Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

С точки зрения частиц, созданных возле горизонта событий, ничего особенного не происходит — по крайней мере поначалу. Частицы-то не знают, что поблизости черная дыра. Они пребывают в свободном падении, точь-в‑точь как наши астронавты на борту МКС.

Но время от времени случается так, что одна частица создается чуть-чуть ниже горизонта событий, а вторая чуть-чуть выше. Ту частицу, которой хватило глупости пренебречь вселенским знаком «Посторонним вход воспрещен», поглощает черная дыра, а ее партнерша улетает наслаждаться полной свободой. Квантовая судьба переменчива. Которой из частиц суждено жить, а какой умереть — вопрос чистой случайности.

Интуитивно можно предположить, что поскольку черные дыры постоянно заглатывают виртуальные частицы, на калорийном рационе из вакуума они вскоре разжиреют. Но тут есть одна тонкость. Энергия очень зависит от того, где находишься. Если выбросить пианино из окна шестого этажа, то с точки зрения бросавшего оно обладает куда меньшей энергией, чем с точки зрения бедолаги, на которого оно рухнет.

Подобным же образом, если запустить фотон наружу из точки, расположенной поблизости от горизонта событий, но все же по внешнюю сторону от него, то чем дальше он будет улетать, тем больше энергии потеряет. Если он родился точно на горизонте событий, он потеряет всю энергию. Вот почему — сюрприз, сюрприз! — свет из черной дыры не вырывается. Тому, кто стоит далеко от нее, все равно, с каким запасом энергии фотон вылетел в путь — ему интересно только то, сколько у фотона энергии в момент, когда его наблюдают.

Налицо два эффекта, которые конкурируют друг с другом. Высокоэнергичные фотоны обязательно создаются поблизости друг от друга. Но при этом чем ближе фотон к горизонту событий, тем больше энергии он теряет на пути наружу. Совместно эти два эффекта и придают фотонам характерную энергию, которую можно наблюдать издалека. Чем крупнее черная дыра, тем меньше энергии в конечном итоге оказывается у фотона и тем холоднее излучение на взгляд наблюдателя.

Но тут все становится еще интереснее. Частица, созданная над горизонтом событий, теряет почти всю энергию. Частица, созданная в точности на горизонте событий, теряет всю свою энергию и не вносит никакого вклада в массу черной дыры. Любая частица, созданная ниже горизонта событий, обладает отрицательной энергией — а это значит, что когда она падает в черную дыру, та на самом деле теряет массу. Примерно как продукты с «отрицательной калорийностью» вроде сельдерея, на переваривание которых уходит больше энергии, чем они с собой приносят.

Количество массы, которую теряет черная дыра, заглотив фотон, родившийся ниже горизонта событий, в точности равно энергии удравшего фотона (с коэффициентом c² для ровного счета). Вуаля! Черная дыра полным ходом движется к испарению.

Давайте-ка облечем все это в числа, чтобы вы могли произвести впечатление на знакомых на пикнике, сборище фанатов комиксов или куда там вы ходите. Черная дыра с массой Солнца будет излучать свет с температурой примерно 60 миллиардных градуса по Кельвину. Это потрясающе холодно — примерно в 50 миллионов раз холоднее, чем фоновая температура вселенной. Поскольку тепло перетекает от горячего к холодному, излучение вселенной на самом деле подпитывает черную дыру с массой, равной массе Солнца. Поэтому уменьшаются в настоящий момент лишь жалкие и ничтожные черные дыры с массой меньше Луны.

Черные дыры с массой Солнца не начнут испаряться, пока вселенная не станет в 50 миллионов раз холоднее (а следовательно, в 50 миллионов раз больше), чем сейчас. До этого еще несколько сотен миллиардов лет. Иными словами, нет никаких шансов, что мы воспользуемся излучением Хокинга на практике, чтобы увидеть черные дыры. Они для этого слишком холодны.

То обстоятельство, что у черных дыр вообще есть температура, может показаться несколько неожиданным. Как мы уже видели, температура так или иначе связана с энтропией, при этом непонятно, что такое энтропия, если речь идет об объекте, который поглощает все, что к нему приближается. Сколько вообще есть вариантов устройства неостановимой пожирательной машины, у которой есть только одна характеристика — масса? Более того, количество тепла, попадающего в черную дыру, очень сильно зависит от того, что именно туда падает.

У сложных систем вроде монетки низкая энтропия, а комья теплого газа обладают очень высокой энтропией, однако же, упав в черную дыру, они увеличивают ее массу одинаково. Куда же девается эта информация? Вот что говорит об этом Хокинг:

Если прыгнешь в черную дыру, энергия твоей массы вернется во вселенную, однако в искореженной форме, в которой содержится информация о том, каким ты был, но в таком состоянии, что распознать ее нелегко. Это как сжечь энциклопедию. Если сохранить дым и пепел, информация не потеряется. Но прочитать ее будет трудно.

В сущности, черные дыры — это машины по производству энтропии. Второй закон учит нас, что энтропия в целом увеличивается, однако Хокинг предсказывает, что черные дыры — самое беспорядочное, что только допускают законы физики, что туда ни бросай.

Энтропия, содержащаяся в одной только черной дыре, находящейся в центре нашей галактики, больше, чем вся энтропия в наблюдаемой вселенной во время Большого Взрыва. И это всего лишь одна черная дыра. Единственный способ увеличить энтропию еще сильнее — это если черная дыра испарится и превратится в чудовищное количество низкоэнергичных фотонов, и в конечном итоге именно такая участь ее и ждет.

Итак, простая симметрия — принцип эквивалентности — дает нам и излучение Унру, и испарение черных дыр. На первый взгляд это не более чем симпатичный пример из жизни довольно-таки абстрактных астрономических объектов, однако в реальности это возможность заглянуть в кошмарное будущее вселенной. Звезды, планеты, газ — все упадет в черные дыры по большой спирали, а спустя еще несколько квадрильонов лет эти черные дыры исчезнут. Между тем вселенная будет все ускоряться и ускоряться, отчего облака холодного газа навсегда разойдутся в разные стороны и будут изолированы друг от друга. И получится холодная мертвая вселенная, где нет ничего, кроме энтропии. Вот она, расплата за однонаправленную ось времени. Симметрии правят бал не только в начале вселенной, но и в самом ее конце.

Мне кажется, пора нам поговорить серьезно. Я уже довольно давно — а может быть, и слишком давно — позволяю вам жить в классической вселенной, в которую квантовая механика вторгается лишь ненадолго и только для того, чтобы все запутать. Но теперь настала пора взглянуть в лицо суровой реальности. Квантовая механика — это вам не мелкие детали, она правит вселенной. А на квантовом уровне симметрия еще диковиннее, чем на классическом. Как мы вскоре убедимся, на квантовом уровне невозможно даже отличить одну частицу от другой. Все едино — простите за легкий нью-эйдж.