Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Бекенштейн не мог объяснить удивительную связь между энтропией черной дыры и ее внешней поверхностью, ее горизонтом событий; связь эта неожиданна, потому что энтропия обычного объекта, такого как чашка чая, содержится в его внутренней части, в его объеме. Не мог Бекенштейн и объяснить, как его гипотеза соотносится с традиционными взглядами, согласно которым энтропия должна перечислять возможные перестановки микроскопических ингредиентов черной дыры (это положение останется по большей части неприкосновенным до середины 1990-х гг., когда теория струн поможет в нем разобраться). Но как описательное средство его гипотеза предлагала количественный способ спасения второго начала термодинамики. Все исправляется мгновенно: отслеживая полную энтропию, вам нужно подсчитывать не только вклад, который вносят вещество и излучение, но и вклад от черных дыр. Бросание чашек чая в черную дыру снижает энтропию на вашем обеденном столе, но если вы подсчитаете увеличение площади поверхности горизонта событий черной дыры, то поймете, что снижение энтропии, которое вы наблюдаете дома, компенсируется увеличением энтропии в самой черной дыре. Предложив алгоритм включения черных дыр в общий энтропийный учет, Бекенштейн, по существу, «реанимировал» второе начало, позволив ему вновь ходить с высоко поднятой головой.

Стивен Хокинг, узнав о предположении Бекенштейна, счел его нелепым. Многие другие физики были настроены так же. Черные дыры, полностью определяемые всего тремя числами и состоящие по большей части из пустоты (все, что падает в черную дыру, неумолимо притягивается к ее центральной сингулярности), имели репутацию крайней простоты. Считалось, грубо говоря, что черные дыры не могут нести в себе беспорядок, потому что внутри их нет ничего, что могло бы пребывать в беспорядке. Возглавив противников гипотезы Бекенштейна, Хокинг занялся собственными вычислениями с использованием тонкой комбинации математических методов общей теории относительности и квантовой механики; он полагал, что расчеты быстро покажут ошибочность рассуждений Бекенштейна. Вместо этого расчеты привели Хокинга к выводу настолько шокирующему, что ему потребовалось некоторое время на то, чтобы его принять. Анализ Хокинга не только подтвердил выводы Бекенштейна, но и вскрыл дополнительные сюрпризы: черные дыры имеют температуру и светятся. Они излучают. Черные дыры черны только по названию. Или, точнее говоря, черные дыры черны, только если проигнорировать квантовую физику.

Приведем краткое изложение сути рассуждений Хокинга.

Согласно квантовой механике, в любой крохотной области пространства всегда происходит квантовая активность. Даже если эта область пространства кажется пустой и не содержит вроде бы вообще никакой энергии, квантовая теория показывает, что на самом деле ее энергетическое содержание очень быстро колеблется вверх и вниз и выдает нулевую энергию только в среднем. Это квантовые флуктуации того же самого типа, что порождают температурные вариации в реликтовом излучении, о которых мы говорили в главе 3. Через формулу E = mc 2такие квантовые флуктуации энергии могут также проявляться как квантовые флуктуации массы — в пустом вроде бы пространстве спонтанно возникают пары частиц и соответствующих им античастиц. Это происходит прямо сейчас прямо у вас перед глазами, но, как бы вы ни вглядывались, вам не удастся разглядеть никаких признаков этого. Причина в том, что, согласно постулатам, такие пары «частица — античастица» быстро находят друг друга и аннигилируют, возвращая пространство к его пустому состоянию. Мы можем все же регистрировать косвенные признаки этих эфемерных махинаций, потому что, только включив их в наши расчеты, мы получаем то поразительное согласие между предсказаниями и измерениями, которое вполне оправданно сделало квантовую механику центральным элементом фундаментальной физики7.

Хокинг вернулся к рассмотрению этих квантовых процессов, но теперь он представил, что происходят они снаружи от горизонта событий черной дыры, совсем рядом. Когда пара «частица — античастица» возникает в такой обстановке, то иногда эти две частицы аннигилируют очень быстро, как это произошло бы в любом другом месте. Но, и это самое главное, Хокинг понял, что в некоторых случаях они не аннигилируют. Может случиться так, что одну из частиц пары затянет в черную дыру. Уцелевшая частица, лишенная теперь партнера, с которым она могла бы аннигилировать (и не забывающая о стоящей перед ней задаче сохранения полного импульса), пускается наутек. А поскольку подобное происходит то и дело в каждой крохотной области пространства по всей поверхности сферического горизонта черной дыры, извне это выглядит так, будто сама дыра излучает частицы во всех направлениях; мы называем это хокинговским излучением.