Глава 9
Когда черные дыры взрываются

В 1970 году, как мы уже упоминали в главе 7, Хокинг переключился с изучения происходящего в недрах черной дыры – в сингулярности – на события на горизонте, окружающем черную дыру, на ее, так сказать, «поверхности». Главное различие этих исследований от изучения сингулярностей состоит в том, что когда теория предсказывает ход событий в сингулярности, проверить это экспериментально – заглянув в сингулярность – невозможно, поскольку все сингулярности спрятаны внутри черных дыр (разумеется, кроме сингулярности Большого Взрыва в начале времен, которую Хокингу еще предстояло изучить). А когда применяешь теорию, чтобы предсказать, что делается на поверхности черной дыры, на горизонте, даже самые диковинные события как-то сказываются на внешней Вселенной, и эти эффекты иногда можно зарегистрировать при помощи инструментов на Земле или на орбитальных спутниках.

Именно спутниковые инструменты примерно в описываемое время и зарегистрировали первого кандидата на роль черной дыры в нашей галактике Млечный Путь. Параллельно с великими астрономическими открытиями 1960-х годов, которые были сделаны благодаря исследованию радиоволновой части спектра, с длинами волн больше световых, в 1970-е стали поступать интереснейшие новые данные исследований рентгеновского диапазона с длинами волн значительно короче световых. Однако рентгеновские лучи из космоса, в отличие от радиоволн, частично рассеиваются земной атмосферой и не доходят до Земли (большая удача, иначе мы все поджарились бы). Поэтому рентгеновская астрономия как отрасль науки сформировалась только после того, как соответствующие датчики вывели на орбиту. Беспилотные спутники в очередной раз перевернули представления астрономов о Вселенной и показали, что там идут куда более напряженные и энергичные процессы, чем мы думали. И отчасти эти процессы связаны с черными дырами.

Вот как все происходит. Изолированную черную дыру можно заметить только благодаря гравитации, если увидеть, как искривляется пространство в ее окрестностях. Она же недаром черная. Но черная дыра в системе двойной звезды, вращающаяся вокруг обычной звезды, становится более чем заметной. Ее гравитация захватывает вещество звезды-компаньона и втягивает его в черную дыру, которая его поглощает. В процессе формируется вращающийся аккреционный диск – будто вода воронкой уходит в слив ванны – и когда гравитационная энергия преобразуется в энергию движения, накапливающийся газ разогревается. Причем разогревается настолько, что, как показывают расчеты, начинает испускать рентгеновские лучи.

Но с какой вероятностью черная дыра окажется на орбите звезды-компаньона? На самом деле двойные звезды совсем не редкость: вероятно, довольно близкий звездный компаньон есть у большинства звезд, и в этом отношении наше Солнце исключение. Кроме того двойные звезды легко найти, поскольку из-за взаимного притяжения звезды ерзают на месте, и их регулярные колебания видны в земные телескопы. Кроме того орбитальная переменность многое говорит о массах звезд и служит главным признаком кандидата на роль черной дыры.

Однако искатели черных дыр сталкиваются с тем, что недостаточно просто определить источник рентгеновских лучей в бинарной системе. И белые карлики, и нейтронные звезды тоже достаточно компактны и обладают довольно сильной гравитацией, которой хватает на то, чтобы отрывать вещество компаньона и притягивать к себе, что создает раскаленные участки, излучающие в рентгеновском диапазоне.

Несколько первых двойных рентгеновских источников и в самом деле можно было отождествить как белые карлики, поскольку орбитальная переменность показала, что их масса значительно меньше полутора масс Солнца, так что волноваться не о чем. Однако первые исследования рентгеновского излучения в начале 1970-х выявили четыре весьма вероятных кандидата на роль черных дыр. Первое исследование показало, что все они были рентгеновскими источниками в бинарных системах – маленькими, энергичными, компактными объектами, которые вращаются вокруг нормальных звезд. Дальнейшие, более подробные исследования позволили исключить три кандидатуры. У одного объекта масса была в 2,5 раза больше солнечной, и он, скорее всего, должен был оказаться нейтронной звездой. У другого масса составляла три солнечных – многовато для нейтронной звезды, но все же мало для черной дыры. У третьего масса была всего две солнечных. Зато масса четвертого, по оценкам, составляла восемь-десять солнечных.

Называется этот источник Лебедь X-1. Нужно очень постараться, чтобы придумать, что это такое, если не черная дыра. Например, некоторые астрономы предположили, что невидимый компаньон в этой бинарной системе состоит из двух звезд – тусклой и потому невидимой обычной звезды массой в шесть солнечных, которая, в свою очередь, вращается вокруг нейтронной звезды массой в две солнечных. Однако все подобные надуманные объяснения рушатся под натиском очень симпатичного аргумента, что самое лучшее объяснение обычно самое простое. Мы окончательно доказали бы, что в системе Лебедь Х-1 есть черная дыра, только если бы прилетели туда и посмотрели, однако накопленные за двадцать лет данные убедили большинство астрономов, что наши предположения правильны, и сегодня все согласны, что Лебедь Х-1 с вероятностью 95 % представляет собой первую открытую человеком черную дыру. Известно и несколько других многообещающих кандидатур, что подкрепляет нашу точку зрения: едва ли в нашей галактике есть всего одна черная дыра, которую мы можем зарегистрировать.

Определение природы Лебедя Х-1 как черной дыры стало поводом для знаменитого пари, которое позволяет по-новому взглянуть на характер Хокинга. Хокинг, уже признанный специалист по черным дырам, поспорил с Кипом Торном из Калтеха, что в системе Лебедь Х-1 нет черной дыры. По условиям спора, если этот источник окажется черной дырой, Хокинг подарит Торну годовую подписку на «Penthouse», но, если будет доказано, что это не черная дыра, Торн подарит Хокингу четырехлетнюю подписку на сатирический журнал «Private Eye». В июне 1990 года Хокинг решил, что данные однозначно свидетельствуют, что он проиграл, и честно подарил Торну, что обещал, но не просто так: Хокинг есть Хокинг, поэтому он не упустил случая пошалить и попросил приятеля забраться в кабинет Торна в Калтехе и найти там документ с записью условий пари, после чего бумагу доставили Хокингу, и он официально «подписал» акт о своем поражении отпечатком пальца, а затем документ подбросили обратно Торну, и он впоследствии его нашел. В течение следующего года Торн регулярно получал обещанные выпуски «Penthouse».

То, что подписки были на разный срок, объясняется просто разной стоимостью журналов. Но почему Хокинг утверждал, что Лебедь Х-1 – не черная дыра? Сам он говорил, что это страховка. Если черных дыр не существует, значит, он большую часть своей научной карьеры занимался ерундой – так хоть спор выиграет, и то утешение. С другой стороны, проиграть в споре он мог лишь в том случае, если все, что он думал о черных дырах, правда, поэтому был бы рад хоть чем-то утешить Торна.

С точки зрения большинства астрономов, Хокинг чересчур осторожничал, когда так долго тянул с оплатой; по их мнению, он проиграл еще несколько лет назад, поскольку уже тогда не было никаких сомнений, что Лебедь Х-1 – черная дыра. А поскольку черные дыры существуют, исследования их свойств, которыми занимался Хокинг в начале 1970-х, следует причислять к важнейшим научным работам за всю историю. Залогом успеха его трудов стало не только частичное объединение общей теории относительности с квантовой теорией, но и привлечение к задаче величайшего достижения науки XIX века – термодинамики.

Подобно тому как Хокинг и Пенроуз продемонстрировали, что чем ближе к началу времен, тем проще – а не сложнее – становится физика Большого Взрыва, в конце 1960-х другие исследования показали, что процесс коллапса черной дыры гораздо проще, чем коллапс объектов, из которых они возникли. В принципе, черную дыру можно сделать из чего угодно: сжать Землю в горошину, наваливать металлолом в кучу, пока гравитация не возьмет верх, или смотреть, как звезда гораздо тяжелее Солнца проходит свой жизненный цикл, взрывается и погибает. Но как ни делай черную дыру, в результате все равно получится сингулярность, окруженная идеально сферическим горизонтом, размер которого (площадь поверхности) зависит исключительно от массы черной дыры, а не от вещества, из которого она изготовлена.

Этот принцип создания черных дыр сформулировал в 1967 году уроженец Канады Вернер Исраэль. Когда Исраэль вывел уравнения, то подумал, что поскольку черные дыры должны быть сферическими, из уравнений следует, что схлопнуться в черную дыру может лишь идеально сферический объект. Однако Роджер Пенроуз и Джон Уилер обнаружили, что объект, коллапсирующий в черную дыру, излучает энергию в виде гравитационных волн – ряби на самой ткани пространства-времени. И чем неправильнее форма объекта, тем стремительнее он испускает энергию, а в результате излучения все неправильности будут сглажены. Таким образом, Пенроуз и Уилер показали, что любой коллапсирующий объект к моменту превращения в черную дыру имеет идеально сферическую форму. Единственное, что может повлиять на вид горизонта, окружающего дыру, помимо количества вещества внутри него, – это вращение. Если черная дыра не вращается, она идеально сферична, а если вращается, то сплюснута с полюсов.

Поэтому к началу 1970-х годов было установлено, что черная дыра может вращаться, но не может пульсировать (Хокинг тоже внес небольшой вклад в эту работу). Размер и форма черной дыры зависят исключительно от ее массы и скорости вращения, а у ее горизонта – у всего, что мы видим из внешней Вселенной – нет никаких особенностей, которые указывали бы на то, из чего она состоит. Физики прозвали отсутствие характерных черт «теоремой об отсутствии волос». У черной дыры нет волос в том смысле, что у нее нет никаких характерных черт, а поскольку мы можем выяснить лишь два ее параметра – массу и скорость вращения – задача математического изучения черных дыр оказалась значительно проще, чем опасались ученые.

Поскольку из черной дыры ничего не может вырваться, ее масса не уменьшается. Поэтому открытие, что площадь поверхности горизонта черной дыры не уменьшается, простым смертным кажется не слишком сенсационным. Однако Стивен Хокинг говорит, что вот уже двадцать лет живо помнит, как оно его осенило. Как мы уже упоминали в прошлой главе, дело было как-то вечером в ноябре 1970 года, вскоре после рождения дочери Стивена Люси, когда он готовился ко сну. Эта идея так увлекла Хокинга, что он не спал всю ночь, размышляя над ее следствиями.

Он так разволновался в основном потому, что они с Пенроузом как раз недавно нашли практическое математическое определение горизонта черной дыры в терминах траекторий световых лучей в пространстве-времени. Хокинг понял, что из этого определения следует, что площадь поверхности черной дыры постоянно увеличивается, если в дыру попадают вещество или излучения, и даже если две черные дыры столкнутся и сольются, площадь новой черной дыры всегда будет больше (или, с небольшой вероятностью, равна) суммарной площади двух первоначальных черных дыр.

Да, это открытие привело Хокинга в такой восторг, что он не мог заснуть, и очень обрадовало Роджера Пенроуза, когда Стивен позвонил ему назавтра обсудить свои соображения, однако другие физики и астрономы отнеслись к нему поначалу без особого интереса, поскольку считали, что все это сугубое теоретизирование. Ведь до рентгеновских наблюдений, которые привели к отождествлению Лебедя Х-1 с видимой звездой, оставался еще год – они были сделаны в 1971 году, – а согласие по вопросу о том, что рентгеновские лучи исходят из черной дыры, которая вращается вокруг этой звезды, было достигнуто лишь к концу 1972 года. Идеи Хокинга о растущей поверхности черной дыры привлекли всеобщее внимание лишь после того, как было сделано скандальное на первый взгляд предположение, что это, вероятно, связано с совершенно неожиданной отраслью физики – с термодинамикой.

Термодинамика изучает всего-навсего движение тепла, что, собственно, и следует из ее названия. Она была разработана на протяжении XIX века и была невероятно полезна в эпоху паровых машин. Термодинамика основана на нескольких простых законах, в частности, на том, что тепло не может переходить от более холодного тела к более теплому (британский дуэт «Фландерс и Сванн» увековечили этот принцип в куплете «Тепло от холода к теплу, конечно, не пойдет, зато с охотою большой пойдет наоборот»). Однако законы термодинамики, как выяснилось, не просто помогают сделать паровой двигатель с более высоким КПД: они говорят нам, как устроено время и какова дальнейшая судьба Вселенной. А особенно важную роль играет так называемая энтропия – оказывается, это понятие имеет прямое отношение к неспособности тепла течь «от холодного к горячему».

Говоря простыми словами, энтропия – это закон, гласящий, что все на свете портится. Горячее со временем остужается, из него уходит тепло. Здания рушатся и рассыпаются в прах, все живое стареет и умирает. Эти изменения связаны с течением времени и отмечают переход от прошлого к будущему. Дело в том, что во Вселенной растет беспорядок. Энтропия и есть мера этого беспорядка. Течение времени от прошлого к будущему означает, что энтропия во Вселенной постоянно растет. То же самое касается любой замкнутой системы: энтропия может только расти (в лучшем случае – оставаться постоянной), она никогда не убывает. Очевидно, что наличие на Земле живых существ противоречит этому принципу. Мы создаем порядок из беспорядка – строим дома и тому подобное. Но ведь Земля – не замкнутая система. Она питается энергией Солнца, и это перевешивает энтропию. Если взять Солнечную систему в целом и считать, что это замкнутая система, окажется, что энтропия в ней все же возрастает – в полном соответствии с законами термодинамики.

А следовательно, озарение, случившееся у Хокинга тем ноябрьским вечером, наталкивало на мысль, что закон, гласящий, что площадь черной дыры может лишь оставаться прежней или увеличиваться, – это эквивалент закона, гласящего, что энтропия замкнутой системы может лишь оставаться прежней или увеличиваться. Но даже сам Хокинг не сразу провел эту параллель.

Подобные шаги в науке очень часто совершают молодые исследователи, еще не закосневшие под гнетом традиций. Мысль, что можно найти связь между гравитационной физикой черных дыр и термодинамической физикой викторианских паровых двигателей, отпугнула бы даже гения масштаба Хокинга. Но скромный аспирант, только начинающий свой путь в науке и столкнувшийся с двумя фактами, явно говорящими об одном и том же с разных сторон, решил, что такое сходство достойно внимания. Разумеется, аспиранты сплошь и рядом находят странные совпадения и сходства, и почти всегда оказывается, что это никакое не открытие. Но когда студент Принстонского университета Яаков Бекенштейн предположил, что размер горизонта вокруг сингулярности в буквальном смысле может быть мерой энтропии черной дыры, это спровоцировало лавину исследований, которые, в свою очередь, и натолкнули Хокинга на открытие, что черные дыры на самом деле не такие уж и черные – они взрываются.

Аспирантам положено высказывать безумные идеи (большинство из которых оказываются бесплодными), это в порядке вещей. И точно так же в порядке вещей в науке, когда кто-то делает важное открытие просто потому, что попытался доказать, что кто-то другой ошибается. Именно это ко всеобщему благу и произошло в 1950-е – начале 1960-х годов, когда Фред Хойл выдвинул свою теорию стационарной вселенной в противовес теории Большого Взрыва и стал ее самым страстным поборником. Астрономы, решив, что гипотезу Хойла необходимо срочно опровергнуть, взялись за дело с таким рвением, что подтвердили точность модели Большого Взрыва гораздо лучше и быстрее, чем в отсутствие на арене противника. Однако иногда неизбежна отдача.

Предположение Бекенштейна очень раздосадовало Хокинга. Даже аспирант должен был бы понимать, что существует прямая связь между энтропией и температурой, поэтому, если поверхность черной дыры и в самом деле мера энтропии, это должна быть еще и мера температуры. А если у черной дыры есть температура, она должна излучать тепло в холод Вселенной (–270 °C). Черная дыра должна излучать энергию, а это противоречит основному принципу существования черных дыр: из черной дыры не может вырваться ничего, даже электромагнитное излучение. Хокинг вместе с Брендоном Картером и Джимом Бардином написал статью о фатальном на первый взгляд недочете в работе Бекенштейна, вышедшую в 1973 году в журнале «Communications in Mathematical Physics». В статье приводится формула расчета температуры черной дыры в соответствии с нелепым предположением юного ученого, после чего авторы замечают: «Но на самом деле эффективная температура черной дыры равна абсолютному нулю… черная дыра не может излучать».

Однако не прошло и года, как Хокинг передумал. Причиной стало новое направление исследований черных дыр, которое привлекло его внимание: высказанное в 1971 году предположение, что при Большом Взрыве, вероятно, возникли очень маленькие «минидыры», меньше ядра атома, которые до сих пор в изобилии представлены во Вселенной.

Критическая масса, необходимая для создания черной дыры из объекта, коллапсирующего под собственным весом, как мы уже упоминали, составляет приблизительно три массы Солнца, и сама Земля превратилась бы в черную дыру, если сжать ее до размеров около сантиметра. Однако черную дыру можно сделать абсолютно из чего угодно, если сжать это как следует: из пакета сахарного песка, из монетки, из книги, которую вы читаете, – из чего угодно. Просто чем легче предмет, который вы хотите превратить в черную дыру, тем сильнее придется его сжимать.

Хокинг рассудил, что если заглянуть в прошлое, вернуться к началу времен, то чем ближе к Большому Взрыву, тем выше плотность и давление. Значит, если заглянуть достаточно далеко, мы попадем в момент, когда давление было до того высоко, что его хватало, чтобы сжать в черную дыру любое количество вещества, какое хочешь, даже несколько граммов. Единственный недостаток подобной линии рассуждений состоит в том, что если Вселенная была в тот момент абсолютно однородной, никаких минидыр не могло образоваться, и единственной черной дырой была бы Вселенная как таковая. Но если в ней были какие-то неправильности, колебания плотности в разных местах, то на соответствующей стадии Большого Взрыва несколько граммов вещества – любая область, случайно оказавшаяся чуть плотнее среднего – и в самом деле могла быть вырвана из остального пространства-времени и превращена в крошечную черную дыру, которая сохранилась бы навечно (по крайней мере, так думал Хокинг в 1971 году) и осталась бы во Вселенной и посейчас.

Мы знаем, что при Большом Взрыве Вселенная никак не могла быть идеально однородной, иначе при ее расширении не могли бы образоваться неправильности вроде галактик. В ней должны были быть своего рода семена – крошечные неправильности, на которых впоследствии благодаря гравитации наросли галактики. Поэтому гипотеза Хокинга о первобытных минидырах представлялась вполне правдоподобной, пусть даже ее невозможно было проверить.

Однако минидыра по стандартам повседневной жизни довольно тяжелая, хотя по сравнению с обычными черными дырами, конечно, весит совсем мало. Например, черная дыра массой в миллиард тонн (масса земной горы), имела бы радиус примерно с радиус протона. Не такие массивные черные дыры были бы соответственно меньше. А физики знали, что если имеешь дело с такими маленькими объектами, приходится обращаться к квантовому описанию реальности, чтобы разобраться в происходящем.

Тут события приняли интересный оборот. В 1969 году Роджер Пенроуз показал, что вращающаяся черная дыра в процессе может терять энергию и замедляться. Это происходит примерно так, как исследователи космоса иногда применяют гравитацию планет, чтобы ускорить космический аппарат, движущийся через Солнечную систему. Например, сейчас, когда мы пишем эти строки, зонд «Галилео» только что совершил подобный гравитационный маневр при облете вокруг Земли, а затем, если все пройдет хорошо, окажется на орбите вокруг Юпитера. Но чтобы попасть туда, зонду придется проделать сложный маршрут.

После запуска «Галилео» полетел не напрямик через Солнечную систему к Юпитеру, а сначала направился в сторону Солнца, к Венере. Облетев Венеру по тщательно рассчитанной орбите, зонд набрал энергию и скорость и отправился к Земле. Венера утратила соответствующее количество энергии, но поскольку она несравнимо массивнее космического зонда, то замедлилась на орбите лишь на ничтожно малую величину. К концу 1990 года разогнавшийся «Галилео» выполнил следующий гравитационный маневр, на сей раз вокруг Земли, и вышел на орбиту, на которой ему предстоит через два года проделать еще один маневр. Только тогда он наберет достаточную скорость, чтобы добраться до Юпитера за разумное время, и это показывает, насколько увеличится скорость зонда, что даже после нескольких лет, которые требуется на три сложных гравитационных маневра, он доберется до Юпитера быстрее, чем если бы сразу полетел туда.

Пенроуз показал, что подобные гравитационные эффекты способны значительно увеличить энергию электромагнитного излучения вблизи вращающейся черной дыры. Излучение набирает энергию – а вращение черной дыры замедляется. В 1973 году советские учение Яков Зельдович и Алексей Старобинский обобщили эту идею и показали, что вращающаяся черная дыра должна испускать частицы. Их доводы были основаны на принципе неопределенности квантовой физики, и вскоре мы поговорим об этом подробнее. Они убедили Хокинга, что такое и вправду может быть, и он занялся точным математическим описанием этого явления. К своему удивлению, а поначалу и к вящей досаде, он обнаружил, что из уравнений следует, что тот же процесс должен идти и у невращающейся черной дыры. «Я опасался, что если об этом узнает Бекенштейн, он будет использовать это как довод в пользу своих идей об энтропии черной дыры, которая мне очень не нравилась». В 1977 году Хокинг написал в январском выпуске «Scientific American», что «приложил довольно много усилий, чтобы избавиться от этого неприятного эффекта», однако безрезультатно. В итоге Хокингу пришлось предпочесть математические доказательства собственному предубеждению. Он обнаружил, что все черные дыры испускают энергичные частицы, а следовательно, у всех черных дыр есть температура, которая в точности соответствует термодинамическим расчетам на основании площади поверхности черной дыры. Рассмотрим, как это получается, что называется, на пальцах, без подробных математических выкладок.

Принцип квантовой неопределенности не просто означает, что человеческие приборы неспособны точно измерить никакие физические величины. Он означает, что Вселенная сама «не знает», какова та или иная величина с абсолютной точностью. К энергии это относится так же, как и ко всему остальному. Мы привыкли считать, что пустое пространство потому и пустое, что в нем ничего нет, а следовательно, энергия пустого пространства равна нулю, однако законы квантовой механики гласят, что и здесь таится неопределенность. Вероятно, каждая крошечная область вакуума на самом деле содержит много энергии.

Если вакуум содержит достаточно энергии, он может преобразовать ее в частицы по формуле E = mc². Однако все не так просто. Если бы гипотетическая энергия неопределенности в вакууме преобразовывалась в частицы и эти частицы превращались бы в перманентные составляющие Вселенной, это нарушало бы закон неопределенности: ведь теперь и люди-наблюдатели, и сама Вселенная были бы уверены, что на свете есть что-то (частица-другая), возникшее буквально из ничего. Принцип неопределенности работает в обе стороны: в таких обстоятельствах нельзя быть уверенным, что энергия не равна нулю, точно так же, как нельзя быть уверенным, что она равна нулю.

На самом деле точная формулировка принципа неопределенности гласит, что энергия может быть лишь «позаимствована» у вакуума совсем ненадолго – на время, определяемое постоянной Планка. Это связано с неопределенностью измерения времени как такового. Единственный способ преобразования этой энергии в частицы – создавать частицы только в парах, чтобы затем они взаимодействовали друг с другом и аннигилировали, прежде чем Вселенная успеет «заметить», что энергия была позаимствована. Это значит, что частицы, созданные из вакуума, особым образом объединены в пары.

У каждого вида частиц, например, у электрона, есть соответствующая античастица (в случае электрона – позитрон). Античастицы производились в ходе экспериментов на ускорителях частиц и обнаружены в космических лучах (высокоэнергичные частицы, доходящие до Земли из космоса), а кроме того, предсказаны квантовой теорией, так что в том, что они существуют, нет никаких сомнений. Античастица во многих отношениях – зеркальное отражение частицы-эквивалента: например, позитрон несет положительный заряд, а электрон – отрицательный. И если частица встречает свою античастицу, они аннигилируют.

Итак, согласно квантовой теории, вакуум – это бурлящее море виртуальных частиц. В нем постоянно возникают пары вроде электрона и позитрона, взаимодействуют и исчезают в полном соответствии с законами квантового мира. Общая высвобождаемая энергия равна нулю, однако виртуальные частицы возникают и исчезают все время – ниже порога реальности.

Хокинг показал, что даже у невращающейся черной дыры этот процесс способен истощить энергию самой черной дыры и высвободить ее во внешнюю Вселенную. Вот как это происходит: пара виртуальных частиц создается у самого горизонта черной дыры. За ту крошечную долю секунды, которую допускает квантовая неопределенность, одна из частиц попадает в черную дыру. Тогда второй частице не с чем аннигилировать, и она «сбегает» во Вселенную, прихватив с собой энергию.

Откуда взялась эта энергия? В сущности, это гравитационная энергия черной дыры. Черная дыра создает из своей энергии две частицы, но захватывает только одну, так что энергетический долг возмещается только наполовину, и в результате черная дыра теряет массу. При прочих равных условиях, если черная дыра не восполняет массу из других источников, она будет непрерывно сокращаться, испаряться, будто лужа на солнцепеке. Процесс этот медленный, но неуклонный, и даже у минидыры размером с протон уходят миллиарды лет на то, чтобы дойти до той точки, где она взорвется.

Итак, Хокингу пришлось отказаться от собственного вывода, что поверхность черной дыры не может уменьшаться. Сначала он установил связь между черными дырами и термодинамикой, показав, что согласно одной лишь ОТО черные дыры не могут сокращаться в размерах, но теперь обнаружил, что если добавить сюда еще и квантовую теорию, связь с термодинамикой становится еще сильнее, однако выясняется, что черные дыры уменьшаются – более того, не могут иначе.

На обычную черную дыру, возникшую из мертвой звезды, этот эффект практически не влияет. Если у черной дыры масса в три-четыре раза больше солнечной, а площадь горизонта примерно равна площади поверхности нейтронной звезды, она постоянно засасывает следы газа и пыли из окрестностей и даже из глубин пространства, и легко показать, что масса, теряемая от излучения Хокинга, гораздо меньше массы, набираемой благодаря этой аккреции. Если бы никто до этого не задумывался о минидырах, идея излучения Хокинга не вызвала бы особого интереса. Но поскольку Хокинг уже высказал гипотезу о минидырах, идея квантового испарения черных дыр произвела сильное впечатление.

Крошечная черная дыра меньше протона размером почти не заглатывает вещество из своих окрестностей, даже если находится внутри планеты. Для такой маленькой черной дыры даже плотное вещество – все равно что пустое пространство! Поэтому излучение Хокинга с поверхности минидыры, в сущности, определяет ее поведение. Хокинг показал, что такого рода излучение придает черной дыре температуру – в точности такую же, какую предсказывала работа Бекенштейна. При массе черной дыры, равной массе нашего Солнца, эта температура составляет примерно одну десятимиллионную градуса Кельвина (так что возникающее в результате ультраслабенькое излучение Хокинга не идет ни в какое сравнение с огромным количеством падающего в черную дыру вещества), но для минидыры массой всего в миллиард тонн и размером с протон температура составляет уже около 120 миллиардов К. Как показывают эти примеры, температура обратно пропорциональна массе черной дыры, поэтому, когда черная дыра теряет массу и уменьшается, она разогревается и излучает энергию все быстрее и быстрее и в конце концов взрывается с мощным выбросом рентгеновских и гамма-лучей.

Любителям научной фантастики будет интересно узнать, что, если мы сегодня сумеем найти минидыру размером с протон, она станет для нас более чем полезным источником энергии. Такая дыра давала бы около 6000 мегаватт и внесла бы значительный вклад в энергетику даже большой страны. Только вот непонятно, где ее держать: не забывайте, что она весила бы миллиард тонн, и гравитация тянула бы ее к центру Земли.

Срок жизни черной минидыры зависит от точной массы, с которой она родилась, но в среднем черные дыры размером с протон, родившиеся при Большом Взрыве, должны были бы то и дело взрываться в сегодняшней Вселенной. Любопытно, что датчики на спутниках иногда регистрируют всплески гамма-излучения из глубин космоса, и пока этому явлению не найдено общепринятого объяснения. Очень может быть, что уже открыто излучение Хокинга от взрывающихся черных дыр, хотя доказать это едва ли когда-нибудь удастся.

Хокинг совершил то, что сам считал невозможным: описал физическое явление, объединив ОТО и квантовую физику (плюс щепотка термодинамики). Именно благодаря этой работе его имя стало известным вне узких кругов математиков и астрономов, и сегодня любой физик скажет вам, что такое излучение Хокинга и почему это так важно. Однако Хокинг всегда скептически относился ко всякого рода официальным мероприятиям, поэтому повел себя несколько эксцентрично: он рассказал о поразительном открытии, что «черные дыры на самом деле не черные», не в статье в научном журнале вроде «Nature», а в заметке, которую прислал на камерный конкурс, организованный Фондом исследований гравитации в США.

Фонд исследований гравитации проводит ежегодный конкурс статей о новых исследованиях природы гравитации. До 1970-х годов конкурс не выходил за пределы Соединенных Штатов, и заграничных работ на нем почти не было, хотя как-то раз его выиграл британец, живущий в США. Затем, в 1970 году, приз достался одному из нас (Дж. Г.) и стал его последним научным достижением. Поэтому, когда тот же приз год или два спустя получил Стивен Хокинг за заметку о черных дырах, Дж. Г. тут же отправил ему поздравительное письмо. Там говорилось, что приятно видеть имя Хокинга в списке победителей, поскольку это повышает престиж конкурса и позволяет прежним победителям погреться в отраженных лучах славы. «Ничего не знаю про престиж, – писал в ответ Хокинг, – но деньги всегда очень кстати».

«Официальная версия» истории о взрывающихся черных дырах была опубликована в журнале «Nature» 1 марта 1974 года. Заметка, представленная на конкурс Фонда исследований гравитации, носила безапелляционное название «Черные дыры не черны» («Black Holes Aren’t Black»), однако статья в «Nature», что нетипично для Хокинга, называлась с некоторым сомнением: «Взрывы черных дыр?» Она вызвала жаркие споры, как мы уже видели в главе 8, причем некоторые оппоненты прямо утверждали, что на сей раз Хокинг говорит глупости. Джон Тейлор и Пол Дэвис из Королевского колледжа в Лондоне написали опровержение, опубликованное в «Nature» за 5 июля 1974 года, под названием «Взрываются ли черные дыры?» («Do Black Holes Really Explode?»), где отвечали на собственный вопрос однозначным «Нет». Однако даже Тейлор и Дэвис вскоре убедились, что заблуждались, а Хокинг был прав.

Однако самым главным в этом открытии была даже не конкретная идея, что черные дыры взрываются, а основной принцип открытия: стало ясно, что квантовую физику и теорию относительности можно плодотворно сочетать, чтобы изучать новые аспекты устройства Вселенной. Вскоре Хокинг применил тот же подход для очередной попытки разгадать загадку сингулярности в начале времен. Однако сейчас, когда прошло столько лет, представляется очень удачным совпадением, что Хокинга избрали членом Королевского общества – а это в Великобритании величайшая честь для ученого – именно весной 1974 года, вскоре после публикации «научной» версии статьи о взрывах черных дыр в журнале «Nature». Хокинг набрал полную силу как ученый – спустя десять лет после того, как врачи отвели ему всего два года жизни, и почти ровно пять лет после ухудшения, грозившего оборвать научную карьеру подающего надежды исследователя в самом начале. А во второй половине 1970-х Хокинг переключился на исследования происхождения Вселенной как таковой, вернувшись к началу времен.