Моя краткая история

Мы достигли таких успехов в классической общей теории относительности, что в конце 1973 года, после публикации «Крупномасштабной структуры пространства-времени», я до некоторой степени остался без дела. Моя работа с Пенроузом показала, что общая теория относительности должна нарушаться в сингулярностях. Так что следующим шагом, несомненно, должно было стать объединение общей теории относительности, описывающей очень большое, с квантовой теорией, описывающей очень малое. У меня не было подготовки в области квантовой механики, а проблема сингулярности казалась в то время слишком сложной для лобовой атаки. Так что для разогрева я рассмотрел, как частицы и поля, подчиняющиеся квантовой теории, будут вести себя вблизи черной дыры. В частности, меня интересовало, можно ли создать атомы, ядром которых будет крошечная первичная черная дыра, образовавшаяся в ранней Вселенной.

Космологический юмор, часть вторая: пари с Джоном Прескиллом (см. текст справа)

Учитывая, что Стивен Хокинг и Кип Торн твердо уверены в том, что информация, проглоченная черной дырой, навсегда скрыта от окружающей Вселенной и никогда не может быть извлечена, даже если черная дыра испарится и полностью исчезнет, и учитывая, что Джон Прескилл твердо уверен в том, что механизм для выхода информации из испаряющейся черной дыры должен быть и будет найден в корректной теории гравитации, Прескилл предлагает, а Хокинг и Торн принимают следующее пари: когда начальное чистое квантовое состояние подвергается гравитационному коллапсу с образованием черной дыры, окончательное состояние в конце испарения черной дыры всегда будет чистым квантовым состоянием.

Проигравший(ие) вознаграждает(ют) победителя(ей) энциклопедией по выбору победителя, из которой по желанию можно извлекать информацию.

Стивен У. Хокинг и Кип С. Торн

Джон П. Прескилл

Пасадена, Калифорния, 6 февраля 1997 г.

Чтобы ответить на этот вопрос, я изучил, как квантовые поля будут рассеиваться на черной дыре. Я ожидал, что часть исходной волны должна поглотиться, а часть – рассеяться. Но, к своему большому удивлению, обнаружил, что от черной дыры, по-видимому, должно идти излучение. Сначала я подумал, что ошибся в вычислениях. Но то, что это излучение было как раз таким, какое требовалось, чтобы отождествить площадь горизонта с энтропией черной дыры, заставило меня поверить в его реальность. Я свел все это к одной простой формуле:

где S – энтропия, а A – площадь горизонта. Это выражение содержит три фундаментальных постоянных: G – ньютоновскую гравитационную постоянную, h – постоянную Планка и с – скорость света – и раскрывает наличие глубокой, прежде не предполагавшейся, связи между гравитацией и термодинамикой – наукой о теплоте.

Излучение от черной дыры будет уносить энергию, так что черная дыра станет терять массу и сжиматься. В конце концов, по-видимому, черная дыра полностью испарится и исчезнет. Это создает проблему, которая задевает самое сердце физики. Мои вычисления предполагали, что это излучение чисто тепловое и случайное, как и должно быть, если площадь горизонта является энтропией черной дыры. Но тогда как это излучение может нести всю информацию о том, из чего создана черная дыра? Если же информация теряется, то это несовместимо с квантовой механикой.

Этот парадокс обсуждался в течение тридцати лет без особого прогресса, пока я не обнаружил то, что, как я считаю, является его решением. Информация не теряется, но она и не возвращается в каком-либо полезном виде. Это подобно сжиганию энциклопедии: информация, содержащаяся в энциклопедии, формально говоря, не пропадет, если кто-то соберет весь дым и пепел, но ее будет очень трудно прочитать. На самом-то деле мы с Кипом Торном заключили пари с Джоном Прескиллом относительно информационного парадокса. Когда Джон победил, я вручил ему энциклопедию бейсбола, но, возможно, я должен был отдать ему лишь ее пепел.

8. Калтех

В 1974 году я был избран в члены Королевского общества. Это стало неожиданностью для сотрудников моего факультета, поскольку я был молодым, всего лишь начинающим научным сотрудником. Но в течение трех лет я дорос до профессора.

После моего избрания Джейн впала в депрессию, чувствуя, что я достиг своих целей и теперь буду двигаться только вниз. Ей несколько полегчало, когда мой друг Кип Торн пригласил нас вместе с другими исследователями общей теории относительности в Калифорнийский технологический институт (Калтех).

В течение последних четырех лет я пользовался инвалидным креслом с ручным приводом; а еще у меня был голубой трехколесный электромобиль, который двигался с небольшой скоростью и на котором я иногда в нарушение всех правил перевозил пассажиров. По приезде в Калифорнию мы поселились в принадлежащем Калтеху доме в колониальном стиле, неподалеку от кампуса. Там я впервые воспользовался электрическим инвалидным креслом. Оно значительно прибавило мне самостоятельности, особенно если учесть, что здания и тротуары в Соединенных Штатах приспособлены для инвалидов гораздо лучше, чем в Британии. Вместе с нами жил также один из моих аспирантов. Он помогал мне встать утром с постели и вечером, перед отходом ко сну, а также немного с едой, все это – в обмен на жилье и мое повышенное внимание к его научной работе.

Наш дом в Пасадене

Джейн, Люси, Роберт и я в нашем доме в Пасадене

Наши дети – их на то время было двое, Роберт и Люси – полюбили Калифорнию. Школа, в которую они ходили, опасалась возможного похищения учеников, поэтому ребенка нельзя было просто, как это водится, забрать у школьных ворот. Приходилось объезжать здание и подходить к воротам по одному. Тогда ребенка вызывали по громкоговорителю. Прежде я с таким никогда не сталкивался.

В доме был цветной телевизор. В Англии у нас был только черно-белый, да и тот плохо работал. Здесь же мы часто смотрели телевизор, особенно британские сериалы «Вверх и вниз по лестнице» [19] и «Восхождение человека» [20] . И вот только мы посмотрели ту серию «Восхождения человека», в которой в Ватикане допрашивают Галилея и приговаривают его к пожизненному домашнему аресту, как я узнаю, что Папская академия наук наградила меня медалью Пия XI. Сначала я хотел с негодованием отвергнуть ее, но потом признал, что Ватикан радикально пересмотрел свое мнение относительно Галилея. Так что я полетел в Англию, чтобы встретиться с родителями, которые потом сопровождали меня в Рим. Во время визита в Ватикан я настоял на том, чтобы в Ватиканской библиотеке мне показали материалы суда над

19

«Вверх и вниз по лестнице» – один из самых успешных британских сериалов, выходивших в 1971–1975 гг. Действие происходит в первой трети XX в., и многие исторические моменты переданы очень точно.

20

«Восхождение человека» – знаменитый научно-популярный сериал, посвященный развитию научной мысли. Он был снят британским математиком, биологом, историком и популяризатором науки Джейкобом Броновски и впервые транслировался в 1973 г.

Галилеем.

На церемонии награждения папа Павел VI сошел со своего трона и наклонился ко мне. После церемонии я встретил Поля Дирака, одного из основоположников квантовой теории, с которым я не общался, когда он был профессором в Кембридже, поскольку в то время не интересовался квантовой механикой. Он сказал мне, что сначала предложил другую кандидатуру на медаль, но потом все-таки решил, что именно я заслужил ее, и рекомендовал Академии наградить меня.

На физическом факультете Калтеха было тогда две суперзвезды – нобелевские лауреаты Ричард Фейнман и Мюррей Гелл-Манн, и они активно соперничали между собой. На первом из своих еженедельных семинаров Гелл-Манн сказал: «Я собираюсь просто повторить некоторые доклады, сделанные мною в прошлом году», – после чего Фейнман встал и вышел. Тогда Гелл-Манн сказал: «Теперь, когда он ушел, я могу сказать, о чем я в действительности намерен говорить».

Это было захватывающее время в физике элементарных частиц. Только что в Стэнфорде были открыты новые «очарованные» частицы, и это подтвердило теорию Гелл-Манна о том, что протоны и нейтроны состоят из трех более фундаментальных частиц, называемых кварками.

Находясь в Калтехе, я заключил пари с Кипом Торном о том, что двойная система Лебедь X-1 не содержит черной дыры. Лебедь X-1 – это источник рентгеновского излучения, в котором обычная звезда теряет свою внешнюю оболочку, захватываемую невидимым компактным компаньоном. Падая не него, вещество закручивается спиралью и очень сильно разогревается, испуская рентгеновское излучение. Я надеялся проиграть это пари, поскольку сделал в черные дыры крупные интеллектуальные инвестиции. Но если бы оказалось, что их не существует, я, по крайней мере, получил бы в утешение четырехгодовую подписку на сатирический журнал Private Eye. Если бы выиграл Кип, ему бы полагалась годовая подписка на эротический журнал Penthouse. В последующие годы свидетельства в пользу существования черных дыр стали настолько убедительными, что я решил сдаться и оформил для Кипа подписку на Penthouse, к большому неудовольствию его жены.