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

Впервые я встретил Уилера в 1961 году. Я был студентом Сити-колледжа Нью-Йорка с несколько странной академической справкой. На встречу с ним меня взял один из моих учителей, Гарри Судак — грызущий сигары и сквернословящий профессор из той же еврейской левой рабочей среды, что ия. Расчёт был на то, чтобы впечатлить Уилера и устроить меня аспирантом, несмотря на отсутствие диплома. В то время я работал водопроводчиком в Южном Бронксе, и моя мать считала, что к встрече я должен быть надлежащим образом одет. Для моей мамы это значило, что следует показать солидарность с моим социальным классом и быть в своей рабочей одежде. Сейчас мой водопроводчик в Пало-Альто одевается также, как и я, когда читаю лекции в Стэнфордском университете. Но в 1961 году мой костюм водопроводчика был таким же, как у моего отца и всех его приятелей-сантехников в Южном Бронксе, — комбинезон в стиле Крошки Абнера [69] , синяя фланелевая рубашка и тяжёлые со стальными подковами башмаки. Я также носил кепку, чтобы уберечь волосы от грязи и пыли.

69

Крошка Абнер — персонаж комиксов и комедийных фильмов, здоровенный добродушный работяга, который всегда носит рабочий комбинезон с лямкой через одно плечо. — Прим. перев.

Когда Гарри заехал за мной, чтобы отправиться в Принстон, он обомлел. Большая сигара выпала у него изо рта, и он отправил меня наверх переодеваться. Он сказал, что Джон Уилер — совсем другой парень.

Когда я вошёл в величественный профессорский кабинет, то понял, что имел в виду Гарри. Единственный способ описать человека, который меня приветствовал, — это сказать, что он выглядел республиканцем. Какого чёрта меня занесло в это вражеское логово?

Двумя часами позже я был полностью очарован. Джон с энтузиазмом описывал свои представления о том, как пространство и время становятся бешеным, дрожащим, пенящимся миром квантовых флуктуаций, когда рассматриваешь их в чудовищной силы микроскоп. Он сказал мне, что самая глубокая и вдохновляющая проблема физики — это объединение двух великих эйнштейновских теорий — общей теории относительности и квантовой механики. Он объяснил, что лишь на планковском расстоянии элементарные частицы раскрывают свою истинную природу, и она должна быть целиком геометрической — квантово-геометрической. На глазах молодого честолюбивого физика важный бизнесмен превратился в идеалистического мечтателя. Больше всего на свете я хотел последовать в бой за этим человеком.

Был ли на самом деле Джон Уилер столь консервативным, каким он казался? Честно говоря, я не знаю. Но он определённо не был ханжой-морализатором. Однажды, когда Джон и мы с женой Энни выпивали в прибрежном кафе Вальпараисо, он поднялся со словами, что хочет прогуляться и посмотреть на южноамериканских девушек в бикини. В то время ему было уже сильно за восемьдесят.

Как бы то ни было, я так никогда и не стал одним из уилеровских мальчиков; Принстон меня не принял. Так что я отправился в Корнелл, где физика была куда слабее. Прошло много лет, прежде чем я вновь ощутил тот же трепет, что в 1961 году.

Где-то около 1967 года Уилер очень заинтересовался гравитационно сколлапсировавшими объектами, которые Карл Шварцшильд описал в 1917 году. Тогда они назывались чёрными или тёмными звёздами. Но это не отражало сущности данных объектов — тот факт, что это глубокие дыры в пространстве, гравитационное притяжение которых непреодолимо. Уилер стал называть их чёрными дырами. Сначала знаменитый американский физический журнал Physical Review отказался использовать такое название. Сегодня причина этого выглядит смешной: термин «чёрная дыра» считался непристойным! Однако Джон пробил его через редакционную коллегию, и чёрные дыры вышли в свет [70] .

70

Я впервые услышал эту историю от выдающегося релятивиста Вернера Израэля.

Забавно, что следующий тезис Джона гласил: «Чёрные дыры не имеют волос». Не знаю, возражал ли Physical Review на этот раз, но терминология закрепилась. Уилер вовсе не пытался провоцировать редакторов. Напротив, он приводил очень серьёзные соображения относительно свойств горизонтов чёрных дыр. Под «волосами» он имел в виду наблюдаемые свойства — какие-нибудь кочки или другие неоднородности. Уилер отмечал, что горизонт чёрной дыры гладкий и лишён каких-либо деталей, подобно лысой голове, — на самом деле он ещё намного более гладкий. Когда чёрная дыра образуется — скажем, при коллапсе звезды, — горизонт очень быстро приобретает форму идеальной, без каких-либо особенностей, сферы. Если не считать массы и скорости вращения, любая чёрная дыра совершенно неотличима от других. По крайней мере, так считалось.

Израильтянин Якоб Бекенштейн — маленький тихий человек. Но его мягкое поведение в научном сообществе контрастирует с его интеллектуальной смелостью. В 1972 году он был одним из аспирантов Уилера, заинтересовавшимся чёрными дырами. Однако они занимали его не как небесные тела, которые когда-нибудь можно будет увидеть в телескоп. Страстью Бекенштейна были основания физики, её самые фундаментальные принципы, и он чувствовал, что чёрные дыры могут рассказать о законах природы нечто очень важное. Особенно его интересовал вопрос, терзавший и Эйнштейна: как чёрные дыры уживаются с принципами квантовой механики и термодинамики. По сути, стиль физических исследований Бекенштейна был очень похож на эйнштейновский; оба они были мастерами мысленного эксперимента. По минимуму используя математику, но очень глубоко размышляя о принципах физики и о том, как их применять в воображаемых (но возможных) физических условиях, оба учёных могли получать далеко идущие выводы, которые сильно влияли на будущее физики.

Вот вкратце вопрос, который поставил Бекенштейн. В вашем распоряжении контейнер с горячим газом, имеющим высокий уровень энтропии. Вы бросаете контейнер с энтропией в чёрную дыру. Здравый смысл говорит, что контейнер просто исчезнет под горизонтом. С точки зрения любых практических задач энтропия полностью исчезнет из наблюдаемой Вселенной. Согласно доминирующему представлению, гладкий, лысый горизонт не способен скрывать никакую информацию. Так что будет казаться, что энтропия мира убывает, что противоречит второму началу термодинамики, который говорит, что энтропия никогда не убывает. Неужели можно так легко нарушить столь важный принцип, как второе начало? Эйнштейн бы ужаснулся.

Бекенштейн заключил, что второе начало слишком глубоко встроено в систему физических законов, чтобы так легко нарушаться. Поэтому он выдвинул радикально новое предположение: сами чёрные дыры должны обладать энтропией. Он утверждал, что при подсчёте общей энтропии Вселенной — недостающей информации в звёздах, межзвёздном газе, атмосферах планет и всех ваннах с горячей водой — необходимо добавить определённое количество энтропии в счёт каждой чёрной дыры. Благодаря этой идее Бекенштейн спас второе начало. Эйнштейн, без сомнения, одобрил бы это.

Вот как рассуждал Бекенштейн. Энтропия всегда сопутствует энергии. Она связана с числом комбинаций чего-то, а это что-то во всех случаях является энергией. Даже чернила на этой странице состоят из имеющих массу атомов, которые, согласно Эйнштейну, обладают энергией, поскольку масса — это форма энергии. Можно сказать, что энтропия соответствует числу возможных способов организации порций энергии.

Когда Бекенштейн в своём воображении засовывал контейнер с горячим газом в чёрную дыру, он добавлял ей энергию. Это оборачивалось увеличением массы и размеров чёрной дыры. Вели, как предположил Бекенштейн, чёрные дыры имеют энтропию, которая растёт вместе с их массой, то появляется шанс спасти второе начало. Энтропия чёрной дыры должна возрастать сильнее, чем необходимо для компенсации потерь.

Прежде чем рассказывать, как Бекенштейн вывел формулу для энтропии чёрной дыры, надо объяснить, почему эта идея была такой шокирующей, что, согласно Хокингу, он первоначально отбросил её как вздорную [71] .

Энтропия учитывает различные варианты организации, но что это такое? Если горизонт чёрной дыры лишён деталей, как самая гладкая из мыслимых лысин, то что там подсчитывать? По этой логике, чёрная дыра должна иметь нулевую энтропию. Утверждение Джона Уилера о том, что «чёрные дыры не имеют волос», выглядит прямо противоречащим теории Якоба Бекенштейна.

71

Подробнее об этом первоначальном скепсисе можно прочитать в его книге «Краткая история времени» (Русский перевод: Хокинг С. Краткая история времени. — СПб.: Амфора, 2007. — Прим. перев.)

Как примирить учителя и студента? Позвольте привести поясняющий пример. Отпечаток на листе с разными градациями серого в действительности состоит из крошечных чёрных и белых точек. Предположим, в нашем распоряжении имеется миллион чёрных точек и миллион белых. Один из возможных рисунков получается, если разделить страницу пополам по вертикали или по горизонтали. Одну половину можно сделать чёрной, другую — белой. Есть только четыре способа выполнить это.

Получается чёткий рисунок с резкими контрастами, но имеющий всего несколько вариаций. Чёткий рисунок с резкими контрастами обычно означает низкую энтропию.