Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Еще одно нововведение, которое сделал Стивен в своей работе, – ввел геометрическое описание уравнений, стал мыслить образами. Очень часто физические законы можно представить геометрически. Это не обязательно, но вполне допустимо. Связь между подходами, в одном из которых большее предпочтение отдается геометрии, а в другом меньшее, в каком-то смысле подобна изучению геометрии и алгебры в средней школе. На уроках геометрии вы имеете дело с линиями, углами, окружностями, треугольниками и другими фигурами; вам объясняют правила, как следует орудовать с ними. На уроках алгебры вы часто оперируете с теми же понятиями, но в виде уравнений – например, пишете уравнения линии, окружности, синусоиды и косинусоиды. Теорему можно доказать либо алгебраически, либо геометрически. Это справедливо и в физике. Особенно в теории относительности, основные положения которой, как показал Минковский, очень хорошо могут быть выражены в наглядной геометрической манере.

Стивен скомпенсировал свою неспособность писать уравнения, разработав свой нетривиальный геометрический язык, позволявший ему рисовать в своем воображении картины, с помощью которых он изучал те или иные физические процессы. Он постепенно натренировал себя манипулировать в уме с кривыми и интуитивно понятными графиками так же хорошо, как другие производят действия с уравнениями на доске. Процесс мышления Стивена всегда разительно отличался от того, что происходит в головах у других физиков, а теперь он сформировал свой собственный, уникальный язык.

При решении некоторых задач этот язык оказывался более эффективным, чем традиционные действия с уравнениями. В этих случаях его ограниченная дееспособность выступала не как помеха, а наоборот, помогала ему развивать сверхвозможности. Он мог увидеть то, что было недоступно взгляду других, и к нему приходили свойственные только ему озарения. Были и такие задачи, для решения которых его подход оказывался менее эффективным, чем традиционный. Он учился выбирать «свои» проблемы и сосредоточивал свои усилия на тех задачах, в которых мог проявить свое преимущество. В этих вопросах, по словам Кипа, Стивен обладал «могуществом, равным которому никто не мог похвастаться».

Путь к открытию своего излучения Хокинг проложил через Москву. Стивен приземлился в Москве в сентябре 1973 года. Он и Джейн сопровождали Кипа Торна в поездке, целью которой было повидаться с замечательными советскими физиками, которые были несколько ограничены в свободе передвижения по миру – потому, что они были либо диссидентами, либо евреями. Эти физики не могли посетить Стивена в Кембридже, но они могли совершить паломничество в двухкомнатный люкс Стивена в гостинице «Россия», неподалеку от Красной площади. В один из этих визитов Стивен и узнал об удивительной догадке, высказанной Яковом [Борисовичем] Зельдовичем, который был представителем принимающей стороны в России: Каким бы ни был человек при жизни – полным или худым, высокого роста или коротышкой, красивым или малопривлекательным, злым, невежественным или образованным, – если его подвергают кремации после смерти, от его тела остается горстка пепла. Каждый живущий человек индивидуален, в отличие от продуктов сгорания. Единственное, чем могут отличаться толстый король и изящная балерина – оставшейся от них массой горстки пепла. Звезды с размерами больше определенной величины ожидает та же участь [10] Только у очень массивных звезд имеется достаточно большое гравитационное поле, чтобы образовать черные дыры после коллапса. Наше Солнце относительно «легкое», его ожидает гораздо более спокойная кончина – перерождение в белого карлика. .

Когда умирает массивная звезда, когда она взрывается и из нее образуется черная дыра, практически все черты ее индивидуальности теряются. Все исчезает в небытии – элементы и частицы, из которых она состояла, состояние турбулентной плазмы во внутренних частях, слои образовавшейся у нее структуры. После коллапса только три параметра характеризуют бывшую звезду: масса, вращение и электрический заряд. Это все, что остается от «индивидуальности» звезды. И только эти три параметра описывают черную дыру; никакими другими особенностями она обладать не может.

Обычно знакомство с черными дырами на уровне популярных знаний, да и множество специальных работ по черным дырам, ограничивается простейшим случаем – черными дырами с нулевым зарядом, у которых отсутствует вращение. Единственная характеристика таких черных дыр – их масса. Но Зельдович принял во внимание вращение черных дыр. Он предложил идею, казавшуюся очень странной на тот момент, а именно: вращающиеся черные дыры должны излучать энергию.

Согласно Зельдовичу, излучаемая черной дырой энергия берется из ее энергии вращения. Излучение будет все больше и больше истощать энергию вращения, черная дыра будет вращаться все медленнее и медленнее, пока, наконец, не остановится и не перестанет излучать.

В отличие от теории Бекенштейна, идея о том, что вращающаяся черная дыра будет излучать энергию, не выглядела слишком радикальной, ломающей все устои, потому что излучаемая энергия извлекалась из вращения черной дыры, а не из ее массы. Вращающаяся черная дыра могла сохранять свою массу неизменной и все-таки излучать. Ей вовсе не нужно было истощаться и исчезать в процессе излучения.

Зельдович опубликовал свои идеи, но его аргументация была сложной, а математические аспекты вызывали некоторые вопросы. На его статью не обратили должного внимания, а потом и вовсе о ней забыли. Но, когда Зельдович рассказал Стивену о своей теории в гостиничном номере, Стивен был заинтригован. Анализ Зельдовича был основан на законах гравитации и квантовой теории. В идеале следовало бы использовать теорию квантовой гравитации, но ее еще не существовало, и Зельдович попытался осторожно совместить элементы общей теории относительности (рассматривая гравитационный аспект) и физики элементарных частиц (когда дело касалось квантового аспекта). Стивен скептически отнесся к методу Зельдовича и решил исследовать процесс с помощью своих собственных геометрических методов.

Анализ Стивена убедил его в том, что в выкладки Зельдовича действительно вкралась ошибка, но вовсе не там, где предполагал Стивен. Работа Стивена подтвердила, что вращающиеся черные дыры излучают энергию, но она также показала, что и черные дыры, у которых вращения нет, также излучают энергию. По расчетам Стивена получалось, что должны излучать все черные дыры – в полном согласии с теорией Бекенштейна об энтропии черной дыры.

Вначале Стивен подумал, что где-то в его расчетах есть ошибка. Возможно, неверно одно из приближений, сделанных в процессе работы? Но после повторного рассмотрения он не нашел ошибки. А когда Стивен рассчитал характеристики излучаемой энергии, оказалось, что они совпадают с теми, которые ожидались бы в случае правоты Бекенштейна.