Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Итак, здесь общая теория относительности отказывает, и для объяснения таких явлений нужна новая теория. В следующей главе мы увидим, что та же проблема возникает в связи с ранней Вселенной.

До сих пор мы говорили о чёрных дырах, образовавшихся в результате коллапса массивных звёзд. Но есть чёрные дыры другого типа. Чтобы понять, как они возникают, вспомним ранние стадии Большого взрыва. Около 18 миллиардов лет назад вся масса Вселенной заключалась в бесконечно массивном исходном ядре – сингулярности Вселенной. Внезапно эта сингулярность потеряла устойчивость и взорвалась, в результате чего образовалась Вселенная.

Одним из важных вопросов, связанных с этим взрывом, является такой: был ли взрыв абсолютно однородным или в нём возникли флуктуации плотности? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно оглядеться. Та галактика, в которой мы живём, и те, что нас окружают, свидетельствуют о том, что взрыв не мог быть однородным, потому что иначе галактик не было бы вовсе. Вселенная состояла бы из однородного расширяющегося газа. Если же предположить, что в процессе взрыва возникли неоднородности, то вполне вероятно, что часть вещества сжалась, образовав сгустки, тогда как другая часть вещества расширялась. Такие сгустки могли сжаться до размеров чёрных дыр, но в отличие от чёрных дыр, образовавшихся при коллапсе, их радиус не обязательно равен нескольким километрам. Некоторые из них могут быть совсем маленькими, куда меньше протона, другие – огромными, с массой порядка массы галактики. Чтобы отличать такие чёрные дыры от тех, что образовались при коллапсе звёзд, их называют реликтовыми чёрными дырами.

В течение долгих лет они вызывают интерес учёных: одни считают, что маленькие чёрные дыры могли сталкиваться с Землёй, другие полагают, что они – ядра странных тяжёлых атомов. Вычисления показывают, что если бы такая маленькая чёрная дыра столкнулась с Землёй, то прошла бы насквозь и произошло бы только два небольших взрыва – один при входе в Землю, другой при выходе с другой стороны. Впрочем, у нас нет доказательств, что это когда-либо случалось.

Одно из самых замечательных открытий, сделанное в физике чёрных дыр в последние несколько лет, связано с такими маленькими чёрными дырами. Джейкоб Бекенштейн, изучая в 1972 году термодинамику чёрных дыр, обратил внимание на то, что их поверхностная температура больше абсолютного нуля (абсолютный нуль, или 0 K – самая низкая температура во Вселенной). Но результат казался бессмысленным: всё, что оказывается рядом с чёрной дырой, затягивается в неё, и ничего не может вылететь оттуда. Следовательно, она не может ничего испускать, в том числе и излучение, и должна иметь температуру 0 K. Бекенштейн решил не принимать во внимание этот результат и считать его ошибкой в расчётах. Однако Стивен Хокинг из Кембриджского университета проверил расчёты и нашёл, что всё верно: температура чёрной дыры выше 0 K. В отличие от Бекенштейна Хокинг применил квантовую теорию и показал, как растёт температура. «Парадокс не поддавался объяснению, пока в 1974 году я не занялся изучением поведения вещества в окрестности чёрной дыры, применив квантовую механику. К своему изумлению я обнаружил, что чёрные дыры должны постоянно испускать частицы. Я приложил массу усилий, чтобы избавиться от этого ненужного эффекта. В реальности такого процесса меня убедило то, что спектр излучения полностью совпадал со спектром тепловых нейтронов», – писал он.

Хотя ранее Хокинг уже внёс значительный вклад в физику чёрных дыр, знаменитостью в научном мире его сделал именно эффект испарения чёрных дыр. Родился он в 1942 году, детство провёл в Лондоне и Сент-Олбансе. Отец Хокинга был врачом, специалистом по тропическим болезням. Но не биология, а физика заинтересовала Стивена, и он решил стать учёным, хотя и не пошёл по стопам отца. Позднее, впрочем, он творил, что если бы в те времена молекулярная биология достигла сегодняшнего уровня, он, возможно, занялся бы ею.

Несмотря на любовь к науке, в школе Хокинг не блистал, был средним учеником, редко делал конспекты и иногда даже засыпал на занятиях. Закончив школу, Хокинг подал заявление с просьбой принять его на физико-математический факультет Оксфордского университета. Экзамен по физике он сдал с лёгкостью, с математикой дело обстояло не так хорошо, но всё же в студенты его зачислили. Его лень не уменьшилась, и он часто пропускал лекции, считая их несущественными, хотя много занимался с «тьюторами» – прикреплёнными преподавателями, и позднее говорил, что именно под их руководством получил большую часть своих знаний.

После окончания университета Хокинг решил отправиться в Кембридж, чтобы поработать у Фреда Хойла, известного физика, занимающегося космологией. Однако в Кембридже он попал к Деннису Шаме. Через некоторое время после поступления в аспирантуру Хокинг заметил, что ему трудно говорить и ходить. Вскоре был поставлен диагноз – рассеянный склероз. Поначалу болезнь быстро прогрессировала. У Хокинга началась депрессия. Он мало работал, потому что задавался вопросом, зачем заниматься наукой, ведь он может умереть раньше, чем защитит диссертацию. Но постепенно его состояние стабилизировалось. Это обстоятельство и женитьба на Джейн Уайлд вернули ему надежду, и он полностью погрузился в науку.

Хотя сегодня Хокинг прикован к инвалидному креслу и говорит с трудом, так что его понимают только близкие, он занят главными физическими проблемами. Он сделал несколько важных открытий и имеет четыре почётных докторских степени. Некоторые учёные считают, что его вклад в науку соизмерим с вкладом Эйнштейна. И всего этого он добился, несмотря на то, что не может двигать руками. Страницы книги листает за него автоматическое устройство, в которое нужно только вложить книгу. Учёный, правда, предпочитает пользоваться фотокопией журнала или книги, которую раскладывают перед ним на столе.

Пользоваться карандашом для вычислений он не может, поэтому их приходится делать мысленно, т.е. многое держать в памяти. Хокинг, впрочем, предпочитает представлять свои задачи в виде геометрических диаграмм, а не работать с математическими уравнениями. Подробные вычисления он оставляет своим сотрудникам.

Хокинг показал, что поверхностная температура чёрных дыр определяется странным типом испарения частиц, которое начинается сразу же над поверхностью. Учёным трудно было принять такую точку зрения, потому что чёрная дыра сама по себе не состоит из каких-либо частиц, ведь всё вещество сжалось и образовало сингулярность. Откуда же взяться частицам?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте поговорим о вакууме. Принято считать, что в вакууме нет никаких частиц, хотя учёным давно известно, что это не так. Пространство напоминает улей, в котором постоянно в больших количествах рождаются частицы. Но для этого нужна значительная энергия. Откуда она берётся? Раньше мы уже говорили о том, что микромиру присуща некоторая «размытость», в том числе это относится и к энергии. Оказывается, что согласно квантовой теории закон сохранения не выполняется, если энергия «занимается» и «отдаётся» за очень короткое время. В вакууме дело обстоит именно так. Пары частиц (частица и античастица) рождаются и тут же аннигилируют. Происходит это так быстро, что мы не успеваем их непосредственно наблюдать; такие частицы носят название виртуальных.