Глава 9. Проблемы унификации

Глава 9.

Проблемы унификации

В 1947 году только что окончивший аспирантуру Брайс Девитт встретился с Вольфгангом Паули и рассказал, что работает над квантованием гравитационного поля. Девитт не понимал, почему две великие концепции XX века — квантовая физика и общая теория относительности — существуют отдельно друг от друга. «Почему гравитационное поле пребывает в гордом одиночестве? — недоумевал он. — Почему бы не заставить его погрузиться в поток теоретической физики и подвергнуться квантованию?» Паули энтузиазма Девитта не разделял. «Это очень важная задача, — сказал он, — ею должен заняться кто-то действительно умный». Уровень интеллекта Девитта вряд ли можно подвергнуть сомнению, но более чем полвека общая теория относительности с удивительным упорством сопротивлялась его усилиям.

Общая теория относительности оставалась изолированной, демонстрируя беспрецедентную несовместимость с квантовой физикой. После Второй мировой войны интерес к квантам привел к появлению совершенно новой и мощной теории, которая свела все взаимодействия и все фундаментальные составляющие материи в простое единое целое. Все взаимодействия, исключая гравитационное. Альберт Эйнштейн и Артур Эддингтон десятилетиями пытались разработать единую теорию, но потерпели неудачу. С квантовой теорией дела обстояли по-другому. Она с ошеломляющей точностью как в Европе, так и в США была проверена экспериментами на гигантских ускорителях, став наглядным примером успешной стыковки красивых математических расчетов, талантливых умозрительных заключений и прозаических измерений.

Несмотря на эти успехи, существовал человек, отказавшийся поддерживать новую послевоенную квантовую физику. Поль Дирак считал квантовую теорию частиц и взаимодействий фикцией и образцом некорректного мышления. Это была уловка, обход фундаментальных проблем путем магического удаления нескольких бесконечных чисел. Дирак был убежден, что именно эта уловка мешает общей теории относительности во всем ее великолепии присоединиться ко всем остальным взаимодействиям.

Поль Дирак был личностью замкнутой. Высокий худой человек, практически ничего не говорящий на людях. А когда он все-таки брал на себя труд высказаться, то выражался слишком точно и предметно. Зачастую он производил впечатление болезненно застенчивого человека и предпочитал работать самостоятельно, одержимый красотой математики, которая, с его точки зрения, имела под собой реальную основу. Его работы были математической драгоценностью, а выводы из них оказывали сильное влияние на физику. Изначально он учился на инженера в Бристоле, но в начале 1920-х годов, перейдя в Кембридж, быстро зарекомендовал себя как активный сторонник недавно обнаруженных квантов. Его карьера была стремительной, он стал сотрудником колледжа Святого Джона в Кембридже, а вскоре после этого получил должность Лукасовского профессора математики, которую в XVII веке занимал Ньютон. Кембридж стал ему приютом, скрывшись в стенах которого он тем не менее имел возможность влиять на поколения физиков, а также на ряд астрофизиков и релятивистов, в 1960-х занявшихся реанимацией общей теории относительности. Под его руководством получили докторские степени Фред Хойл и Деннис Сиама, а Роджер Пенроуз присутствовал на его лекциях, восхищаясь их ясностью и точностью.

По иронии судьбы, именно его собственное фундаментальное уравнение для электрона — теперь известное как уравнение Дирака — стало первым шагом к объединению специальной теории относительности Эйнштейна и основ квантовой физики. Уравнения квантовой физики показывают, как состояние квантовой системы — например, связанных в атоме водорода электрона и протона — меняется со временем. При этом четко видна разница между пространством и временем, в то время как специальная теория относительности Эйнштейна оперирует только понятием пространства-времени. Кроме того, она объединяет общими рамками законы механики с законами, которым подчиняется свет. Поль Дирак смог поместить в эти рамки еще и законы квантовой физики. Благодаря уравнению Дирака вся физика, в том числе квантовая, стала подчиняться специальной теории относительности.

Частицы во Вселенной делятся на два типа: фермионы и бозоны. Опыт показывает, что частицы, из которых состоит материя, являются преимущественно фермионами, а вот за взаимодействия в природе отвечают в основном бозоны. К фермионам относятся строительные блоки атомов, например электроны, протоны и нейтроны. Как мы убедились при рассмотрении белых карликов и нейтронных звезд, эти частицы обладают странным свойством, вытекающим из принципа запрета Паули: в одном квантовом состоянии может находиться не более одной частицы. При попытке поместить их в одинаковое состояние они расталкиваются квантовым давлением. Фаулер, Чандра и Ландау использовали это давление, чтобы объяснить, каким образом белые карлики и нейтронные звезды поддерживают свое состояние при массах ниже критической. В отличие от фермионов, бозоны не подчиняются принципу запрета Паули и при желании могут объединяться друг с другом. Примером бозона является носитель электромагнитной силы фотон.

Выведенное Дираком уравнение описывает квантовое физическое поведение электрона, одновременно удовлетворяя специальной теории относительности Эйнштейна. Это уравнение определяет вероятность обнаружения электрона, находящего в определенной точке пространства или перемещающегося с определенной скоростью. Уравнение Дирака определяется не в отдельном пространстве, а в соответствии с требованиями специальной теории относительности, оно единообразно определено во всем пространстве-времени. Оно содержит большое количество уникальной информации об окружающем мире и фундаментальных частицах. К удивлению автора, уравнение предсказало существование античастиц. Античастица — это двойник элементарной частицы, обладающий такой же массой, но противоположным зарядом. Античастицей электрона является позитрон. От электрона он отличается только положительным зарядом. Согласно уравнению Дирака, обе эти частицы должны существовать в природе. Также уравнение предсказывает, что в вакууме могут возникать пары электрон-позитрон, появляясь, по сути, из ниоткуда. Понять это странное явление крайне сложно, особенно с учетом того, что на момент формулирования Дираком уравнения позитронов еще никто не видел. Сведения об этих частицах Дирак скрывал до 1932 года, то есть до момента их обнаружения в процессе исследования космических лучей. На следующий год Дирак получил Нобелевскую премию.

Предложив свое уравнение, Дирак начал революционное переосмысление существующих в окружающем мире частиц и взаимодействий. Если квантовую физику электрона можно описать в том же контексте, что и электромагнитное поле, — то есть в рамках специальной теории относительности Эйнштейна, — почему нельзя квантовать электромагнитное поле как электрон? Вместо простого описания световых волн естественным образом должны были описываться фотоны, то есть кванты света, существование которых Эйнштейн постулировал еще в 1905 году. Квантовая теория электронов и света, известная как квантовая электродинамика, стала следующим шагом на пути объединения частиц и сил. Разрабатываемая после Второй мировой войны Ричардом Фейнманом, Джулианом Швингером и Синъитиро Томонагой, она указала новый способ изучения квантовой физики: квантованные частицы (электроны) и силы (электромагнитное поле) как одно целое. Квантовая электродинамика имела феноменальный успех, позволив своим создателям с удивительной точностью предсказать свойства электронов и электромагнитных полей и сделав их лауреатами Нобелевской премии.

Несмотря на то что она замечательно работала, квантовая электродинамика раздражала Поля Дирака. Ведь основой ее успеха стал метод вычислений, бросивший вызов внутренней вере Дирака в простоту и элегантность математики. Он назывался перенормировкой. Чтобы понять его суть, рассмотрим процедуру, которая в квантовой электродинамике используется для вычисления массы электрона. Масса электрона была точно измерена в лабораториях и составляет 9,1?10^-28 граммов — это очень маленькое число. Но уравнения квантовой электродинамики дают для этого параметра бесконечно большое число. Это связано с тем, что квантовая электродинамика допускает создание из ничего и последующую аннигиляцию протонов и короткоживущих пар электрон-позитрон — частиц и античастиц из уравнения Дирака. Появляясь из вакуума, все эти виртуальные частицы увеличивают внутреннюю энергию и массу электрона, в конечно счете делая ее бесконечной. Таким образом, квантовая электродинамика при некорректном применении сплошь и рядом приводит к бесконечности, давая неверный ответ. Однако Фейнман, Швингер и Томонага утверждали, что так как наблюдения показывают конечную массу электрона, можно взять бесконечный результат вычислений и «перенормировать» его, заменив известным измеренным значением.

Для недоброжелательно настроенного наблюдателя процедура перенормирования выглядит как отбрасывание бесконечностей и произвольная подстановка вместо них конечных значений. Поль Дирак открыто заявил, что его «крайне не устраивает такая ситуация». Он утверждал: «Подобная математика не имеет смысла. В математике допустимо пренебречь параметром, если он мал, но нельзя отбрасывать его потому, что он бесконечно велик, а вам он в таком виде не подходит!» Все это выглядело частью какого-то почти магического ритуала, хотя и давало, без сомнения, отличные результаты.

Квантовая электродинамика стала первым шагом на долгом пути к объединению, но в промежуток с 1930-х по 1960-е годы внезапно выяснилось, что кроме электромагнитной и гравитационной существуют еще две силы, которые нужно включить в общую картину. Во-первых, это слабое взаимодействие, предложенное в 1930-х годах итальянским физиком Энрико Ферми для объяснения особого типа радиоактивности, известного как бета-распад. При бета-распаде нейтрон преобразуется в протон, освобождая при этом один электрон. Такой процесс невозможно понять в рамках теории электромагнитных взаимодействий, поэтому Ферми предложил новую силу, допускающую такие преобразования. Она действует только на очень коротких межъядерных дистанциях, уступая по интенсивности электромагнитным взаимодействиям, откуда, собственно, и появилось ее название. Другая сила — сильное взаимодействие — объединяет протоны и нейтроны при формировании ядра. Также она отвечает за объединение более фундаментальных частиц, называемых кварками, из которых состоят протоны, нейтроны и масса других частиц. Также действуя на крайне короткой дистанции, она намного превосходит по интенсивности слабое взаимодействие (отсюда и говорящее имя). Аналогично тому как в XIX веке Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм в электромагнитное взаимодействие, теперь требовалось изобрести общий подход к работе со всеми четырьмя фундаментальными взаимодействиями: гравитационным, электромагнитным, а также сильным и слабым межъядерными.

В течение 1950-х и 1960-х как сильное, так и слабое межъядерные взаимодействия систематически анализировались и подробно изучались. По мере того как улучшалось их понимание, между ними и электромагнитным взаимодействием начало проявляться математическое сходство, заставляя предположить, что, возможно, речь идет об одной и той же силе, которая в зависимости от ситуации проявляется себя по-разному. К концу 1960-х Стивен Вайнберг из Массачусетского технологического института, Шелдон Глэшоу из Гарварда и Абдус Салам из Имперского колледжа в Лондоне предложили новый способ объединения по меньшей мере двух из этих взаимодействий — электромагнитного и слабого межъядерного — в электрослабое взаимодействие. Сильное межъядерное взаимодействие пока не получилось включить в эту концепцию, но оно было так похоже на остальные силы, что существовало твердое убеждение в возможности «большой, единой теории» электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. В 1970-е выяснилось, что теории электрослабого и сильного взаимодействий, как и квантовая электродинамика, допускают перенормирование. То есть все раздражающие бесконечности, появляющиеся при расчетах, можно заменить известными значениями, сделав теории в высшей степени предсказуемыми. Полученная комбинация теорий электрослабого и сильного взаимодействий стала известна как стандартная модель и дала точные предсказания, проверенные, например, на гигантском ускорителе частиц в лаборатории ЦЕРН в Женеве. Эта почти полностью унифицированная и функциональная квантовая теория трех взаимодействий — электромагнитного, слабого и сильного — стала общепринятой.

Ее приняли все, кроме Поля Дирака. Ему импонировало молодое поколение, создавшее стандартную модель, его восхищала часть выполненных математических расчетов, но одновременно он не раз выступал против бесконечностей и против, как он выражался, гнусных уловок с перенормированием. В нескольких публичных лекциях, в которых он упоминал стандартную модель, Дирак упрекал своих коллег за то, что они не попытались разработать более приемлемую теорию, не содержащую бесконечностей.

К концу своей кембриджской карьеры Дирак все больше замыкался в себе. Он упрямо отвергал нововведения в квантовой физике. Несмотря на тягу к уединению, он считал, что его игнорирует остальной физический мир, принявший квантовую электродинамику и причисляющий его к фигурам из прошлого. Поэтому он отошел от дел, предпочитая работать в своем кабинете в колледже Святого Джона, избегая кафедры, профессором которой он являлся, и не обращая внимания на крупные открытия в области общей теории относительности, сделанные Деннисом Сиамой, Стивеном Хокингом, Мартином Рисом и их соавторами. Как вспоминал один из сотрудников Кембриджа: «Дирак был призраком, который редко появлялся и никогда не вступал в разговоры». В 1969 году он ушел в отставку с поста Лукасовского профессора математики и перебрался во Флориду, получив пост профессора в местном университете. В последние годы он без удивления узнал, что общая теория относительности не допускает перенормирования.

Брайс Девитт не подозревал, к какой борьбе приведет его увлечение квантовой теорией. Работая в Гарварде с Джулианом Швингером, он лично стал свидетелем рождения квантовой электродинамики. Решив заняться проблемой гравитации, Девитт предпочел рассматривать ее в одном ключе с электромагнетизмом, пытаясь воспроизвести успех квантовой электродинамики. Между электромагнитным и гравитационным взаимодействиями существовало определенное сходство: это были силы большого радиуса действия. В квантовой электродинамике передача электромагнитного взаимодействия осуществляется частицами без массы — фотонами. Это взаимодействие можно описать так: множество фотонов снуют между заряженными частицами, например электронами и протонами, и в зависимости от их относительных зарядов расталкивают их в стороны или толкают друг к другу. Аналогичным способом Девитт подошел к квантовой теории гравитационных взаимодействий, заменив фотоны другой частицей без массы — гравитоном. Гравитоны должны были сновать между массивными частицами, толкая их друг к другу и создавая то, что мы привыкли считать гравитационным притяжением. Подобный подход оставлял за бортом все красивые геометрические построения. Хотя гравитация до сих пор описывалась в терминах уравнений Эйнштейна, Девитт предпочел считать ее очередным взаимодействием, к которому применимы методы квантовой электродинамики.

В течение следующих двадцати пяти лет Девитт искал способ квантования гравитона, но столкнулся с колоссальными трудностями. В очередной раз уравнения Эйнштейна оказались слишком запутанными и громоздкими для работы. Он наблюдал за развитием других теорий и подмечал там аналогичные сложности. Но если проблемы с объединением сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, судя по всему, постепенно решались, общая теория относительности упрямо не желала втискиваться в рамки применяемых к этим взаимодействиям правил квантования. В своей борьбе Девитт был не одинок: до него попытки квантования гравитона предпринимали Матвей Бронштейн, Поль Дирак, Ричард Фейнман, Вольфганг Паули и Вернер Гейзенберг. Создатели успешной модели электрослабого взаимодействия Стивен Вайнберг и Абдус Салам пытались применять приемы, разработанные ими для стандартной модели, но оказалось, что в случае с гравитацией возникают большие сложности.

Работа Девитта по квантованию гравитона привлекла внимание ряда ученых. Его подбадривал Джон Уиллер, студенты которого тоже корпели над данной проблемой, а также пакистанский физик Абдус Салам, Деннис Сиама из Оксфорда и Стэнли Дезер из Бостона. Тем не менее общая реакция на работу в области квантования гравитационного взаимодействия была смешанной, часто прохладной. Бывший студент Саламы Майкл Дафф вспоминал, что попытка представить результаты этой работы на конференции в Коржезе на острове Корсика была «встречена насмешками». Студент Денниса Сиамы Филипп Канделас работавший над квантовыми свойствами полей в пространстве-времени различной геометрии, слышал, как сотрудники физического факультета в Оксфорде бормотали, что «физикой он не занимается». Квантовая гравитация в сравнении с квантованием других взаимодействий была совершенно неразвитой. И многие считали работу в этой области потерей времени.

В феврале 1974 года Великобритания находилась в состоянии застоя. Подскочила цена на нефть, череда слабых правителей пыталась сдержать рост инфляции, страну затопили производственные конфликты. Время от времени рабочая неделя сокращалась до трех дней для экономии энергии, а веерное отключение электричества означало, что ужинать то и дело приходилось при свечах. Именно в эти мрачные дни было созвано заседание, посвященное подведению итогов процесса квантования гравитации, которым Девитт занялся почти двадцать пять лет назад. Несмотря на мрачный экономический климат, в начале Оксфордского симпозиума, посвященного квантовой гравитации, царила эйфория. Предсказания разработанной Глэшоу, Вайнбергом и Саламом стандартной модели физических частиц нашли блестящее подтверждение благодаря гигантскому ускорителю частиц в ЦЕРН. Несомненно, подобное должно было случиться и в области квантовой гравитации.

Но по мере того как докладчики представляли варианты решений и идей, снова и снова возникала одна и та же проблема, мешающая провести квантование гравитационных взаимодействий наиболее перспективным и популярным способом. Подход Девитта, требующий забыть о геометрии и представить гравитацию обычной силой, не сработал. Организаторы, перефразируя Вольфганга Паули, беспокоились, что «человеку не дано соединить то, что разорвал Бог». Проблема состояла в том, что общая теория относительности сильно отличалась от квантовой электродинамики и стандартной модели. Последние всегда позволяли перенормировать все массы и заряды фундаментальных частиц, избавившись от бесконечностей, мешающих получить осмысленный результат. Однако при применении этого приема к общей теории относительности все летело в тартарары. Бесконечности, не поддающиеся перенормированию, упорно продолжали появляться. Стоило уничтожить их в одной части теории, как они возникали в другой. Перенормировать всю теорию одним махом оказалось невозможно. А описываемые ею гравитационные взаимодействия были слишком запутанными и разнообразными, чтобы перенормировать их, как другие силы. Завершая свое выступление на симпозиуме, Майк Дафф сказал: «Кажется, обстоятельства складываются против нас, и от невозможности перенормирования нас может спасти только чудо».

Квантовая гравитация зашла в тупик. Общая теория относительности отказалась присоединиться к остальным взаимодействиям в рамках одной картины. Как хмуро отметил в посвященной симпозиуму статье журнал Nature: «Презентация М. Даффом технических результатов послужила лишь подтверждением тому, какие огромные усилия нужно приложить даже для небольшого продвижения вперед». Эта неудача была еще более обидной на фоне огромного прогресса в релятивистской астрофизике, черных дырах и космологии предшествовавших лет, не говоря уж про впечатляющие успехи стандартной модели в физике частиц.

Оксфордский симпозиум больше походил на признание поражения, исключая удивительное выступление кембриджского физика Стивена Хокинга. Тема выступления касалась черных дыр и квантовой физики. В своем докладе Хокинг показал, что существует некая активная зона, в которой возможно объединение квантовой физики и общей теории относительности. Более того, он брался доказать, что на самом деле черные дыры не были черными, а испускали чрезвычайно тусклый свет. Это диковинное заявление за следующие четыре десятилетия позволило преобразовать квантовую гравитацию.

К началу 1970-х Стивен Хокинг стал неотъемлемой частью Кембриджа. Он работал на кафедре прикладной математики и теоретической физики. В возрасте всего тридцати лет он уже был авторитетом по общей теории относительности. Вышедший из группы учеников Денниса Сиамы, Хокинг работал с Роджером Пенроузом над доказательством существования в начале времен сингулярностей. В первой половине 1970-х он заинтересовался космологией и черными дырами, после чего совместно с Брэндоном Картером и Вернером Израэлем однозначно доказал отсутствие у черных дыр волос: черные дыры не сохраняют информацию о процессе своего формирования, а все дыры с одинаковыми массой, моментом импульса и зарядом неотличимы друг от друга. Кроме того, Хокинг получил интересные данные о размерах черных дыр. Он обнаружил, что поверхность Шварцшильда, или горизонт событий объекта, полученного слиянием двух черных дыр, должна быть больше или равна сумме их поверхностей Шварцшильда. На практике это означает, что если просуммировать область, занятую черными дырами до и после любого физического события, она всегда будет больше.

Всю эту работу Хокинг выполнял, уже будучи больным боковым амиотрофическим склерозом. В конце 1960-х он ходил по коридорам факультета с палочкой, опираясь на стены, и медленно, но неуклонно терял возможность перемещаться без посторонней помощи. Постепенно утрачивая возможность писать и чертить — существенный инструмент в арсенале физика-теоретика, — он развил умение анализировать все детали в уме, что позволило ему и дальше заниматься важными проблемами общей теории относительности и квантовой физики.

Можно сказать, что движущей силой крупного открытия Хокинга стало его недовольство идеей, которую продвигал Яаков Бекенштейн, молодой израильский аспирант Джона Уиллера. Бекенштейн хотел увязать черные дыры со вторым законом термодинамики. Воспользовавшись одним из результатов Хокинга, он выдвинул совершенно абсурдное утверждение, касающееся черных дыр. Хокинг счел это утверждение чрезмерно спорным и откровенно некорректным.

Для понимания сути вопроса нам потребуется совершить краткий экскурс в термодинамику — раздел физики, изучающий тепло, работу и энергию. Второе начало термодинамики (всего их четыре) гласит, что энтропия, или мера беспорядка системы, всегда увеличивается. Рассмотрим классический пример простой термодинамической системы: контейнер с молекулами газа. Если молекулы находятся в состоянии покоя и аккуратно сконденсированы в одном из углов, энтропия системы низка — беспорядок практически отсутствует. Кроме того, стационарные частицы не могут ударяться о стенки контейнера и нагревать его, поэтому температура системы низка. А теперь представьте, что молекулы пришли в движение. Они свободно перемещаются по контейнеру, случайным образом заполняя пространство и сдвигая систему в состояние с высокой энтропией. То есть распределение молекул внутри контейнера становится менее упорядоченным. Во время перемещений они сталкиваются со стенками контейнера, передавая им некую энергию, что приводит к росту его температуры. Чем быстрее двигаются молекулы, тем быстрее они перемешиваются и тем быстрее увеличивается энтропия, пока не достигнет максимума. Ведь чем выше скорость молекул, тем меньше вероятность собрать их в спокойное упорядоченное состояние с низкой энтропией. Кроме того, более быстрые молекулы передают стенкам контейнера больше тепла, еще сильнее нагревая систему. Фактически мы видим две вещи: контейнер стремится перейти в состояние с более высокой энтропией, а энтропия непосредственно связана с температурой.

Бекенштейн решил рассмотреть парадоксальное явление: что произойдет, если бросить в черную дыру контейнер с неким содержимым. В качестве содержимого могло выступать что угодно: энциклопедии, газообразный водород, кусок железа. Для простоты рассмотрим все тот же контейнер с газом. Контейнер исчезнет в черной дыре и очень быстро в действие вступит теорема «об отсутствии волос». Способа узнать, чем был наполнен контейнер, не существует. Вся информация о нем теряется. Но одновременно весь беспорядок, созданный газом в контейнере, — вся энтропия — тоже исчезает, а значит, общая энтропия Вселенной уменьшается. Получается, что черные дыры нарушают второе начало термодинамики.

Способ спасения второго начала термодинамики Бекенштейн увидел в результатах Хокинга. Когда мы бросаем нечто в черную дыру, ее горизонт событий никогда не уменьшается — он остается тем же самым или растет. Из этого Бекенштейн заключил, что для соблюдения во Вселенной второго начала термодинамики черные дыры должны обладать энтропией, пропорциональной площади их поверхности. Этого увеличения площади хватит для компенсации уменьшения беспорядка, вызванного исчезновением за горизонтом событий, поэтому энтропия Вселенной никогда не уменьшается. Однако доведя этот парадокс до логического конца, Бекенштейн пришел к странному выводу. Если черная дыра обладает энтропией, то, как и у контейнера с молекулярным газом, у нее должна быть температура. На этом этапе он ощутил, что заходит слишком далеко, поэтому в статье написал: «Подчеркиваю, что параметр Т не следует считать температурой черной дыры, так как подобное отождествление легко приводит к парадоксам разного рода и, соответственно, не имеет смысла».

Несмотря на оговорки Бекенштейна, Хокинг воспринял его утверждение с раздражением. В соответствии с законами термодинамики не существует способа увеличить энтропию черной дыры, не заставив ее каким-то образом излучать тепло.

Для Хокинга это было чересчур. Он считал черные дыры поглощающими: объект мог провалиться в черную дыру, но совершенно точно не мог выйти наружу. Факт невозможности уменьшения поверхности черной дыры, доказанный им самим, мог выглядеть как энтропия, но на самом деле не имел к ней отношения — энтропия в данном случае была всего лишь приемлемой аналогией для объяснения поведения.

Тем не менее существовали зацепки, указывающие на возможную правоту Бекенштейна. Во-первых, в 1969 году Роджер Пенроуз обнаружил, что вращающаяся черная дыра, описанная в решении Керра, может излучать энергию. Представим частицу, перемещающуюся со скоростью, близкой к скорости света, в момент попадания в зону притяжения черной дыры Керра. Бели она распадется на две частицы, одна из них может втянуться в горизонт событий, а вторая ускориться и удалиться прочь с увеличившейся энергией, сохранив общую энергию системы и Вселенной. Во время этого странного процесса, известного как сверхизлучение Пенроуза, черные дыры по сути дела испускают энергию, как будто светясь каким-то странным образом. Имелись и другие факты. В 1973 году Стивен Хокинг, посетив Якова Зельдовича и его более молодого коллегу Алексея Старобинского, узнал, что они тоже рассматривают процессы, происходящие с черной дырой Керра. С их точки зрения, она должна избавляться от окружающего ее квантового вакуума и использовать его энергию для излучения своей, а значит, на самом деле испускать свечение.

Хокинг решил использовать квантовую физику для рассмотрения частиц рядом с горизонтом событий черной дыры, то есть в месте, где могут происходить странные вещи. Он обнаружил действительно необычную вещь. Квантовая физика допускает создание из вакуума пар частица-античастица. В обычных обстоятельствах эти частицы возникают, затем очень быстро сталкиваются друг с другом и аннигилируют, полностью исчезая. Но рядом с горизонтом событий, по расчетам Хокинга, должна была возникать другая ситуация: некоторые античастицы могли бы всасываться черной дырой, в то время как частицы этот процесс не затрагивал. Это происходило бы снова и снова, и по мере всасывания античастиц черная дыра начала бы медленно, но верно испускать поток энергетических частиц. Хокинг детально рассчитал, что произойдет в случае частиц без массы, например фотонов. Оказалось, что для удаленного наблюдателя черная дыра будет светиться с крайне низкой яркостью, как очень тусклая звезда. И, как звезде, ей можно сопоставить температуру. К примеру, глядя на испускаемый нашим Солнцем свет, можно измерить температуру его поверхности, которая составляет примерно 6000 градусов кельвина. Другими словами, благодаря квантовой физике Хокинг обнаружил, что предсказанные общей теорией относительности черные дыры испускают свет и имеют температуру.

Это был удивительно четкий и однозначный математический результат с далеко идущими последствиями. Расчеты Хокинга показали, что температура свечения черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Например, черная дыра с массой Солнца будет иметь температуру в одну миллиардную градуса кельвина, а черная дыра с массой Луны — 6 градусов кельвина. Причем в процессе свечения часть массы утрачивается. Этот процесс протекает чудовищно медленно. Излучение, или «испарение», как называл его Хокинг, всей массы звезды, весящей как наше Солнце, займет очень много времени. Но чем меньше масса, тем быстрее происходит этот процесс. К примеру, черная дыра с массой около триллиона килограммов (совсем малютка с астрофизической точки зрения) полностью испарится за время жизни Вселенной, высвободив в последнюю долю секунды изрядное количество энергии. Как описывал Хокинг, это будет «по астрономическим стандартам довольно слабый взрыв, эквивалентный взрыву примерно миллиона водородных бомб мощностью в одну мегатонну». Свою статью, которая в конце концов появилась в журнале Nature, Хокинг осторожно озаглавил «Взрывы черных дыр?».

Выступая на Оксфордском симпозиуме, Стивен Хокинг несколько неуклюже сидел в инвалидной коляске в передней части зрительного зала. Он собирался сообщить вещи, открывающие новые горизонты, поэтому говорил четко и целеустремленно, объясняя собравшимся свои расчеты. Когда он закончил, наступила тишина. Как вспоминал Филипп Канделас, в то время ученик Денниса Сиамы: «Люди относились к Хокингу с большим уважением, но никто толком не понял, о чем он говорил». Позднее сам Хокинг вспоминал: «Я столкнулся с общим недоверием. Председатель симпозиума утверждал, что все это ерунда». В обзоре результатов Оксфордского симпозиума было признано, что «главной достопримечательностью конференции стал неутомимый С. Хокинг», но автор обзора скептически отнесся к предсказанию взрывов черных дыр, написав: «При всей заманчивости такой перспективы не существует физически приемлемого механизма, который мог бы привести к подобным эффектам».

Для осознания значимости открытия Хокинга требовалось время, хотя некоторые поняли важность этой теории сразу. Деннис Сиама отозвался о статье Хокинга как об «одной из самых красивых в истории физики» и сразу же заставил часть своих студентов разрабатывать это направление. Джон Уиллер описал результат Хокинга как «конфету на кончике языка». Брайс Девитт решил сам воспроизвести этот результат и написал посвященный излучению черных дыр обзор, который убедил новые группы ученых.

Сделанные Хокингом расчеты излучения черных дыр не имели отношения к квантовой гравитации. Расчет не был связан с квантованием гравитационного поля, требующим выработки правил и процессов, которым подчинялись бы гравитоны, — в этой области пробовали свои силы и потерпели неудачу Девитт и многие другие. Но он успешно объединил кванты и общую теорию относительности, получив интересный устойчивый результат, на который при разработке квантовой гравитации, если бы дело когда-либо до этого дошло, можно было бы сослаться и подробно объяснить. В результате на следующие несколько лет излучение черных дыр вселило надежду на решение невозможно сложной задачи квантования гравитации. Хокинг твердо задумал квантовать не только объекты в пространстве-времени, но и само пространство-время. Готовя новых студентов для работы над своей программой, Хокинг в течение следующих сорока лет концентрировался на квантовой гравитации. И так совпало, что через десять лет после того, как Поль Дирак оставил должность Лукасовского профессора в Кембриджском университете, на нее был назначен Стивен Хокинг и занимал ее в течение двадцати пяти лет.

Когда молодой студент спросил Джона Уиллера, каким образом лучше готовиться к работе над квантовой гравитацией: сделать упор на общую теорию относительности или на квантовую физику? — Уиллер ответил, что, вероятно, лучше всего будет, если студент выберет для себя какую-нибудь другую область. Это был мудрый совет. Неуступчивые бесконечности продолжали срывать все попытки квантования общей теории относительности, и казалось, что любые поползновения в области квантовой гравитации обречены на провал.

Но было верно и другое. Как показали выдающиеся результаты Хокинга, объединение общей теории относительности с квантовой физикой ведет к неожиданным вещам. У черных дыр обнаруживается энтропия и способность испускать тепло, что идет вразрез с идеей релятивистов об их поглощающей природе. Одновременно расчеты Бекенштейна и Хокинга проливают странный свет на кванты, с которыми общая теория относительности творит невероятные вещи. В обычной заурядной физической системе, например в контейнере с газом, энтропия связана с объемом. Чем больше объем, тем больше способов перемешать молекулы в случайном порядке и создать беспорядок — отличительную черту энтропии. И вся эта неупорядоченность, этот беспорядок заключен внутри контейнера. Прямая связь между энтропией и объемом является неотъемлемой частью базового курса термодинамики. Но как мы помним, Бекенштейн и Хокинг показали, что энтропия черной дыры связана не с занимаемым ею в пространстве объемом, а с площадью ее поверхности. Как если бы энтропия заключенного в контейнер газа каким-то образом заключалась в стенках контейнера, а не в хаотичных движениях частиц. Каким же образом мы сохраняем энтропию на поверхности черной дыры, которая должна быть простой, «лишенной волос» и лишь равномерно светящейся из-за излучения Хокинга?

Трудноразрешимая и непостижимая, с новыми потрясающими данными о черных дырах, квантовая гравитация стала величайшим вызовом умным молодым физикам. Однако в то время как она превратилась в поле битвы идей, которым суждено было изжить себя за следующие десятилетия, вокруг общей теории относительности разгоралась другая битва. Вместо мысленных экспериментов и искусных математических вычислений в ход пошли инструменты и детекторы, призванные измерить в ткани пространства-времени слабые волны, возникающие при столкновении черных дыр.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.