Хокинг вдохновился идеей Пенроуза: звезда с достаточно большой массой во время гравитационного коллапса превращается в сингулярную точку. Вместе с Пенроузом и Робертом Джерочем он начал применять понятие сингулярной точки к другим физическим и математическим задачам. Он был уверен, что эта теория сможет многое объяснить и в происхождении вселенной. То была радостная работа, “со счастливой уверенностью, что все это поприще принадлежит только нам”. Хокинг понял: если повернуть время вспять, чтобы коллапс обратился в расширение, гипотеза Пенроуза по-прежнему будет верна. Раз, согласно общей теории относительности, на определенном этапе коллапс непременно превращает звезду в черную дыру, то расширяющаяся вселенная должна была начаться с сингулярной точки. Это будет верно в том случае, если вселенная соответствует так называемой “модели Фридмана”. Что представляет собой модель Фридмана?

Пока Хаббл не доказал, что вселенная расширяется, вера в статическую вселенную (вселенную с неизменными размерами) была настолько прочна, что Эйнштейн, создав к 1915 году общую теорию относительности, предполагавшую в числе прочего нестатичность вселенной, предпочел внести изменения в свою теорию, до такой степени он был убежден в неизменности размеров вселенной. Великий физик дополнил свое уравнение “космологической константой”, уравновешивающей гравитацию. Без космологической константы общая теория относительности утверждала то самое, что мы теперь принимаем за истину: размеры вселенной меняются.

Российский физик Александр Фридман решил принять теорию Эйнштейна в ее первозданном виде, без космологической константы, и на основании этой теории предсказал то, что подтвердит в 1929 году Хаббл: вселенная расширяется.

Фридман исходил из двух предпосылок: 1) вселенная кажется одинаковой, в какую сторону ни глянь, и исключение составляют лишь близкие к нам объекты – очертания галактики Млечного Пути, наша Солнечная система; 2) вселенная выглядит одинаково с любой точки наблюдения во вселенной. Иными словами, космическому путешественнику вселенная все равно будет казаться одинаковой, в каком направлении ни погляди.

Первую предпосылку Фридмана принять нетрудно, а вот со второй нелегко смириться. Мы не располагаем доказательствами ни за ни против. Как говорит Хокинг, “мы соглашаемся с этим утверждением лишь из скромности: странно было бы, если б вселенная выглядела одинаковой во всех направлениях только с Земли, но не из других точек наблюдения”. Странно, однако ведь не вовсе невозможно. Скромность – ничуть не более убедительный аргумент, чем гордыня. И все же физики в большинстве своем согласны с Фридманом.

В модели Фридмана все галактики движутся прочь друг от друга, и чем дальше они друг от друга, тем быстрее расходятся. Это совпадает с наблюдениями Хаббла. По мнению Фридмана, путешествуя во вселенной, мы все так же будем видеть, как вселенные убегают от нас. Вообразите себе муравья, ползущего по воздушному шарику, на поверхности которого нарисованы на равном расстоянии точки. И пусть муравей не воспринимает то измерение, которое позволило бы ему выглянуть “за пределы” поверхности шарика. О внутренней стороне шарика он также не имеет понятия. Вселенная муравьишки сводится к поверхности шарика. Она кажется одинаковой во всех направлениях. И куда бы муравей ни пополз, впереди столько же точек, сколько позади. Если шарик начнет раздуваться, муравей из любой точки поверхности увидит, как точки отдаляются от него. Вселенная в виде надувающегося шарика соответствует обоим предположениям Фридмана: она выглядит одинаково, куда ни погляди, и она выглядит одинаково из любой точки наблюдения.

Что еще можно сказать о вселенной – воздушном шарике? Ее размеры не бесконечны. У поверхности “шарика” имеются определенные параметры, которые мы можем измерить, как и поверхность Земли. Никто ведь не утверждает, будто поверхность Земли бесконечна. Но вместе с тем у поверхности Земли нет границ, и в этом смысле она беспредельна. Муравей, ползущий по воздушному шарику, никогда не наткнется на непреодолимое препятствие, поверхность нигде не кончается, он не свалится с нее: если будет ползти достаточно упорно, вернется когда-нибудь в исходную точку.

В первоначальной модели Фридмана пространство выглядит именно так: оно обладает не двумя, а тремя измерениями, но гравитация загибает пространство на самое себя. В таком случае вселенная отнюдь не бесконечна по размеру, но и не имеет предела, то есть границы. Ни один космический корабль никогда не долетит до того места, где вселенная кончается. Понять это непросто, ведь мы привыкли отождествлять понятия “бесконечный” и “беспредельный”. Однако это не одно и то же.

Хокинг напоминает: хотя затея облететь вселенную и вернуться в исходный пункт могла бы послужить прекрасным сюжетом для научной фантастики, на деле она неосуществима, по крайней мере, в этой модели Фридмана. Чтобы облететь вселенную прежде, чем вселенная перестанет существовать, понадобилась бы скорость, превышающая лимит для этой вселенной (то есть скорость света), а это невозможно. Наш шарик очень велик, а мы – совсем маленькие муравьишки.

Время в этой модели Фридмана тоже не бесконечно. Его можно измерить, и, в отличие от пространства, у времени есть границы, есть начало и конец. Посмотрите на рисунок 6.1а. В начале времени расстояние между двумя галактиками равно нулю. Они расходятся – расходятся медленно, и масса вселенной достаточно велика, так что постепенно силы притяжения останавливают это движение и вынуждают вселенную, наоборот, сжиматься. Галактики начинают вновь сближаться. В конце времен расстояние между ними опять равно нулю. Возможно, именно так устроена наша вселенная.

На рисунках 6.1b и 6.1c представлены две другие модели, которые также соответствуют предпосылкам Фридмана (вселенная выглядит одинаково во всех направлениях и из любой точки). На рис. 6.1b расширение происходит значительно быстрее. Гравитация не может его остановить, только слегка замедляет. На рис. 6.1с вселенная расширяется не так быстро, как на рис. 6.1b, но достаточно быстро, чтобы избежать коллапса. Скорость расхождения галактик становится все меньше и меньше, однако они продолжают расходиться. Если верна какая-либо из этих двух моделей вселенной, то пространство бесконечно: оно не заворачивается само на себя.

Рис. 6.1. Три модели, соответствующие идее Фридмана: вселенная выглядит одинаковой в любом от нас направлении, и вселенная выглядит одинаково из любой точки наблюдения во вселенной.

Какая модель соответствует нашей вселенной? Зависит от того, сколько во вселенной массы, сколько голосов в совокупности у электората. Чтобы “закрыть” вселенную, понадобится значительно больше массы, чем мы наблюдаем сейчас. Так в упрощенном виде формулируется намного более сложная проблема, к которой мы в дальнейшем еще вернемся.

Теория Пенроуза о звездах, которые в результате коллапса превращаются в черные дыры, работает лишь в бесконечном пространстве, во вселенной, которая будет расширяться вечно (как на рис. 6.1b и 6.1c), а не схлопнется (как на рис. 6.1а). Хокинг первым взялся доказать, что вселенная с бесконечным пространством не только должна иметь сингулярные точки в виде черных дыр, но и начиналась с сингулярной точки. Заканчивая свою работу, он почувствовал такую уверенность, что подытожил: “В прошлом у нас – сингулярная точка”.

В 1968 году трактат Хокинга и Пенроуза о начале времен завоевал второй приз Фонда исследований гравитации, но вопрос все еще висел в воздухе: что, если правильна первая модель Фридмана, та, в которой пространство ограниченно и вселенную в итоге настигает коллапс (рис. 6.1а)? Можно ли утверждать, что и такой тип вселенной начинается с сингулярной точки? К 1970 году Хокинг и Пенроуз сумели доказать, что это верно и для такой вселенной. В “Публикациях Королевской академии” за 1970 год вышла их совместная статья, где со всей определенностью утверждалось: если вселенная подчиняется общей теории относительности и соответствует любой модели Фридмана и если во вселенной имеется столько вещества, сколько мы наблюдаем, то она должна была начаться с сингулярной точки, в которой вся масса была спрессована до бесконечной плотности, искривление пространства-времени было бесконечным, и расстояние между любыми объектами равнялось нулю.

Физическая теория не может работать с бесконечно большими числами. Предсказав сингулярную точку с бесконечной плотностью и бесконечным искривлением пространства-времени, общая теория относительности тем самым предсказала свой собственный конец. Любые научные теории разбиваются о загадку сингулярности. Мы утрачиваем возможность предвидеть, законы физики бессильны предсказать, что могло бы явиться из сингулярности – это может оказаться любая разновидность вселенной. А как насчет того, что произошло до образования сингулярности? Неизвестно даже, имеет ли подобный вопрос смысл.

Сказать, что в начале вселенной – сингулярная точка, все равно что сказать: начало вселенной лежит за пределами нашего знания, за пределами любых попыток создать теорию всего. Мы можем утверждать лишь, что время началось, потому что мы это видим, однако и тут немало гадательного. Сингулярность захлопывает дверь прямо у нас перед носом.

Физиков дразнят тем, что они всегда и всюду размышляют о своей науке. Хокинг превосходил в этом смысле даже своих коллег: он выполнял все расчеты в голове – отчасти это стало последствием его недуга – и потому в самом деле носил работу с собой повсюду и мог заняться ею в любой момент. Кип Торн обнаружил у Стивена поразительную способность оперировать мысленными образами объектов, кривых, поверхностей, причем не в трех, а в четырех измерениях пространства-времени.

Прекрасный пример того, как работал Хокинг, он сам приводит в книге “Краткая история времени”: “Как-то вечером в ноябре 1970 года, вскоре после рождения моей дочери Люси, я размышлял о черных дырах, пока укладывался спать. Мой недуг превращает укладывание в медленный процесс, поэтому времени для размышлений у меня было предостаточно”. Другой ученый на месте Хокинга кинулся бы к столу записать основные мысли, уравнения, но Хокинг совершил одно из главных в своей жизни открытий в уме, с тем лег в постель и пролежал без сна до рассвета, дожидаясь первых лучей солнца, чтобы позвонить Пенроузу и поделиться с ним новыми идеями. Пенроуз, как утверждает сам Хокинг, тоже думал в этом направлении, однако не охватил последствия этой гипотезы.

Вот в чем суть пришедшей в голову Хокингу идеи: черная дыра не может уменьшаться в размерах, потому что периметр горизонта событий (граница невозврата, расстояние от центра, на котором вторая космическая должна превышать скорость света) не может сократиться.

Представим себе: в результате коллапса звезда съежилась до того радиуса, при котором вторая космическая совпадает со скоростью света. Что произойдет с фотонами, которые эта звезда испускает в момент, когда ее радиус станет еще меньше? Гравитация достаточно сильна, чтобы не позволить лучам света выйти за пределы этого радиуса, но не настолько сильна, чтобы втянуть их в черную дыру. Фотоны так и останутся мерцать по периметру, на прежнем расстоянии от центра, на постоянном горизонте событий. А сама звезда будет и дальше уменьшаться в размерах и не сможет более испускать фотоны.

Хокинг понял: если на горизонте событий скапливаются лучи света, векторы этих лучей не должны пересекаться. Если бы лучи приблизились друг к другу, они бы столкнулись и рухнули в черную дыру. Чтобы область горизонта событий сокращалась, чтобы черная дыра уменьшалась в размерах, как раз и нужно, чтобы лучи на горизонте событий сближались. И здесь парадокс: если они сблизятся, они рухнут в черную дыру, а горизонт событий не станет меньше.

Можно подойти к тому же выводу с другого конца: понять, что черная дыра может расти. Размеры черной дыры определяются ее массой, а значит, черная дыра увеличивается, когда что-то попадает в нее и пополняет ее массу. Поскольку ничто не может выйти из черной дыры, уменьшиться ее масса не может – а значит, не уменьшится и сама черная дыра.

Открытие Хокинга получило название второго закона динамики черной дыры: область горизонта событий (граница черной дыры) остается одинаковой или увеличивается, но никогда не уменьшается. Если две, или более, черные дыры столкнутся и сольются в одну, область нового горизонта событий будет равна сумме прежних или окажется больше этой суммы. Черную дыру нельзя уменьшить, уничтожить или расколоть на две черные дыры, хоть что с ней делай. Не кажется ли вам отчасти знакомой формулировка этого открытия Хокинга? Ну конечно же, это похоже на другой “второй закон” – второй закон термодинамики, тот самый, об энтропии.

Энтропия – мерило беспорядка в системе. Беспорядок всегда нарастает и никогда не убывает. Соберешь пазл, уложишь его аккуратно в коробку, но стоит коробку тряхнуть, как кусочки перемешаются, и картинку уже не рассмотреть – такое происходит каждый день, но разве кто-нибудь рассчитывает получить готовую картинку, встряхивая коробку с перемешанными кусочками мозаик? В нашей вселенной энтропия (беспорядок) всегда нарастает. Разбитая чашка сама собой не склеится, грязная комната без помощи хозяйки не произведет уборку.

Допустим, вы склеили чашку, прибрались в комнате. Навели порядок. Означает ли это, что энтропии во вселенной стало меньше? А вот и нет. В процессе уборки вы расходуете умственную и физическую энергию, превращая ее в энергию с меньшим КПД. В сумме убыль порядка во вселенной превышает ту локальную прибавку порядка, которой вы добились.

И не только этим энтропия по своим свойствам напоминает горизонт событий черной дыры. Соединив любые две системы, мы получим энтропию, равную или большую, чем сумма энтропий этих двух систем. Известный пример – ящик, в котором находятся молекулы газа. Представим себе их в виде крошечных шариков, сталкивающихся друг с другом и со стенами ящика. Посреди ящика – перегородка. В одной половине (по одну сторону от перегородки) молекулы кислорода, по другую сторону – молекулы азота. Уберем перегородку, и молекулы кислорода и азота начнут перемешиваться. Вскоре практически однородная смесь заполнит весь ящик, но эта смесь окажется менее упорядоченной, чем были кислород и азот по отдельности: энтропия возрастет. (Во втором законе термодинамики есть оговорка: существует крошечный шанс, один на миллионы миллионов, что в какой-то момент молекулы азота вернутся в свою половину ящика, а все молекулы кислорода соберутся в другой половине.)

А теперь представьте себе, что вы бросаете коробку с перемешавшимися молекулами или любой другой подверженный энтропии объект в подвернувшуюся под руку черную дыру. Прощай энтропия в отдельно взятом ящике, думаете вы. Сумма беспорядка за пределами черной дыры уменьшилась, думаете вы. Сладили со вторым законом? Можно возразить, что в целом для вселенной (за пределами черной дыры плюс черная дыра) ничего не изменилось. Но ведь все, что попадает в черную дыру, навеки исчезает из нашей вселенной. Или нет?

Один из принстонских учеников Джона Уилера, Димитриос Христодулу, напомнил, что, согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе всегда возрастает и никогда не убывает и что “неприводимая масса” (так Христодулу назвал математическую комбинацию массы черной дыры и скорости вращения) никогда не убывает, что бы ни происходило с черной дырой. Это что, лишь внешнее совпадение? Неужели гипотеза Христодулу или более общее и существенное по своим последствиям утверждение Хокинга (горизонт событий никогда не сокращается) имеют какое-то отношение ко второму закону термодинамики?

Свою идею – горизонт событий черной дыры никогда не сокращается – Стивен Хокинг впервые представил научному сообществу в декабре 1970 года на Симпозиуме по астрофизике и теории относительности в Техасе. Тогда он оговорился, что при всем сходстве формулировок – неубывание области горизонта событий, неубывание энтропии – это всего лишь аналогия.

Еще один принстонский выученик Уилера, Яков (Джейкоб) Бекенштейн, не согласился с такой оговоркой. Он решил, что горизонт событий черной дыры не только похож по своим свойствам на энтропию – он и есть энтропия. Измеряя радиус горизонта событий, мы тем самым измеряем энтропию черной дыры. Бросив ящик в черную дыру, мы не уничтожим энтропию внутри черного ящика – энтропия присутствует и внутри черной дыры, и мы лишь увеличим ее. Упав в черную дыру, наш ящик с молекулами внутри приплюсуется к общей массе черной дыры, и соответственно увеличится горизонт событий. Вместе с тем возрастет и энтропия.

Но тут возникает затруднение. Нарастание энтропии означает повышение температуры. Объект, которому присуща энтропия, не может быть совершенно холодным, а если у него есть температура, объект должен излучать энергию. Раз излучается энергия, мы уже не вправе говорить, что “оттуда” ничего не исходит. Но ведь из черной дыры ничего не должно исходить.

Хокинг счел гипотезу Бекенштейна ошибочной и даже сердился, что Бекенштейн, мол, исказил его открытие о неубывании горизонта событий. В 1972 и 1973 годах вместе с двумя другими физиками, Джеймсом Бардином и Брэндоном Картером, он, казалось бы, двигался навстречу этой гипотезе, разработав в итоге целых четыре закона механики черной дыры, практически совпадающих с четырьмя хорошо известными законами термодинамики, – нужно лишь заменить выражение “горизонт событий” на термин “энтропия”, а вместо “сила притяжения на поверхности горизонта” писать “температура”. Тем не менее три соавтора продолжали настаивать, что это всего лишь аналогия, и в окончательной версии своей статьи подчеркивали, что четыре закона механики черной дыры хотя и похожи на законы термодинамики, но отнюдь с ними не совпадают. Сколько бы мы ни проводили параллелей между свойствами энтропии и областью внутри горизонта событий, в черной дыре энтропии нет, писали они, поскольку из нее ничего не исходит. Такой аргумент Бекенштейну крыть было нечем, и все же, хотя он был в ту пору аспирантом, а эти трое уже сделали себе имя в науке, Бекенштейн не сдавался. В итоге выяснилось, что ошибались Хокинг, Бардин и Картер. Сам же Хокинг и доказал это.

В 1962 году, когда Хокинг поступил в Кембридж, он предпочел космологию, науку о бесконечно больших, квантовой механике, науке о бесконечно малых. Теперь, в 1973 году, он решил сменить угол зрения и изучить черные дыры как раз с точки зрения квантовой механики. Впервые кто-то всерьез – и с успехом – попытался объединить две главные физические теории ХХ века, теорию относительности и квантовую механику. Как мы знаем из главы 2, несводимость этих теорий стала главным препятствием на пути к созданию теории всего.

В январе 1973 года Хокингу исполнился 31 год. Новый год принес ему публикацию его первой книги, написанной в соавторстве с Джорджем Эллисом и посвященной Деннису Сиаме. Эту работу, “Крупномасштабная структура пространства-времени”, Хокинг теперь считает “крайне специальной и едва ли читабельной”. Книгу до сих пор можно отыскать на полках академических книжных магазинов, и любой читатель, кроме специалиста по физике, пожалуй, согласится с таким суждением автора, если попытается ее пролистать. Бестселлером, подобным “Краткой истории времени”, этой работе не стать, но в своей области она признана классической.

В августе и сентябре того же года, в длинные университетские каникулы, Хокинги съездили в Варшаву на празднование пятисотлетия со дня рождения Николая Коперника, а оттуда дальше на восток, в Москву. Они пригласили в эту поездку и Кипа Торна, поскольку тот уже пять лет сотрудничал с советскими физиками и знал ходы и выходы в Союзе. Хокинг хотел потолковать с Яковом Борисовичем Зельдовичем и его аспирантом Александром Старобинским. Эти двое советских ученых сумели доказать, что принцип неопределенности подразумевает: вращаясь, черная дыра создает и испускает частицы, порожденные энергией вращения. Излучение не выходит за пределы горизонта событий, оно притягивается обратно и замедляет вращение черной дыры, пока вращение вовсе не остановится, а вместе с вращением прекратится и излучение. Хокинг заинтересовался идеями Зельдовича и Старобинского, однако их вычисления его не устраивали. После этой встречи он вернулся в Кембридж с твердым намерением отыскать математическое решение получше.

Хокинг ожидал, что его подсчеты подтвердят: черная дыра испускает то самое излучение, которое предсказывали русские, однако он открыл нечто куда более поразительное: “К собственному изумлению, я обнаружил, что даже невращающиеся черные дыры должны с постоянной интенсивностью порождать и испускать частицы”. Сперва Хокинг заподозрил собственные вычисления и много времени провел в поисках ошибки. В особенности он не хотел, чтобы о таком повороте событий прознал Бекенштейн, ведь выходило, что тот был прав, отождествляя площадь горизонта событий и энтропию. Однако чем дольше Хокинг размышлял об этом, тем очевиднее становилось, что его вычисления вполне соответствуют истине. И вот что интересно: спектр испускаемых частиц как раз соответствовал излучению любого объекта с повышенной температурой.

Бекенштейн, выходит, был прав: нет смысла бросать вещество в черные дыры, словно в огромные урны, – энтропия от этого не уменьшится и порядка во вселенной не прибавится. Вещество, обладающее энтропией, провалится в черную дыру, площадь горизонта событий увеличится, энтропия черной дыры возрастет. Суммарная энтропия вселенной внутри черной дыры и за ее пределами никак не уменьшится.

Однако Хокингу предстояло расправиться с загадкой посложнее: как может черная дыра быть горячей и испускать частицы, если ничто не выходит за пределы горизонта событий? Ответ он нашел в квантовой механике.

Рассуждать о пространстве как о вакууме не вполне правильно, ведь пространство, как мы уже убедились, не бывает совершенно пустым. Сейчас мы поймем, почему это так.

Принцип неопределенности гласит: нам не дано точно знать и положение частицы, и ее количество движения одновременно в любой момент времени. И более того, мы не можем точно знать величину поля и скорость его изменения во времени. Чем точнее мы знаем величину поля, тем менее точно знаем скорость изменения, и наоборот – вечные качели. Зато величина поля никогда не бывает равна нулю: ноль – самое что ни на есть точное измерение как величины, так и скорости изменения, а принцип неопределенности не допускает такой точности измерения. В абсолютно пустом пространстве величина любого поля должна быть равна нулю. Нет нулевой величины поля – нет и пустого пространства.

Вместо пустого пространства, полного вакуума, которое мерещится “где-то там” большинству из нас, приходится иметь дело с минимальной неточностью, с некоторой неопределенностью насчет того, какова же величина поля в “пустом” пространстве. Вот один из способов постичь колебания величины этого поля, чуточку больше нуля – чуточку больше, но никогда не ровно ноль.

Постоянно возникают пары частиц – например, фотонов или гравитонов. Сперва пара держится вместе, затем распадается. Спустя невообразимо короткий промежуток времени эти частицы вновь соединяются, и происходит аннигиляция – частицы взаимно уничтожают друг друга. Квантовая механика учит, что такие события происходят все время и повсюду в так называемом “вакууме”. Возможно, эти частицы не “реальны”, то есть мы не сумеем зарегистрировать их с помощью приборов, но они и не плод воображения. Даже если эти частицы всего лишь “виртуальны”, мы знаем об их существовании, поскольку можем замерить их влияние на другие частицы.

Некоторые пары состоят из частиц материи, фермионов. В таком случае одна из частиц в паре принадлежит к антиматерии. Антиматерия, с которой нас познакомили научно-фантастические романы, видеоигры и фильмы (она служит топливом кораблю “Энтерпрайз”), не вымысел.

Вероятно, вы слышали о том, что общее количество энергии во вселенной всегда остается постоянным. Энергия не может вдруг взяться из ниоткуда. Как же применить этот закон к постоянно образующимся парам частиц? Они-то ведь порождаются “взятой взаймы” на очень краткое время энергией. Постоянного изменения не происходит. Одна частица в паре несет отрицательную энергию, другая – положительную. Вместе они уравновешивают друг друга. Общее количество энергии во вселенной не увеличивается.

Хокинг рассуждал так: на горизонте событий черной дыры появляется множество таких пар. Он представлял себе, как возникает пара виртуальных частиц. Прежде чем разошедшиеся частицы встретятся вновь и аннигилируют, одна из них, та, что с отрицательной энергией, пересечет горизонт событий и попадет внутрь черной дыры. Означает ли это, что и положительно заряженная частица должна последовать за своей неудачливой напарницей, разыскать ее и вместе с ней погибнуть? Нет. Гравитационное поле на горизонте событий черной дыры настолько сильно, что способно творить чудеса с “виртуальными” частицами, даже с теми, кому не повезло получить отрицательную энергию: оно превращает их из “виртуальных” частиц в “реальные”.

Это превращение радикально изменяет судьбу частиц. Им уже нет необходимости разыскивать друг друга, чтобы аннигилировать. Они смогут существовать по отдельности, причем намного дольше. Разумеется, и частица с положительной энергией может упасть в черную дыру, но может и не упасть. Она освобождается от уз партнерства. Она может спастись бегством. Наблюдателю из удаленной точки покажется, будто она вылетела изнутри черной дыры. На самом деле эта частица находилась точно на наружной границе. А вторая частица из пары унесла отрицательную энергию внутрь черной дыры (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Излучение Хокинга.

Теперь такого рода излучение черных дыр называется излучением Хокинга. И, сделав второе свое великое открытие о природе черных дыр, Хокинг сам и доказал, что первое его прославленное открытие, второй закон динамики черных дыр (площадь горизонта событий никогда не сокращается), не всегда верно. Излучение Хокинга может привести к тому, что черная дыра начнет уменьшаться в размерах и в конечном итоге вовсе испарится. Это было уже не просто открытие – революция.

Почему излучение Хокинга приводит к уменьшению размеров черной дыры? Превращая “виртуальные” частицы в “реальные”, черная дыра теряет энергию. Как это возможно, если ничто не выходит за пределы горизонта событий? Как может черная дыра что-то “терять”? Ответ хитроумный: попадая в черную дыру, частица с отрицательной энергией приносит в черную дыру именно отрицательную энергию, то есть общее количество энергии в черной дыре убывает. Добавить отрицательную энергию значит вычесть энергию.

Так излучение Хокинга “грабит” черную дыру, отнимая у нее энергию. С убыванием энергии автоматически убывает и масса. Вспомните уравнение Эйнштейна Е=mc². Е – энергия, m – масса, с – скорость света. Когда в левой части уравнения убывает энергия (именно это происходит в рассмотренном случае в черной дыре), должно убывать и произведение в правой части уравнения. Скорость света – с – константа. Следовательно, убывает масса. Итак, предположив, что черная дыра теряет энергию, мы допускаем также, что в ней убывает и масса.

Учтем это и вспомним открытие Ньютона, формулу гравитации: если изменяется масса тела, то непременно меняется и сила притяжения, с какой это тело воздействует на другие тела. Если уменьшится масса Земли (на этот раз мы говорим о массе, а не о размерах), ее гравитационное поле на орбите Луны окажется слабее. Если черная дыра потеряет часть своей массы, сила ее притяжения на горизонте событий (границе невозврата) станет меньше. Тогда и вторая космическая скорость на таком расстоянии от черной дыры станет меньше скорости света. Значит, равенство “вторая космическая скорость = скорость света” будет действительно для меньшего, чем прежде, радиуса. Появится новый горизонт событий – ближе к черной дыре. Площадь горизонта событий сократится. Только так мы можем объяснить уменьшение размеров черной дыры.

Если замерить излучение Хокинга из большой черной дыры, возникшей в результате коллапса звезды, то мы будем разочарованы: такая огромная черная дыра, а температура на поверхности лишь на миллионную долю градуса превышает абсолютный ноль. И чем больше черная дыра, тем ниже ее температура. Хокинг утверждает: “Черная дыра с десятикратной солярной массой может испускать несколько тысяч фотонов в секунду, но их длина волны совпадает с размерами черной дыры, а энергии так мало, что мы не сумеем их обнаружить”. Ведь чем больше масса черной дыры, тем больше и площадь горизонта событий. Чем больше площадь горизонта событий, тем выше энтропия. Чем выше энтропия, тем ниже температура поверхности и уровень излучения.

Однако уже в 1971 году Хокинг предположил существование черных дыр иного типа – маленьких. Самые удивительные – размером с ядро атома. Вот у них излучение так излучение. Чем меньше черная дыра, тем выше температура на ее поверхности. Описывая эту разновидность черных дыр, Хокинг восклицает: “Едва ли их правильно именовать черными: на самом деле они раскалены добела!”

Эти “первичные черные дыры”, как называл их Хокинг, появились – если они в самом деле существуют – не в результате коллапса звезд. Это пережиток самых ранних этапов существования вселенной, когда действовало мощнейшее давление, сжимавшее вещество чуть ли не в точку. С тех пор первичные черные дыры должны были еще и уменьшиться в размере, ведь они постоянно теряют массу.

Для первичной черной дыры излучение Хокинга губительно: масса уменьшается, уменьшается и сама черная дыра, температура и скорость испускания частиц с горизонта событий возрастают. Черная дыра все быстрее теряет массу, а чем меньше масса, тем больше температура – порочный круг.

Чем же дело кончится? Хокинг предположил, что в итоге маленькая черная дыра исчезнет, выпустив напоследок огромное количество частиц – словно взорвется разом миллион водородных бомб. Взорвется ли когда-нибудь и большая черная дыра? Нет, вселенная достигнет финальной стадии своего существования задолго до того, как большая черная дыра будет готова к взрыву.

Мысль, будто черная дыра может уменьшаться и в итоге взорваться, противоречила всему, что было известно о черных дырах на 1973 год. Сам Хокинг усомнился в собственном открытии. Неделями он скрывал его от всех, не записывал, проверял и перепроверял вычисления в уме. Если уж он сам не мог в это поверить, страшно было подумать, как отнесется к подобной ереси ученый мир. Физики тоже не любят, когда над ними смеются. С другой стороны, Хокинг понимал: если он окажется прав, его открытие произведет переворот в астрофизике. В какой-то момент он заперся в ванной, чтобы обдумать все в уединении. “Все рождественские каникулы напролет я промаялся, но избавиться от них [от своих открытий] не сумел”.

Хокинг опробовал эту идею на ближайших своих сотрудниках. Отнеслись по-разному: Мартин Рис, например, друживший с Хокингом со времен учебы в Кембридже, прибежал к их общему наставнику Деннису Сиаме, восклицая: “Слыхали? Стивен перевернул все с ног на голову!” Сиама горячо поддержал Стивена и велел немедленно опубликовать это открытие. Хокинг потом жаловался, что Пенроуз, тоже преисполнившийся энтузиазма, позвонил ему как раз в тот момент, когда он собирался приступить к обеду в честь собственного дня рождения (начался 1974 год) и на стол подали гуся. Конечно, восторг Пенроуза был ему приятен, вспоминает Хокинг, но они так увлеклись беседой, что не сумели вовремя остановиться, и праздничный обед остыл.

Хокинг согласился представить свою странную гипотезу в феврале, в докладе на конференции, собиравшейся в Лаборатории Резерфорда – Эпплтона к югу от Оксфорда. Эту встречу, Вторую конференцию по квантовой механике, организовал Сиама. Хокинг слегка подстраховался, дополнив заголовок своей статьи знаком вопроса: “Взрывы черных дыр?”, но по пути в Оксфорд все еще терзался сомнениями, стоит ли обнародовать подобную гипотезу.

После краткой презентации, проиллюстрированной слайдами с уравнениями, воцарилось неловкое молчание. Вопросов почти не задавали. Большинство слушателей специализировались в других областях науки и едва ли поняли аргументацию Хокинга, но одно было ясно всем: его гипотеза решительно противоречила общепринятой теории. Те же, кто все понял, были ошеломлены и не готовы вступить в спор. Единственный голос раздался, когда презентация закончилась и включили свет. Председатель, почтенный профессор Лондонского университета Джон Тэйлор, поднялся и заявил: “Стивен, вы меня извините, но это полная чушь!”

В следующем месяце Стивен опубликовал свою “чушь” в авторитетном научном журнале Nature. Тэйлор и Пол Дэвис выступили в том же номере с опровержением. Несколько дней спустя физики всего мира вступили в ожесточенный спор по поводу шокирующего открытия Хокинга. Зельдович сперва пытался его оспорить, но в следующий приезд Кипа Торна в Москву советский физик срочно попросил его к себе. Торн вошел, оба – Зельдович и Старобинский – вскинули руки вверх, словно они перенеслись на Дикий Запад и Торн наставил на них свой смит-и-вессон: “Сдаемся. Хокинг прав. Мы ошибались”.

Кое-кто сразу признал открытие Хокинга важнейшим достижением теоретической физики последних лет. Сиама отозвался о его статье как о “самой красивой за всю историю физики”. Джон Уилер, который никогда за словом в карман не лез, сказал, что обсуждать дивное открытие Хокинга – все равно что “катать леденец на языке”. По мнению Кипа Торна, теряя способность работать руками, Стивен научился “пользоваться геометрическими доказательствами, которые складывались прямо у него в голове… великолепный набор инструментов, какого больше ни у кого нет. Поскольку вы – единственный, кто владеет этим новым инструментарием, некоторые проблемы только вам и дано разрешить, и больше никому”. Дела явно шли на лад.

Вторую статью, посвященную той же гипотезе, Стивен готовил более долго и тщательно. В марте 1974 года он отослал эту статью в Communications in Mathematical Physics, но в журнале ее потеряли, и в итоге текст был опубликован лишь в апреле 1975 года, когда Стивен представил его вторично. Тем временем он и его коллеги продолжали исследовать различные аспекты “излучения Хокинга”. Понадобилось примерно четыре года – и существенную роль тут сыграла совместная работа Хокинга и Джима Хартла, опубликованная в 1976 году, – чтобы ученый мир признал излучение Хокинга. Большинство физиков-теоретиков оценили революционный шаг Хокинга: он использовал представление о “виртуальных” частицах для объяснения черных дыр – проблемы, находившейся “в ведении” теории относительности. Таким образом появилась надежда объединить теорию относительности с квантовой физикой.