Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Практически все физики полагали, что сходство между этими законами было просто совпадением, хотя и необычным. Но студент-магистрант из Принстона по имени Яаков Бекенштейн придерживался иного мнения. Бекенштейн предположил, что соответствие законов следует понимать буквально, а именно, что энтропия черной дыры пропорциональна площади поверхности ее горизонта событий.

Энтропия является мерой беспорядка. Например, в кубике льда молекулы воды расположены в виде правильных шестиугольников, в то время как в жидкости те же молекулы воды хаотически перемещаются. Кубик льда, таким образом, имеет относительно низкую энтропию; когда он тает, энтропия увеличивается. В общем случае, система с низкой энтропией – это упорядоченная система, или простая система, содержащая не так много составных частей, которые могут прийти в беспорядок. С другой стороны, типичная система с высокой энтропией – это сложная система, в которой господствует хаос.

Что касается черной дыры, то она казалась слишком простой, чтобы находиться в состоянии беспорядка. Однажды образовавшись, она пребывает в неизменном состоянии и покоится в пустом пространстве, как бильярдный шар в лузе. Нет составных частей – нечему приходить в беспорядок. Если никакого беспорядка в черных дырах нет, то и энтропия, следовательно, равна нулю. Идеи Бекенштейна противоречили этой картине и были встречены повсеместным зубоскальством.

Была еще одна причина, по которой теория Бекенштейна была принята в штыки. В соответствии с законами термодинамики, любое тело с энтропией выше нуля должно иметь температуру больше нуля – оно не может быть совершенно холодным. А если температура тела выше абсолютного нуля, оно должно испускать излучение, то есть будет светиться [8] Хотя и не обязательно в видимом диапазоне частот. .

В этом-то и заключается проблема, потому что при излучении тело выделяет энергию. Энергия берется из массы черной дыры. Другими словами, «светящаяся» черная дыра будет медленно преобразовывать свою массу в электромагнитную энергию (в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc² ), которая будет излучаться в окружающее пространство [9] Если черная дыра вращается, ситуация будет несколько сложнее, но данная тема выходит за рамки этой книги. . Черная дыра будет постепенно сжиматься и в конце концов полностью исчезнет. В каком-то смысле она попросту испарится, так как все ее содержимое истечет в виде излучения.

Сегодня мы говорим об этом излучении как об излучении Хокинга, но сам Стивен, по иронии судьбы, не верил в него в то время, когда Бекенштейн впервые завел о нем разговор. Стивен вообще забраковал идеи Бекенштейна, потому что они противоречили той картине, которую Стивен с коллегами кропотливо собрали из уравнений общей теории относительности для черных дыр. Бекенштейн признавал: из его теории энтропии черных дыр с необходимостью следует, что черные дыры излучают. Хотя он также разделял общее мнение, что излучать они не могут. Бекенштейн не понимал, как разрешить этот парадокс, но не хотел отказываться от идеи о том, что черные дыры имеют энтропию.

Повсеместные атаки, предпринятые учеными на идею Бекенштейна, показывают, каким мужеством надо обладать, чтобы в физике выдвинуть новую идею. Шансы выиграть баталию имеются только в том случае, когда у вас есть неопровержимые свидетельства вашей правоты. Бекенштейн предложил идею энтропии у черных дыр, но дальше не пошел – не захотел признать возможность, следовавшую из этого, а именно излучение черных дыр. И защитить свою идею от нападок он не смог – практически никто не разделял его мнения. Его «подбили на взлете», причем Стивен был одним из главных атакующих.

Впоследствии старую теорию черных дыр, основанную целиком и полностью на общей теории относительности, пришлось исправить с учетом принципов квантовой теории. Это привело к тому, что идея об энтропии черных дыр получила подтверждение. Сам Стивен признал свою изначальную неправоту в споре с Бекенштейном и принял, скрепя сердце, другую сторону – он подтвердил, что Бекенштейн был прав.

Когда я вышел от Стивена после обеда, покончив с барашком и вином, поговорив о моих предсмертных фантазиях в госпитале, было уже больше десяти часов вечера. Мне не хотелось сразу идти в свою комнату в старинном колледже Гонвилля и Киза. Учитывая рабочее расписание Стивена, я решил, что могу прогуляться перед сном и прийти домой попозже, чтобы сразу же лечь спать.

Стояла зима. Моя крошечная комнатка с каменными стенами, маленькими оконцами и низким потолком была довольно мрачной. Она имела особый шарм – особенно если вообразить себя летучей мышью. Но в данный момент я не чувствовал в себе желания глазеть на потолок. Я побрел от дома Стивена по направлению к знакомому пабу, до которого было примерно полчаса ходьбы. Обычно пабы в Кембридже закрывались в одиннадцать часов, но это «закрытие» имело разный смысл для разных людей. Хозяйка этого паба, сорокалетняя китаянка понимала это буквально и закрывала двери заведения. Ровно в одиннадцать. Но при этом она и ее муж-бармен, британский подданный, не требовали от посетителей, чтобы они покинули заведение. Каждый, кто успел войти до закрытия, мог сидеть, сколько ему заблагорассудится, и при этом заказывать, что угодно. Иногда последние посетители расходились часа в два ночи, а то и позже. Типичная бизнес-модель двоякого отношения к букве закона. Работала она превосходно.

Кембриджские пабы не похожи были ни на какие другие заведения подобного рода, виденные мною прежде. Посетитель или посетительница, которые рядом с вами за столиком потягивали пиво и пребывали в состоянии подшофе, скорее всего не были заурядными пьянчужками. Он или она могли оказаться студентами старших курсов по астрофизике. Мог встретиться даже известный нейробиолог. Однажды я провел весьма плодотворный вечер, слушая под обильные пивные возлияния доклад одного специалиста о состоянии дел в экономике сельского хозяйства в западной Африке. Нельзя сказать, что это моя излюбленная тема, но под крепкий портер и ассорти из орешков она прошла на удивление хорошо.

В тот вечер, о котором я рассказываю, я совершил ошибку, позволив бармену втянуть меня в разговор о моей работе со Стивеном. Я был завсегдатаем в этом пивном заведении, бармен и его супруга знали, что я работаю со Стивеном. До сих пор мне удавалось избежать разговоров на профессиональные темы, но в этот раз все пошло наперекосяк. Бармен не взял с меня денег за пиво, а когда я пригубил кружку, сказал, что в порядке вознаграждения я должен рассказать ему о черных дырах. Терпеть не могу попадать в подобные ситуации. В конце концов, я пришел сюда, чтобы отвлечься, но не успел опомниться, как оказался вовлечен в разговор о черных дырах.