Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики - Леонард Сасскинд

К моменту моего прихода Скиама прочитал уже две трети своей лекции. Я сразу пожалел, что не появился раньше. Мне не улыбалось вновь бежать по обледенелым мостовым в своем спортивном костюме. Тем более что к концу лекции стемнело и, без сомнения, стало еще холоднее. Но было и нечто большее, чем страх обморожения, отчего мне хотелось бы, чтобы лекция еще только начиналась. Как и говорил Оге, Деннис был невероятно интересным докладчиком. Его шутки действительно были великолепны, но еще более я был поражен единственной формулой на доске.

Обычно к концу лекции по теоретической физике доска бывает заполнена математическими символами. Однако Скиама не злоупотреблял уравнениями. Когда я пришел, доска выглядела примерно так:

За пять минут я расшифровал смысл символов. Фактически это были стандартные обозначения хорошо знакомых физикам величин. Но я не знал контекста — что эта формула описывает, — хотя чувствовалось, что она или очень глубокая, или очень глупая. В нее входили только самые фундаментальные константы: гравитационная постоянная G, определяющая силу гравитации, была в знаменателе — довольно странное для нее место; скорость света с указывала на использование специальной теории относительности; постоянная Планка h намекала на квантовую механику; а еще была постоянная Больцмана k. Именно она казалась тут совершенно неуместной. Что, черт побери, она тут делает? Постоянная Больцмана связана с теплотой и микроскопической природой энтропии. Как попала энтропия в формулу квантовой гравитации?

А как же числа 16 и π2? Это математические величины, которые появляются во всех формулах. Они ни на что не указывают. Обозначением было знакомо, а слова Скиамы подтвердили мое первое впечатление: М — это масса. Через пять минут я был уверен, что это масса черной дыры.

О'кей, черные дыры, гравитация и относительность. Это имело смысл, однако добавление квантовой механики выглядело уже странна Черные дыры невероятно массивны — как звезды, из которых они возникают. Но квантовая механика занимается малыми объектами: атомами, электронами и фотонами. Каким образом она оказалась замешана в обсуждение столь тяжелых вещей, как звезды?

Более же всего сбивало с толку то, что в левой части уравнения стояла температура Т. Температура чего?

Последних пятнадцати или двадцати минут лекции Скиамы мне хватило, чтобы сложить вместе все элементы. Один из студентов Денниса открыл нечто очень странное: квантовая механика наделяет черные дыры тепловыми свойствами, и вместе с теплотой они обретают температуру. Уравнение на доске было формулой для вычисления температуры черной дыры.

Как странно, подумал я. Что привело Скиаму к идиотской идее, будто у мертвой звезды, звезды, которая полностью исчерпала запасы топлива, должна быть температура, отличная от абсолютного нуля?

Глядя на загадочную формулу, я видел интересные взаимосвязи: температура черной дыры была обратно пропорциональна ее массе; чем больше масса, тем меньше температура. Гигантские астрономические черные дыры, сопоставимые со звездами, должны иметь крошечную температуру, гораздо ниже, чем у любого объекта в любой земной лаборатории. Но настоящим сюрпризом, заставившим меня привстать с кресла, было то, что крошечные черные дыры, если они существуют, должны быть невероятно горячими — горячее всего, что мы можем вообразить.

У Скиамы был припасен и еще один сюрприз: черные дыры испаряются! До того времени физики считали, что черные дыры вечны, как бриллианты. Однажды образовавшуюся черную дыру невозможно уничтожить никаким известным физическим механизмом. Черная пустота в пространстве, образованная умершей звездой, будет существовать вечно — бесконечно холодная и бесконечно тихая.

Однако Скиама сказал нам, что, подобно капле воды, оставленной на солнце, черные дыры мало-помалу испаряются и в конце концов исчезают. Как он объяснил, электромагнитное тепловое излучение уносит часть массы черной дыры.

Чтобы объяснить, как Деннис со своим студентом пришли этой мысли, я должен познакомить вас с некоторыми фактами, касающимися тепла и теплового излучения. Я еще вернусь к черным дырам, но сначала сделаю отступление.

Тепло и температура относятся к числу самых известных физических понятий. У всех нас есть встроенный термостат. Эволюция обеспечила нас врожденным чувством холода и тепла.

Тепло — это наличие теплоты, холод — ее отсутствие. Но что за сущность такая — теплота? Что в ванне с горячей водой есть такого, что исчезает, когда ванна остывает? Если внимательно посмотреть в микроскоп, на крошечные пылинки или частицы пыльцы, взвешенные в теплой воде, то станет видно, что они пошатываются, как пьяные матросы. Чем горячее вода, тем более оживленными выглядят пылинки. В 1905 году Альберт Эйнштейн[76] объяснил это броуновское движение тем, что пылинки постоянно бомбардируются быстро движущимися энергичными молекулами. Вода, как и все вещества, состоит из молекул, снующих туда-сюда, врезающихся друг в друга, в стенки сосуда и в любые посторонние загрязнители. Когда это движение является случайным и хаотическим, мы называем его теплом. В обычных предметах добавление энергии в форме тепла вызывает увеличение случайных кинетических энергий молекул.

Температура, конечно, связана с теплотой. Когда беспорядочно движущиеся молекулы ударяют по вашей коже, они возбуждают нервные окончания, и вы чувствуете температуру. Чем больше энергия отдельных молекул, тем сильнее воздействие на нервные окончания и тем вам становится горячее. Ваша кожа — лишь один из множества типов термометров, которые могут воспринимать и регистрировать хаотические движения молекул.

Так что, грубо говоря, температура объекта — это мера энергии его отдельных молекул. Когда объект остывает, энергия уходит, и молекулы замедляются. В конце концов, если отводить все больше и больше энергии, молекулы достигают наинизшего энергетического состояния. Если игнорировать квантовую механику, то это случится, когда движение молекул полностью прекратится. В этом состоянии больше нет энергии, которую можно отвести, и объект будет находиться при абсолютном нуле. Ниже температуру опустить невозможно.

Большинство объектов отражают хотя бы немного света. Причина, по которой красная краска выглядит красной, состоит в том, что она отражает красный свет. Точнее, она отражает некоторое сочетание длин волн, которые глаз и мозг воспринимают как красное. Аналогично, синяя краска отражает сочетание, которое мы воспринимаем как синее. Снег белый, потому что поверхность ледяных кристаллов отражает все видимые цвета одинаково. (Единственное различие между снегом и зеркальным листом льда в том, что зернистая структура снега рассеивает свет по всем направлениям, разбивая отраженное изображение на тысячи крошечных фрагментов.) Но некоторые поверхности свет почти не отражают. Всякий свет, падающий на закопченное днище котелка, поглощается слоем копоти, нагревая черное покрытие, а в конечном счете и сам металл. Такие объекты мозг воспринимает как черные.

Физический термин для объекта, поглощающего абсолютно весь падающий свет, — черное тело[77]. Ко времени лекции Скиамы в моем университете в Нью-Йорке физики давно знали, что черные дыры — это черные тела. Лаплас и Митчел догадывались об этом в восемнадцатом веке, а шварцшильдовское решение эйнштейновских уравнений это доказало. Свет, попадающий под горизонт черной дыры, полностью поглощается. Горизонты черных дыр — чернейшие из черных объектов.

Но вот чего никто не знал до открытия Хокинга, это того, что черные дыры имеют температуру. Прежде, если спросить у физика: «Какая температура у черной дыры?» — первой реакцией, вероятно, было бы: «Черные дыры не имеют температуры». Вы могли бы возразить: «Ерунда. У всего есть температура». Небольшое размышление тогда привело бы к ответу: «О'кей, черные дыры не обладают теплотой, так что у них температура абсолютного нуля — наинизшая возможная». Фактически до Хокинга все физики утверждали, что черные дыры — это черные тела, но черные тела с нулевой абсолютной температурой.

Сегодня некорректно говорить, что черные дыры не испускают никакого света. Возьмите закопченный котелок, разогрейте его до нескольких сотен градусов, и он начнет светиться красным. Еще горячее — и свечение станет оранжевым, затем желтым и, наконец, ярким голубовато-белым. Любопытно, что, согласно определению физиков, Солнце является черным телом. Как странно, скажете вы: трудно вообразить что-то более далекое от черного, чем Солнце. И действительно, поверхность Солнца испускает огромное количество света, но она ничего не отражает. Это делает его для физика черным телом.