Я встречал Стивена Хокинга в конце 1970-х гг., когда учился в магистратуре. В Лондоне он читал лекцию о черных дырах в честь своего назначения лукасовским профессором математики. Хокингу было 36 лет, он состоялся как блестящий физик. Он уже десять лет сидел в инвалидном кресле, его речь настолько ухудшилась, что его понимали лишь немногочисленные члены семьи и близкие коллеги. Один из студентов, стоя вплотную к Хокингу, разбирал его слова и передавал аудитории. Помню, что к концу лекции проникся глубочайшим убеждением, что, какие бы препятствия ни встретились мне в жизни и в карьере, все это будет ничто по сравнению с тем, что испытывал Хокинг.
Двадцать лет спустя мы с двоюродным братом посетили публичную лекцию Хокинга в Кембридже. Текст лекции был подготовлен заранее и озвучивался синтезатором речи – это стало визитной карточкой Хокинга. Он отвечал на вопросы медленно, так как ему приходилось одним пальцем выбирать нужные фразы из огромной компьютерной базы. Но колкий юмор ученого проявился сполна. Кто-то спросил: «Мы когда-нибудь сможем использовать черные дыры, чтобы спасти человечество от уничтожения?» Помедлив, Хокинг напечатал: «Надеюсь, нет». Другой вопрос: «Может ли кто-нибудь выжить, падая в черную дыру?» Он медленно набрал ответ: «Вы – может быть. У меня и без того достаточно проблем».
В действительности ответ на второй вопрос заключается в том, что, к сожалению, падающий в черную дыру путешественник не выживет, его ждет «спагеттификация» под действием силы растяжения вследствие гравитации. Гравитация слабеет обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта. Для любого компактного объекта – такого как черная дыра – разница между гравитацией, действующей на две точки на разных расстояниях от этого объекта, может быть большой – это так называемая приливная сила[50]. На расстоянии 3000 км сила растяжения создаст между вашими головой и стопами ускорение, примерно равное гравитации Земли. Приятного мало, но вы выживете. На расстоянии 1000 км сила растяжения в 50 раз превысит земную гравитацию и разорвет на части ваши кости и внутренние органы. В 300 км – все еще далеко от горизонта событий – сила растяжения в 1000 раз превысит гравитацию Земли, твердые тела разрушатся. Спагеттификация – не детская игра, в которой один тянет вас за ноги, а другой – за руки, и даже не средневековая пытка дыбой. Пространственно-временной континуум возле черной дыры искривляется, и вас растягивает на всех уровнях: мышечных волокон, клеток и спирали ДНК.
Возникает парадокс. Горизонт событий – это точка невозврата, информационная мембрана: информация проникает внутрь, но не наружу. Если бы вы могли нырнуть в черную дыру с цифровыми часами и каким-то образом избежать спагеттификации, вам показалось бы, что часы продолжают нормально идти, пока вы в свободном падении погружаетесь в горизонт событий. Тем временем ваш компаньон, наблюдающий за падением, увидит, что часы замедляются, а ваша деформированная фигура медленно приближается к горизонту событий – до тех пор, пока вы не остановитесь вместе с часами. Теперь представьте, как мы бросаем в черную дыру книгу. Согласно законам гравитации, книга пересечет горизонт событий и информация будет утрачена, но с точки зрения стороннего наблюдателя книга никогда не достигнет горизонта событий. Утрачивается ли информация или каким-то образом «сохраняется» на горизонте событий?
Впрочем, Хокинг был рад проиграть одно пари – первое пари с Кипом Торном, заключенное в 1975 г. Хокинг оспорил существование черной дыры – это должно было его подстраховать. Он надеялся на проигрыш, но если бы выиграл, то, по его словам, утешился бы четырехлетней подпиской на британский сатирический журнал Private Eye. Как мы узнаем из следующей главы, источник высокоэнергетического излучения Лебедь Х-1 оказался убедительным кандидатом в черные дыры, и в 1990 г. Хокинг признал свое поражение. В качестве выигрыша Торн получил годовую подписку на Penthouse[51].
Золотой век теории черных дыр
После эпохальных открытий Хокинга изучение черных дыр пошло быстрее. Мы наблюдаем золотой век теории черных дыр, и с каждым годом выходит все больше статей. Физики пытаются согласовать «стройные» описания тел в общей теории относительности с «шероховатыми» описаниями материи в квантовой теории.
Как сказано выше, вопрос о том, что происходит с информацией на горизонте событий, остается величайшей загадкой. Теория испарения черных дыр Хокинга проникает в арсенал квантовой механики. Изначально ученый утверждал, что излучение черной дыры хаотично и случайно и при испарении черной дыры теряется вся содержавшаяся в ней информация. Это противоречит основной предпосылке квантовой теории, согласно которой взаимодействия частиц обратимы во времени, следовательно, можно было бы «проиграть фильм задом наперед» и восстановить начальное состояние из конечного. Противоречия между двумя весьма успешными теориями в физике – общей теории относительности и квантовой механики – многие ученые восприняли как кризис.
В 1996 г. Энди Строминджер и Кумрун Вафа воспроизвели энтропию и излучение Хокинга с помощью теории струн[52]. Теория струн – это растянувшаяся на много десятилетий попытка объединить четыре фундаментальные силы природы с концепцией материи не как частиц, а крохотных одномерных «струн» энергии, существующих в пространственно-временном континууме, имеющем, возможно, восемь или десять измерений. Теория струн более фундаментальна, чем стандартная квантовая теория, поскольку постулирует единственную сущность, лежащую в основе всевозможных частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны. Она красива и математически точна, но ее трудно проверить. Однако потрясающим образом с ее помощью удалось объяснить некоторые важные свойства черных дыр – впервые микроскопическая теория материи была успешно применена в области сильной гравитации. Исследование Строминджера и Вафы позволило предположить, что информация, попавшая в черную дыру, действительно может быть восстановлена. Однако ученые по-прежнему не пришли к согласию по вопросам сохранения информация и по поводу того, что теория струн может сказать о природе черных дыр.
Многие ведущие физики трудятся над этой головоломкой[53]. Согласно одной оригинальной идее, информация хранится на горизонте событий подобно тому, как голограмма служит двумерным информационным хранилищем трехмерного объекта. Если информация о содержимом черной дыры каким-то образом кодируется на поверхности (илл. 9), то это разрешает информационный парадокс. В 2012 г. в этой бочке меда обнаружили большую ложку дегтя: виртуальные частицы, обеспечивающие излучение Хокинга, оказались связанными – их квантовые состояния одинаковы даже на большом удалении друг от друга. Извлечь информацию, нарушив эту связность, означает высвободить мощный поток излучения, создав «стену огня» (файрвол) прямо над горизонтом событий. Путешественника ждет не скучное погружение в черную бездну, а уничтожение стеной огня. Однако для внешнего наблюдателя путешественник так и останется на горизонте событий, как муха на липкой ленте. Умрет или выживет? Никто не может выбраться наружу, и ничто не может проникнуть внутрь. Неизбежна ли стена огня? Ученые продолжают об этом спорить.
Этот спор показывает, как сильно менялись представления в процессе разработки теории черных дыр. Предоставим заключительное слово Энди Строминджеру. В статье 2016 г. «Мягкие волосы черных дыр», написанной в соавторстве с Хокингом, он оспаривает теорему Джона Уилера об отсутствии волос и идентифицирует частицы, которые могут играть роль квантовых пикселей информационного хранилища на границе черной дыры. Эта работа еще не завершена. Строминджер признает: «У меня есть список из 35 задач, решение каждой отнимет несколько месяцев. Физикам-теоретикам такое по вкусу: есть вещи, которые мы не понимаем, но можно сделать расчеты, что неизбежно приведет к пониманию»[54].
За последние 100 лет черные дыры из монструозных идей, противоречащих здравому смыслу, превратились в испытательный полигон для проверки блестящих физических теорий. Черные дыры – подарок Вселенной. Их содержимое скрыто и загадочно, однако даже обертку этого ящика интересно изучать. Я вспоминаю ироничное замечание Марка Твена: «Все-таки в науке есть что-то захватывающее. Вложишь какое-то пустяковое количество фактов, а берешь колоссальный дивиденд в виде умозаключений»[55]
Сноски
1
Пер. Ю. Корнеева.
2
Это также отсылка к сборнику коротких рассказов британского писателя Мартина Эмиса об угрозе ядерной войны. Имеется в виду уравнение Эйнштейна E = mc
2
Einstein’s Monsters3
R. MacCormmach, Weighing the World: The Reverend John Michell of Thornhill (Berlin: Springer, 2012).
4
J. Michell, Philosophical Transactions of the Royal Society of London 74 (1784): 35–57.
5
S. Schaffer, “John Michell and Black Holes,” Journal for the History of Astronomy 10 (1979): 42–43.
6
Опыт Майкельсона и Морли представлял собой попытку обнаружить эфир – пронизывающую космос диффузную среду, гипотеза существования которой была предложена для объяснения распространения силы гравитации и электромагнитных волн. Этот знаменитый «неудачный» физический эксперимент показал, что свет приходит с одинаковой скоростью, независимо от движения Земли, перемещающейся вокруг Солнца со скоростью 30 км/с. Нулевой результат эксперимента сыграл основополагающую роль в формулировании специальной теории относительности. Новые данные исключают наличие переносящей свет среды с точностью до 1 из 10
17
7
Лаплас П. С. Изложение системы мира. – Л.: Наука, 1982.
8
C. Montgomery, W. Orchiston, and I. Whittington, “Michell, Laplace, and the Origin of the Black Hole Concept,” Journal of Astronomical History and Heritage 12 (2009): 90–96.
9
В студенческие годы, изучая физику в Лондоне, я ездил в Кембридж, пытаясь постичь личность Исаака Ньютона. Я хотел понять, что за человек стоит за уравнениями. Коллега провел меня в комнаты Ньютона в Тринити-колледже. В его кабинете с узкими арочными окнами и панелями из темного дерева было сумрачно даже в полдень. Я читал, что он решал проблемы, «непрестанно размышляя о них», и мой сопровождающий рассказал об одном из редких случаев, когда Ньютон принимал гостей. Он пошел в кладовую за бутылкой портвейна, заметил на столе неоконченные расчеты и занялся ими. Забытые гости тихонько удалились.
Во дворе я прошел по засыпанным гравием дорожкам, где 300 лет назад Ньютон чертил схемы тростью. Члены колледжа привыкли перешагивать через них, если заставали гения за работой. Во второй половине дня я поехал в дом в Вулсторп Мэнор, где прошло детство Ньютона. Его часто отправляли в соседнюю деревню с поручениями или просили отвести подковать коня. Через несколько часов мать находила его на мосту, где он стоял, уставившись на воду, уйдя в свои мысли: поручения забыты, конь куда-то убрел. Я был рад увидеть за домом яблоневый сад.
10
Из предисловия к кн.: Richard S. Westfall, Never at Rest: A Biography of Isaac Newton (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1983).
11
Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989.
12
J. Stachel et al., Einstein’s Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face of Physics (Princeton: Princeton University Press, 1998).
13
Мысленный эксперимент – мощный инструмент развития науки, восходящий к древнегреческой философии, способ задать гипотетический вопрос Природе. Галилей осуществил один из первых мысленных экспериментов в физике, размышляя о том, с какой скоростью падали бы разные тела, сброшенные с башни (вопреки расхожему мнению, он никогда не ставил его на практике). Эйнштейн с помощью мысленных экспериментов прорабатывал вопросы относительности, и ученые-физики начала XX в. часто использовали этот метод, пытаясь понять следствия квантовой теории материи.
14
Теория носит математический характер и устрашающе сложна, но имеется ряд научно-популярных введений в нее. К лучшим относятся R. Geroch, General Relativity from A to B (Chicago: University of Chicago Press, 1978); D. Mermin, It’s About Time: Understanding Einstein’s Relativity (Princeton: University of Princeton Press, 2005 и конечно, классическая работа Альберта Эйнштейна: Relativity: The Special and General Theory (New York: Crown, 1960). Биография Эйнштейна: A. Pais, Subtle is the Lord: The Science and Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 1982).
15
Пер. Владимира Кормана. – Прим. пер.
16
The Sonnets of Robert Frost, edited by J.M. Heley (Manhattan, KS: Kansas State University, 1970).
17
D.E. Lebach et al., “Measurement of the Solar Gravitational Deflection of Radio Waves Using Very-Long-Baseline Interferometry,” Physical Review Letters 75 (1995): 1439–42.
18
C.W. Chou, D.B. Hume, T. Rosenband, and D.J. Wineland, “Optical Clocks and Relativity,” Science 329 (2010): 1630–33.
19
N. Ashby, “Relativity and the Global Positioning System,” Physics Today, May 2002, 41–47.
20
Цит. по: S. Chandrasekhar, “The General Theory of Relativity: Why Is It Probably the Most Beautiful of All Existing Theories,” Journal of Astrophysics and Astronomy 5 (1984): 3–11.
21
В аспирантуре я пытался усвоить общую теорию относительности, и опыт убедил меня, что мое будущее связано с наблюдениями, а не с теорией. Много лет спустя я провел некоторое время «в тени Эйнштейна» во время творческого отпуска в Принстоне. Он жил там почти 20 лет, с 1936 г. до смерти, работая не в Принстонском университете, а в находящемся рядом Институте перспективных исследований. Однажды я заглянул в его бывший кабинет, извинившись перед нынешним владельцем – выдающимся канадским математиком Робертом Ленглендсом. По дороге от съемного дома, где я жил, к институту я проходил мимо белого дощатого дома Эйнштейна на улице Мерсер. Впоследствии в его доме жили физик Фрэнк Вильчек, затем экономист Эрик Маскин, оба также нобелевские лауреаты. Я гадал, можно ли стать умнее, живя в доме с такой историей.
После смерти Эйнштейна его останки исчезли. Врач, проводивший вскрытие, извлек мозг и сохранил его части в сосуде в своем кабинете в Уэстоне (Миссури). Офтальмолог забрал глаза и спрятал в банковском сейфе. В Принстоне я слышал, что прах Эйнштейна был развеян над рекой Делавэр к югу от города. Во время пробежек по берегу реки я размышлял, какие извилистые пути в пространстве и времени подхватили его атомы после Большого взрыва, пропустили их через ядра звезд, на краткое время собрали их воедино ради уникального постижения относительности и растворили в море.
22
The Collected Papers of Albert Einstein, volume 8A, The Berlin Years: Correspondence, edited by R. Schulmann, A.J. Kox, M. Janssen, and J. Illy (Princeton: Princeton University Press, 1999).
23
A. Pais, J. Robert Oppenheimer: A Life (Oxford: Oxford University Press, 2006).
24
Оппенгеймер Ю., Снайдер Г. О безграничном гравитационном сжатии. Альберт Эйнштейн и теория гравитации: Сб. статей. – М.: Мир, 1979.
25
J.R. Oppenheimer and H. Snyder, “On Continued Gravitational Contraction,” Physical Review 56 (1939): 455–59.
26
R. Rhodes, The Making of the Atomic Bomb (New York: Simon & Schuster, 1986).
27
J.A. Hijaya, “The Gita of Robert Oppenheimer,” Proceedings of the American Philosophical Society 144, no. 2 (2000), https://amphilsoc.org/publications/proceedings/v/144/n/2.
28
C.W. Misner, K.S. Thorne, and J.A. Wheeler, Gravitation (New York: W.H. Freeman, 1973).
29
A. Finkbeiner, “Johnny and Oppie,”2013, http://www.lastwordonnothing.com/2013/08/21/6348/.
30
Сложному отношению Оппенгеймера к своей работе над бомбой и его опале посвящено несколько прекрасных книг. См.: K. Bird and M.J. Sherwin, American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer (New York: Alfred A. Knopf, 2005), и M. Wolverton, A Life in Twilight: The Final Years of J. Robert Oppenheimer (New York: St. Martin’s Press, 2008). Описание проекта атомной бомбы изнутри: H. Bethe, The Road from Los Alamos (New York: Springer, 1968). Многие физики испытывали недобрые чувства в адрес Эдварда Теллера, более воинственного, чем Уилер, и демонстративно отказавшегося поддержать Оппенгеймера, когда того лишали допуска к секретной работе.