидырах представлялась вполне правдоподобной, пусть даже ее невозможно было проверить.

Однако минидыра по стандартам повседневной жизни довольно тяжелая, хотя по сравнению с обычными черными дырами, конечно, весит совсем мало. Например, черная дыра массой в миллиард тонн (масса земной горы), имела бы радиус примерно с радиус протона. Не такие массивные черные дыры были бы соответственно меньше. А физики знали, что если имеешь дело с такими маленькими объектами, приходится обращаться к квантовому описанию реальности, чтобы разобраться в происходящем.

Тут события приняли интересный оборот. В 1969 году Роджер Пенроуз показал, что вращающаяся черная дыра в процессе может терять энергию и замедляться. Это происходит примерно так, как исследователи космоса иногда применяют гравитацию планет, чтобы ускорить космический аппарат, движущийся через Солнечную систему. Например, сейчас, когда мы пишем эти строки, зонд «Галилео» только что совершил подобный гравитационный маневр при облете вокруг Земли, а затем, если все пройдет хорошо, окажется на орбите вокруг Юпитера. Но чтобы попасть туда, зонду придется проделать сложный маршрут.

После запуска «Галилео» полетел не напрямик через Солнечную систему к Юпитеру, а сначала направился в сторону Солнца, к Венере. Облетев Венеру по тщательно рассчитанной орбите, зонд набрал энергию и скорость и отправился к Земле. Венера утратила соответствующее количество энергии, но поскольку она несравнимо массивнее космического зонда, то замедлилась на орбите лишь на ничтожно малую величину. К концу 1990 года разогнавшийся «Галилео» выполнил следующий гравитационный маневр, на сей раз вокруг Земли, и вышел на орбиту, на которой ему предстоит через два года проделать еще один маневр. Только тогда он наберет достаточную скорость, чтобы добраться до Юпитера за разумное время, и это показывает, насколько увеличится скорость зонда, что даже после нескольких лет, которые требуется на три сложных гравитационных маневра, он доберется до Юпитера быстрее, чем если бы сразу полетел туда.

Пенроуз показал, что подобные гравитационные эффекты способны значительно увеличить энергию электромагнитного излучения вблизи вращающейся черной дыры. Излучение набирает энергию – а вращение черной дыры замедляется. В 1973 году советские учение Яков Зельдович и Алексей Старобинский обобщили эту идею и показали, что вращающаяся черная дыра должна испускать частицы. Их доводы были основаны на принципе неопределенности квантовой физики, и вскоре мы поговорим об этом подробнее. Они убедили Хокинга, что такое и вправду может быть, и он занялся точным математическим описанием этого явления. К своему удивлению, а поначалу и к вящей досаде, он обнаружил, что из уравнений следует, что тот же процесс должен идти и у невращающейся черной дыры. «Я опасался, что если об этом узнает Бекенштейн, он будет использовать это как довод в пользу своих идей об энтропии черной дыры, которая мне очень не нравилась». [45]В 1977 году Хокинг написал в январском выпуске «Scientific American», что «приложил довольно много усилий, чтобы избавиться от этого неприятного эффекта», [46]однако безрезультатно. В итоге Хокингу пришлось предпочесть математические доказательства собственному предубеждению. Он обнаружил, что все черные дыры испускают энергичные частицы, а следовательно, у всех черных дыр есть температура, которая в точности соответствует термодинамическим расчетам на основании площади поверхности черной дыры. Рассмотрим, как это получается, что называется, на пальцах, без подробных математических выкладок.

Принцип квантовой неопределенности не просто означает, что человеческие приборы неспособны точно измерить никакие физические величины. Он означает, что Вселенная сама «не знает», какова та или иная величина с абсолютной точностью. К энергии это относится так же, как и ко всему остальному. Мы привыкли считать, что пустое пространство потому и пустое, что в нем ничего нет, а следовательно, энергия пустого пространства равна нулю, однако законы квантовой механики гласят, что и здесь таится неопределенность. Вероятно, каждая крошечная область вакуума на самом деле содержит много энергии.

Если вакуум содержит достаточно энергии, он может преобразовать ее в частицы по формуле E = mc 2 . Однако все не так просто. Если бы гипотетическая энергия неопределенности в вакууме преобразовывалась в частицы и эти частицы превращались бы в перманентные составляющие Вселенной, это нарушало бы закон неопределенности: ведь теперь и люди-наблюдатели, и сама Вселенная были бы уверены, что на свете есть что-то (частица-другая), возникшее буквально из ничего. Принцип неопределенности работает в обе стороны: в таких обстоятельствах нельзя быть уверенным, что энергия не равна нулю, точно так же, как нельзя быть уверенным, что она равна нулю.