Знание-сила, 1999 № 07-08

Не так давно Стивен Хоукинг и Роджер Пенроуз дали несколько публичных лекций об общей теории относительности в Институте математических наук имени Исаака Ньютона в Кембридже. Два этих имени известны всем, кто сегодня интересуется космологией, оба ученых – признанные эксперты в своей области. Но они не сходятся во взглядах на то, что происходит в черных дырах и почему начало жизни Вселенной отличается от ее конца.

Хотелось бы предоставить слово самим выдающимся ученым нашего века и познакомить вас с некоторыми выдержками из лекций Хоукинга и Пенроуза, которые удастся уместить на ограниченном журнальном пространстве.

Стивен Хоукинг.

Квантовая теория черных дыр приводит к новому уровню непредсказуемости в физике, более высокому, чем обычная неопределенность, связанная с квантовой механикой. Черные дыры обладают собственной энтропией и засасывают в себя информацию от окружающего участка Вселенной. Этот момент вызывает активные возражения со стороны экспертов из области физики элементарных частиц: никто из них не может согласиться с бесследным исчезновением информации. Но, с другой стороны, пока нет никакой мало-мальски разумной гипотезы, как информация может выбраться из цепких объятий черной дыры. Честно говоря, я уверен, что рано или поздно моим оппонентам придется принять мою точку зрения точно так же, как они согласились с излучением черной дыры, что шло вразрез со всеми общепринятыми представлениями.

Тот факт, что гравитация притягивает массы друг к другу, неизбежно приводит к стремлению материи соединиться в компактные объекты типа звезд и галактик. Их удерживает от неограниченного сжатия тепловое давление (в случае звезд) или вращение и внутреннее движение (в случае галактик). Однако с течением времени тепло излучается, и объект начинает сжиматься. Если его масса меньше полутора солнечных масс, то он превращается в белого карлика или нейтронную звезду, от дальнейшего сжатия его удерживает расталкивание электронов или нейтронов. Если же масса больше этого предела, го противодействовать гравитационному сжатию ничто не может, и тело сжимается до такого радиуса, что на его поверхности даже лучи света не могут перебороть огромной силы притяжения. Получается некая замкнутая область пространства.

Именно этот район пространства- времени, из которого ничто не может уйти на бесконечность, и называется черной дырой. Его граница называется юризонтом событий, по ней идут лучи света, которые не смогли уйти от притяжения черной дыры.

Когда тело сжимается до черной дыры, теряется много информации: вначале оно описывается большим количеством параметров – типом вещества, моментами масс, а у черной дыры остаются всего два параметра – масса и момент врашения.

В классической теории никого не волнует потеря информации, поскольку там считается, что она находится внутри сколлапсировавшего тела. В принципе сторонний наблюдатель может следить за коллапсом тела в черную дыру, при этом время на черной дыре будет все замедляться и замедляться. и все процессы будут там течь медленнее и медленнее.

В квантовой теории ситуация меняется. Можно посчитать, сколько фотонов испустит черная дыра до полного коллапса, их явно не хватит для выноса всей информации. Это означает, что внешний наблюдатель не сможет измерить состояние черной дыры никоим образом. Можно, как и в классике, предположить, что недостающая информация упрятана внутри черной дыры, но здесь появляется вторая сложность…

Оказывается, в квантовой теории черные дыры излучают и теряют массу. Вполне возможно, что они в конце концов исчезнут и возьмут с собой всю информацию. У меня есть некоторые соображения, что эта информация действительно безвозвратно теряется и вернуть ее невозможно. Эта потеря информации вносит новый уровень неопределенности, кроме традиционных неопределенностей квантовой физики. К сожалению, эту неопределенность невероятно трудно будет доказать экспериментально, в отличие от принципа неопределенности Гейзенберга.

Величайшие теории двадцатого века – квантовая теория, специальная теория относительности, общая теория относительности и квантовая теория поля. Они взаимозависимы: общая теория относительности базируется на специальной теории относительности.

Справедливость квантовой теории поля проверена с точностью до одного на десять в одиннадцатой степени. Общая теория относительности проверена с точностью еше в тысячу раз большей и ограничивает ее сегодня лишь точность земных часов. Это делается с помощью бинарных пульсаров – пары нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга. Общая теория относительности предсказывает, что период их обращения должен уменьшаться из-за потери энергии через излучение гравитационных волн. Именно это и наблюдается в полном согласии с предсказаниями теории, и блестящая экспериментальная работа справедливо увенчана Нобелевской премией.