Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Определение горизонта событий с точки зрения Стивена требует знания полной истории пространства-времени, включая будущее, хотя на практике теми объектами, которые находятся далеко в пространстве и во времени, можно пренебречь. Такое определение, в котором нечто происходящее сейчас обусловлено развитием событий в будущем, в физике называется телеологическим. Физики позаимствовали это слово из философии – философы используют его для объяснения явлений не с точки зрения сиюминутной причины, а руководствуясь конечной целью того, что происходит сейчас.

Философы размышляли над телеологическими законами природы, по крайней мере, начиная с Аристотеля. Естествознание учит нас, что дождь начинается потому, что влага в облаках конденсируется в капельки воды, которые тяжелее воздуха. Но, по Аристотелю, у дождя иная причина: дождь идет для того, чтобы могли произрастать растения, которыми питается человек. Будущие запросы, полагал Аристотель, формируют настоящее. В большей или меньшей степени – в зависимости от склада характера – мы все принимаем решения в нашей жизни именно таким образом. Например, если вам предлагают съесть за ланчем кусочек чизкейка, можно не идти на поводу у сиюминутной прихоти, а принять во внимание меню будущего обеда. В физике, однако, силы действуют и тела реагируют на них в согласии с условиями, существующими в настоящем времени. Поэтому, хотя телеологические идеи и являются частью нашей повседневной жизни, они редко используются в физике. Телеологическое определение, данное Стивеном горизонту событий, – это сокровище, рожденное его творческой изобретательностью. Именно научное бесстрашие Стивена позволило ему пробудить к жизни и разработать идею, которая другими учеными, включая Пенроуза, была сброшена со счетов.

На первый взгляд может показаться, что нюансы того, как именно теоретики определяют понятие горизонта событий черной дыры, не очень важны. Ведь формулировка того или иного термина – это выбор физиков, а не постулат, подобный закону природы. Но принципы, которые мы изобретаем, влекут за собой идеи, которые мы выдвигаем, и выводы, которые мы делаем из этих идей. Определение, данное Стивеном, оказалось мощным рычагом для рывка вперед и было широко воспринято другими учеными. Оно послужило путеводной звездой для их интуиции и сформировало в их воображении картины процессов, происходящих в черной дыре. Стивен назвал свой горизонт событий «абсолютным горизонтом», чтобы отличить его от «видимого» горизонта событий Пенроуза. Дав новое определение горизонту событий, Стивен по существу переосмыслил не только понятие горизонта, но и подход к изучению черных дыр.

Вооружившись новым принципом по отношению к черным дырам, Стивен с неукротимым упорством начал исследовать законы, следующие из общей теории относительности и управляющие черными дырами. Он, бывало, отключался на несколько дней кряду. Джейн пыталась заговаривать с ним о повседневных делах, но его не интересовало ничего, кроме мира физики. Она хотела получить от него уверение в том, что по-прежнему важна для него, но он был глух. Он без конца ставил на проигрывателе оперу Вагнера и работал под музыку – так же, как тогда, когда он узнал свой диагноз, так же, как делали его родители, когда он был ребенком. Джейн возненавидела Вагнера. Он стал для нее «злым гением», силой, внесшей раскол в их супружескую жизнь.

Вагнер сослужил плохую службу Стивену в его семейных отношениях, но помог ему совершить прорыв в науке. Говоря языком математики – сколько в одном месте убавилось, столько в другом прибавилось. Через полтора года неутомимой работы в сотрудничестве с двумя своими коллегами Стивен сделал второе важное открытие – он открыл законы механики черных дыр. Он сформулировал их в августе 1972 года. Ему в то время исполнилось всего лишь тридцать лет. Стивен выяснил, как именно растут черные дыры при падении на них вещества и что происходит при их взаимодействии с другими черными дырами.

Законы Стивена опередили свое время. Первые наблюдения, которые подтвердили косвенно, но с большой долей вероятности, что черные дыры существуют, были проведены только около 1990 года: предположительно, черной дырой оказался небесный объект Лебедь X -1. А первое непосредственное наблюдение возмущений пространства-времени, являющихся свидетельством столкновения черных дыр, – обнаружение гравитационных волн – произошло только в 2015 году во время проведения эксперимента LIGO [7] L I G O (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory – «лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория»). Об открытии было объявлено в 2016 году. . За это открытие Кип Торн с коллегами получили Нобелевскую премию. Первое (почти) прямое наблюдение самой черной дыры свершилось в 2019 году, через год после смерти Стивена.

Хотя прямые наблюдения черных дыр во времена Стивена были невозможны, он был убежден, что черные дыры могут предоставить нам уникальную информацию о природе гравитации, пространства и времени, а также раскрыть секреты, которые остаются под покровом тайны в обычных обстоятельствах. Интуиция его не подвела.

Открытие законов механики черных дыр явилось важным шагом на пути к пониманию природы этих экзотических объектов. Эти законы имели странную особенность, которая также оказалась важной: они были очень похожи на законы из другой области физики, термодинамики, изучающей законы распространения тепла. По существу, все законы, описывающие поведение черных дыр, оказались идентичными законам термодинамики; надо было только заменить некоторые понятия в термодинамике на соответствующие понятия в физике черных дыр.

Рассмотрим, в частности, один из законов, действующих в мире черных дыр, – закон возрастания площади черной дыры. Согласно этому закону, при любом взаимодействии черных дыр – сливаются ли они друг с другом, поглощают ли материю, сталкиваются ли, и так далее, – общая сумма площадей всех горизонтов событий черных дыр всегда возрастает. Для обычных объектов это не так. Например, если вы возьмете два одинаковых пластилиновых шарика, сомнете их в один пластилиновый ком и затем сформируете новый шар, простая школьная математика подскажет вам, что площадь поверхности этого шара будет примерно на двадцать процентов меньше , чем сумма площадей поверхностей первоначальных шариков. Но вследствие кривизны пространства, если смять вместе две черные дыры, горизонт событий – аналог поверхностной площади – окажется больше суммы исходных горизонтов.

Физики немедленно взяли на заметку тот факт, что теорема возрастания площади поразительно похожа на второй закон термодинамики. Теорема возрастания площади утверждает, что при любом взаимодействии черных дыр сумма площадей горизонтов событий черных дыр всегда растет. Второй закон термодинамики утверждает, что при любом физическом взаимодействии энтропия (степень случайности) любой закрытой системы всегда растет. Замените термин «площади горизонтов событий» на слово «энтропия», и закон о черных дырах превратится в закон термодинамики.