Файл: Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр.doc

В чем физическая природа этого излучения? Было ясно, что ответ на новый вопрос нельзя искать в теории Эйнштейна и надо привлекать вторую королеву физики нашего века – квантовую механику. Конечно, вторжение квантовой механики было не так уж неожиданно. Уже в формуле для энтропии Бикенстина возникла трудность с размерностью коэффициента, обращающего площадь в безразмерную энтропию. Единственной величиной, с помощью которой разумно «обезразмерить» площадь, был квадрат планковской длины, равной 10‑33 см и составленной из постоянной Планка и постоянной тяготения. Не вовлекая в игру постоянную Планка, написать формулу для энтропии не удается.

Первый вариант решения был предложен Я. Б. Зельдовичем и А. А. Старобинским: если черная дыра вращается, она должна излучать. Хокинг исследовал эту идею подробно после того, как авторы рассказали ему о ней в 1973 г. (Хороший пример того, как быстро и четко резонирует Хокинг на новые идеи). Выяснилось, что для излучения звезде не обязательно вращаться: излучает вакуум, в который она погружена. Это почти мистическое свойство вакуума – пространства, в котором ничего нет. Но в квантовой механике «даже если ничего нет, что‑то происходит», как заметил кто‑то из физиков.

В «пустом» вакууме есть поля, и хотя величины полей, например магнитного, равны в среднем нулю, их квадраты (или абсолютные значения) в нуль не обращаются даже в среднем (хотя бы потому, что они всегда положительны). Вблизи черной дыры такие флуктуации рождают пары. Масса таких пар почти равна нулю, так как большой (отрицательный) гравитационный потенциал практически компенсирует массу свободных электрона и позитрона.

У компонентов родившейся пары разные судьбы. Одна из частиц «проваливается» в черную дыру и перестает существовать для нас. Но частица не зря отдала свою жизнь. Ее энергия передалась второй частице и дала ей возможность вырваться из гравитационного плена. Это и есть излучение Хокинга. Вычисление спектра излучения привело к формуле Планка. Так было опровергнуто мнение, что черные дыры бессмертны. Правда, излучение существенно сокращает жизнь только маленькой черной дыры, черная дыра с радиусом протона (10Е‑13 см), возникшая в процессе большого взрыва, не дожила бы до нашего времени. Но продолжительность жизни черной дыры растет, как куб ее радиуса. Для черной дыры с радиусом 3 км (гравитационный радиус Солнца) продолжительность жизни столь велика, что не стоит ее и подсчитывать.

Но тем не менее черной дыре предстоит исчезнуть. Как это произойдет, наука не знает. Можно лишь сказать, что конечных состояний может быть очень много, и предсказать, как погибнет черная дыра, никто сейчас не в состоянии. Как нельзя предсказать, на какие куски разобьется бутылка, упавшая на камень.

О черных дырах написано много, и мы можем не продолжать. Но прежде чем оставить эту тему, хотелось бы досказать историю, которую Хокинг упоминает в книге.

Первый раз речь о черной дыре завел в 1783 г. англичанин Дж. Мичелл, который написал, что если бы тело с плотностью, равной плотности Солнца, имело радиус в 500 раз меньший, то свет, излученный таким телом, должен вернуться обратно из‑за собственной тяжести. Мичелл размышлял об этом не просто так. Ему очень хотелось найти способ измерения массы дальних звезд. Для него свет состоял из корпускул, которые, преодолевая гравитационное поле звезды (определяемое ее массой), теряют свою скорость. Именно так он и пришел к своему выводу. Но для него более важным было следствие обнаруженного им явления: чтобы определить массу звезды, надо измерить на Земле скорость света, приходящего к нам от этой звезды.

Сегодня мы понимаем, что измерять надо не изменение скорости света, а изменение его частоты – красное смещение. Но для своего времени идея была красивая.

Размышление о конце черной дыры с неизбежностью приводит к выводу, что без квантовой механики не обойтись. С такими сомнениями и результатами Хокинг в 1981 г. вернулся к попытке объяснить начало Вселенной. Но его занимают не математические вычисления (в уме их делать нелегко), а поиски самых глубоких истин.

Как установились начальные условия, приведшие к Вселенной, которую мы видим и в которой оказались сами? «Один возможный ответ – это сказать, что Бог выбрал начальную конфигурацию Вселенной из соображений, понять которые нам не дано… Но почему, выбрав такое странное начало, он все же решил, чтобы Вселенная развивалась по понятным нам законам?» Поскольку же эти законы понятны, то «естественно предположить, что этот порядок относится не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства‑времени, которые определяют исходное состояние Вселенной».

Так Хокинг вступает в спор с Богом, отнимая у него роль Создателя. Идея Хокинга носит еще достаточно смутный характер. В книге он совсем не пишет формул – издатель предупредил его, что одна‑единственная формула уполовинит тираж (формула Е = mс^2 все же приводится, но это не помешало книге стать бестселлером). И свою новую идею Хокинг пытается объяснить словами. Кажется, все же в его мозгу есть более четкая картина, которую он просто еще не может передать компьютеру. Когда я говорю об этом, меня не покидает ощущение какого‑то фантастического (или сюрреалистического) романа, в который я попал.

Почему и как возникла Вселенная – объяснить, оставаясь в рамках классической модели, нельзя, как нельзя объяснить свойства электрона, зная лишь одну‑единственную его траекторию (или небольшой ее кусочек). Но квантовая механика благодаря принципу неопределенности имеет дело сразу со многими (или даже со всеми) возможными историями.

То, с чего начинает современная теория, – это некоторым образом определенная сумма по всем историям, которые, интерферируя друг с другом, создают нашу реальную (в каком‑то смысле наиболее вероятную) Вселенную. Но математика отказывается реализовать такую идею. Чтобы теория была формально последовательной, надо отказаться от обычного времени. Для описания возможных историй вселенных приходится переходить от реального времени к мнимому, превращая пространство Минковского в более понятное четырехмерное пространство Евклида. В таком евклидовом четырехмерии исчезают особые точки (так полюсы Земли ничем геометрически нс отличаются от точек экватора). У поверхности сферы, как и у любой другой замкнутой поверхности, «границ нет». Кавычки здесь поставлены потому, что это есть новое граничное условие. Совсем просто, но, к сожалению, не вполне понятно! Ведь история, начинающаяся с сингулярности, развивается вместе с нами в реальном времени, так что наше психологическое время оказывается не тем, в котором описывается развитие Вселенной. Надо еще думать, как совершить переход от мнимого времени к реальному. Идея кажется заманчивой, но пройдет, наверное, еще немало времени (реального), пока (мы надеемся) она станет понятной.

Вся книга Хокинга написана им с целью подвести читателя к своей идее. Он не очень много может сказать в ее защиту. Он призывает читателя к раздумьям о самых общих законах, результатом которых (случайным или необходимым) стало появление жизни, читателя (и, конечно, книги Хокинга).

Есть и еще важный и, несомненно, великий закон – закон о направлении времени. «Стрела времени» – так называется девятая глава книги. Эта глава – великолепный научный этюд. Непростая для понимания идея о двух сосуществующих четырехмерных пространствах – евклидовом, в котором отбираются истории, и пространстве Минковского, в котором работают динамические уравнения и в котором протекает наша жизнь. Если в этой «сумасшедшей» идее есть хоть крупица истины, то мы делаем шаг к совершенно новому этапу познания, но, может, все же идея не настолько сумасшедшая, чтобы стать истиной (по «критерию» Нильса Бора).

Здесь еще уместно добавить несколько слов о причинности. Классическая механика дает право утверждать, что будущее можно предсказать с точностью и полнотой не лучшими, чем точность и полнота начальных данных.

Почти к этому сводится и спор о полноте и вероятности в квантовой механике. Не имеет смысла обсуждать возможности измерения с большими подробностями, если начальные данные ограничены принципом неопределенности. Можно только утверждать, что информация, содержащаяся в начальных данных (по крайней мере для систем, у которых есть только дискретные уровни), не исчезает со временем (если, конечно, в системе нет трения и если система замкнута). Именно такую неопределенность квантовая механика вносит в теорию гравитации.

Эффектная декларация Лапласа о том, что история предсказуема, если только известен полный набор начальных данных – координаты и импульсы всех тел (и полей, добавим сейчас), во Вселенной не имеет смысла. Нельзя собрать в конечное время все эти данные – передача данных требует времени (нет сигналов, распространяющихся со скоростью, большей скорости света), а количество необходимых данных бесконечно. Кроме того, требуются абсолютно точные данные, даже очень маленькие погрешности могут в корне изменить предсказание будущего (как говорят, задача неустойчива). Так что пример Лапласа выходит за рамки реальности.

Мне хочется закончить словами автора – неисправимого оптимиста: «Если мы откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам. И тогда мы все, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная».

Нам может нравиться или не нравиться ход мыслей Хокинга, но от поставленных им вопросов уйти нельзя… В некоем смысле мы подошли к границе познания, и мы смущены самой сутью: может ли система (Вселенная и мы) быть устроена так, что часть ее – человек – способна понять все ее законы, включая законы собственного познания. Основное положение науки состоит в том, что мир реален и познаваем. Но очевидно ли, что он познаваем человеком? Сомнения в этом нередко приводят к мысли о могучих разумом, нас изучающих инопланетянах. Нуждаемся ли мы в этой гипотезе? Возможно, на это ответит Хокинг.

Я. А. Смородинский. Декабрь 1989 г.