Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

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.

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.