Текст книги "Черные дыры. Лекции BBC"

Стивен Хокинг
Черные дыры. Лекции BBC

© Stephen Hawking, 2016.

The illustrations were produced by Cognitive (wearecognitive.com) for BBC Radio 4.

© ООО «Издательство АСТ», 2020 (оформление, перевод на русский язык)

The BBC logo is a trade mark of the British Broadcasting Corporation and is used under licence.

Предисловие
Дэвид Шукмен

В личности Стивена Хокинга многое восхищает и удивляет: и гений, запертый в ловушке больного тела, и улыбка, которая освещает лицо, ставшее почти неподвижным, и механический голос, который приглашает нас разделить радость познания, все также доступного его уму, не знающему границ и летящему через неизведанную Вселенную.

Несмотря на жизненные трудности этот замечательный человек смог выйти за привычные грани современной науки. Книга Стивена Хокинга «Краткая история времени» на сегодняшний день разошлась ошеломляющим тиражом в десять миллионов экземпляров. Тому, что ее автор стал настоящей мировой знаменитостью, есть множество подтверждений: это и эпизодические роли в популярных комедийных передачах, и приглашения в Белый дом, и хорошо принятый зрителями документальный фильм о его жизни. Стивен Хокинг стал самым знаменитым ученым в мире, ни больше и ни меньше.

В 60-е годы прошлого века врачи поставили ученому диагноз «боковой амиотрофический склероз» (заболевание двигательных нейронов; англ. motor neurone disease, MND) и отпустили ему всего два года жизни. И вот спустя пятьдесят лет Стивен Хокинг продолжает быть исследователем, писателем, путешественником и героем выпусков новостей. Его дочь Люси объясняет такую жажду жизни отца «чрезвычайным упрямством».

Хокинг пленяет воображение людей – то ли историей наполненной болью личной жизни, то ли способностью воодушевлять. Недавно он предупредил о том, что в последнее время человечество столкнулось с серией катастроф собственного производства – от глобального потепления до искусственно созданных вирусов. Опубликованная на сайте BBC статья на эту тему пользовалась большой популярностью в тот день.

Сколько трагической иронии в том, что такой общительный человек не может вступить в нормальный разговор. Чтобы взять интервью у Стивена Хокинга, вопросы нужно отправить заранее. Несколько лет назад его помощники предупредили меня, чтобы я не пытался завести непринужденной спонтанной беседы, потому что ответы даже на самые простые вопросы придется очень долго составлять. Но, волнуясь перед встречей с ним, я все же не удержался и выпалил: «Как вы поживаете?» И после виновато ждал ответа. У него все было хорошо.

В его кабинете в Кембридже доска исписана уравнениями. Сложнейшая математика – язык современной космологии. Уникальный вклад Стивена Хокинга в методологию научных исследований заключается в том, что он одновременно применяет подходы внешне очень разных разделов науки. Так, он изучает глобальное пространство-время с помощью научных приемов, разработанных для исследования мельчайших частиц внутри атомов.

Коллеги Стивена Хокинга по работе в таких нечеловечески сложных областях могут опасаться, что их труды навсегда останутся непонятными для широкой общественности. Но конек Хокинга именно в умении делать сверхсложное доступным для огромной аудитории. В 2016 году в рамках радиолектория BBC имени Джона Рейта (BBC Reith Lectures) в двух пятнадцатиминутных выступлениях Стивен Хокинг смог просуммировать результаты своих исследований внутреннего устройства черных дыр, которым посвятил всю жизнь. В ключевых местах выступления Стивена Хокинга я добавил примечания – в помощь любознательным, но пришедшим в недоумение читателям и тем, кто в восторге от такой идеи, но терзается сомнениями в своей подкованности.

У черных дыр нет волос?
Радиотрансляция 26 января 2016 года

Говорят, что иногда факты оказываются более удивительными, чем вымысел – и это как нельзя более справедливо в отношении черных дыр. Имеющие твердое научное обоснование, черные дыры «страннее» всего, что когда-либо выдумывали писатели-фантасты. Научное сообщество долго силилось примириться с идеей о том, что массивные звезды могут коллапсировать – сжиматься – сами по себе, под действием собственной силы тяжести, и о том, как такие объекты могли бы эволюционировать, если были бы предоставлены сами себе. Альберт Эйнштейн в 1939 году даже написал статью, в которой утверждал, что звезды не могут коллапсировать под действием гравитационных сил, потому что вещество не может быть сжато сильнее определенного предела. Многие современники Эйнштейна доверяли его интуиции и вполне разделяли его мнение, а главным оппонентом был американский ученый Джон Уилер, во многих отношениях один из главных персонажей в истории черных дыр. В работах 1950–1960-х годов Уилер подчеркивал, что многие звезды на финальной стадии эволюции могут коллапсировать, и указывал на возникающие в связи с этим проблемы для теоретической физики. Ученый предвидел и многие свойства объектов – черных дыр, – в которые превращаются коллапсирующие звезды.

Д. Ш.: Словосочетание «черная дыра», как кажется, вполне доступно для понимания, однако трудно вообразить такой объект в космическом пространстве. Мне представляется что-то вроде гигантской вращающейся воронки, по которой вещество спускается по спирали вниз, к центру. Стоит какому-либо объекту оказаться на краю этой воронки, называемом «горизонтом событий», – и пути назад не будет. Обладая невероятно мощной гравитацией, черные дыры всасывают даже свет, и поэтому фактически такие объекты невидимы для наблюдателя. Ученые узнают об их существовании по разорванным в клочья звездам, имевшим неосторожность оказаться слишком близко, а еще по «дрожи пространства». Последнее происходит, например, в результате слияния двух черных дыр, при котором рождаются гравитационные волны. Одно такое событие, произошедшее более миллиарда лет назад, было недавно зарегистрировано учеными, что явилось значительным научным достижением.

На протяжении многих миллиардов лет своего существования обычная звезда поддерживает равновесие гравитационных сил и теплового давления, вызванного ядерными процессами преобразования водорода в гелий.

Д. Ш.: НАСА описывает звезды как эдакие скороварки: взрывная мощность ядерного синтеза внутри звезд создает внешнее давление, которое препятствует силам гравитационного сжатия.

Наступает момент, когда звезда исчерпывает свое ядерное топливо. И тогда она начинает сжиматься. В некоторых случаях звезда достигает состояния равновесия, превращаясь в белого карлика. Однако, как в 1930 году вычислил Субраманьян Чандрасекар, максимально возможная масса такого объекта не должна превышать 1,4 солнечной массы. К такому же выводу пришел и советский физик Лев Ландау, проведя расчет для звезды, целиком состоящей из нейтронов.

Д. Ш.: Белые карлики и нейтронные звезды когда-то тоже были солнцами, но с тех пор сожгли все топливо. Исчерпались раздувающие их силы, и больше ничего не могло остановить их гравитационное сжатие. Так они стали одними из самых плотных объектов во Вселенной. Однако по сравнению с другими звездами их размеры невелики. Это означает, что их гравитационное поле не настолько сильно, чтобы заставить их полностью коллапсировать. Самое интересное – для Стивена Хокинга и других исследователей – это то, что случается с самыми большими звездами, когда их жизненный путь близится к завершению.

Что же произойдет при полном исчерпании ядерного топлива с огромным количеством звезд, масса которых больше массы белого карлика или нейтронной звезды? Этой проблемой занимался Роберт Оппенгеймер, имя которого связано с созданием атомной бомбы. В нескольких статьях, написанных в 1939 году совместно с Джорджем Волковым и Хартлэндом Снайдером, он показал, что существование такой звезды не может поддерживаться ее собственным внутренним давлением. Если взять простую задачу, рассматривающую сжатие однородного сферического тела, исключив из расчета давление, то получится, что такое тело сожмется в точку с бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью.

Д. Ш.: Сингулярность – это то, что получится в конечном итоге, если гигантская звезда сожмется в невообразимо малый объект. Именно сингулярность оказалось ключевой темой научных исследований Стивена Хокинга. Это понятие относится не только к финальной стадии эволюции массивной звезды, но и к куда более фундаментальной идее о начальной точке зарождения всей Вселенной. Мировую известность Хокингу принесли математические работы о сингулярностях.

Все наши теории о пространстве основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское и что оно «ломается» только внутри сингулярности, где кривизна пространства-времени становится бесконечной. В действительности сингулярность обозначает конец самого времени – факт, который Эйнштейн считал совершенно неприемлемым.

Д. Ш.: Согласно общей теории относительности Эйнштейна все тела вблизи себя искажают пространство-время. Наглядную иллюстрацию сил гравитационного притяжения представляет тяжелый шар для игры в боулинг, лежащий на батуте: поверхность прогибается, вынуждая расположенные рядом с шаром небольшие предметы соскальзывать в углубление вокруг него. Если масса шара очень велика, то предметы опускаются глубже и глубже, в некотором пределе падая в бесконечно глубокий колодец, в котором перестают действовать обычные законы пространства-времени.

Началась Вторая мировая война. Большинство ученых, включая Роберта Оппенгеймера, переключили внимание на разработки в области ядерной физики, и задачка о гравитационном коллапсе была заброшена. Интерес к этой теме вернулся с открытием далеких космических объектов – квазаров.

Д. Ш.: Квазары – ярчайшие объекты во Вселенной и, возможно, самые далекие из всех обнаруженных космических объектов. Их название происходит от словосочетания «квазизвездные радиоисточники» (англ. QUASi stellAR radio sourse); они представляют собой вещество, закручивающееся вокруг черной дыры[1]1
  Точнее, вещество, сосредоточенное в небольшой области и закручивающееся вокруг черной дыры в центре крупной галактики.


[Закрыть].

Первый квазар, названный 3C273[2]2
  «3С» означает принадлежность объекта к т. н. Третьему кембриджскому каталогу радиоисточников; «273» означает порядковый номер объекта в упорядоченном списке по величине прямого восхождения.


[Закрыть], был обнаружен в 1963 году[3]3
  Первый квазар 3С48 был обнаружен в 1960 году.


[Закрыть]. Вскоре были обнаружены многие другие квазары. Несмотря на удаленность от нас, это очень яркие объекты. Ядерные процессы не могут полностью объяснить количества выбрасываемой ими энергии, потому что только небольшая часть их массы покоя преобразуется в чистую энергию. Единственная альтернатива – гравитационная энергия, выделяющаяся при гравитационном коллапсе. Таким образом, снова возродился интерес к проблеме гравитационного коллапса звезд.

Уже было ясно, что однородная звезда правильной сферической формы должна сжиматься в точку, обладающую бесконечной плотностью, то есть в сингулярность. Уравнения Эйнштейна не применимы к сингулярности. Это означает, что невозможно предсказать, что произойдет в такой точке в следующий момент. Последнее в свою очередь подразумевает, что всякий раз, когда звезда коллапсирует, может случиться что-нибудь странное. На нас никак не повлияла бы невозможность сделать прогноз, если бы сингулярность была «голой», то есть была бы доступна нашим наблюдениям.

Д. Ш.: Существование «голой» сингулярности – это теоретический сценарий коллапса звезды, при котором вокруг нее не образуется горизонт событий и, следовательно, сингулярность можно наблюдать.

В 1967 году Джон Уилер ввел в научный обиход термин «черная дыра», и он заменил более раннее название «замороженная звезда». Так ученый хотел подчеркнуть тот факт, что остатки сжавшейся звезды представляют интерес сами по себе, вне зависимости от того, как они образовались. Новый термин быстро прижился. Он намекал на нечто темное, загадочное… Не обошлось без курьезов. Но французы – и это так похоже на них – посчитали новое именование немного рискованным. Словосочетание trou noir они назвали непристойным и долгое время не принимали его. Однако протестовать было так же нелепо, как против прижившегося le weekend и других помесей французского и английского. В конце концов оставили все как есть – кто может сопротивляться такой научной знаменитости?

Находясь снаружи, вы не сможете сказать, что находится внутри черной дыры. Вы можете забросить туда телевизор, кольцо с бриллиантами или даже своих злейших врагов – черная дыра будет «помнить» только о своей общей массе, угловой скорости вращения, электрическом заряде и больше ни о чем. Джон Уилер известен еще и тем, что дал афористичное описание этому свойству черных дыр: «У черной дыры нет волос». Что лишний раз подтвердило нехорошие подозрения французов.

У черной дыры есть граница, называемая горизонтом событий. Это сфера, на которой гравитационные силы настолько сильны, что притягивают даже свет и не дают ему уйти. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, черная дыра тем более затянет его в свои недра. Падение сквозь горизонт событий сравнимо с путешествием по Ниагарскому водопаду в каноэ. Если вы плывете выше водопада, то еще есть возможность спастись, если грести достаточно быстро. Однако как только вы пересечете критическую линию у основания водопада – вы пропали. Пути назад нет. Чем ближе к водопаду, тем стремительнее течение. Это означает, что нос каноэ будет тянуть сильнее, чем корму. Каноэ может попросту разорвать пополам. То же самое происходит и в черной дыре. Если вы приближаетесь к ней ногами вперед, то приливные силы будут сильнее тянуть за ноги, чем за голову – ведь ноги ближе к черной дыре. В результате вы будете растянуты в длину и сдавлены с боков. Если масса черной дыры в несколько раз превышает солнечную, то вы превратитесь в спагетти еще до того, как достигнете горизонта. Однако если вы соберетесь упасть в куда более массивную черную дыру с массой в несколько миллионов солнечных, то вы без труда достигнете горизонта. Одним словом, если хотите разузнать, что находится внутри черной дыры, убедитесь, что ваш выбор пал на достаточно большой экземпляр. Кстати, в центре нашей Галактики (которая называется Млечный Путь) есть прекрасная черная дыра с массой около четырех миллионов масс Солнца.

Д. Ш.: Ученые считают, что гигантские черные дыры есть в центрах очень многих галактик. Это замечательная мысль, тем более что недавно это было подтверждено наблюдениями.

Пересекая горизонт событий огромной черной дыры, вы не заметите ничего особенного, а некто наблюдающий за вами издалека никогда не заметит, что вы пересекли горизонт событий. Наоборот, ему будет казаться, что ваше движение замедлилось и что вы парите в непосредственной близости от горизонта событий. Ваш образ будет становиться все туманнее и туманнее, все краснее и краснее, пока вы и вовсе не исчезнете из виду. Для мира за пределами черной дыры вы будете потеряны навсегда.

Д. Ш.: Поскольку даже свет не может вырваться из черной дыры, то нет никакого способа передать наружу какие-либо свидетельства вашего погружения в нее. В безвоздушном космическом пространстве никто не услышит ваших криков, а в черной дыре никто не заметит, как вы исчезнете.

Мы сильно продвинулись в понимании этого загадочного феномена с тех пор, как были опубликованы новые математические соображения – в 1970 году. Дело в том, что площадь горизонта событий[4]4
  То есть окружающей черную дыру сферы, или поверхность шара.


[Закрыть] характеризуется тем, что может только увеличиваться, когда вещество или излучение падают в черную дыру. Это свойство предполагает, что можно провести аналогию между понятием площади горизонта черной дыры и классической физикой, в частности, понятием энтропии в термодинамике. Энтропия некоторой системы – это мера хаотичности в ней или, что то же самое, мера неопределенности ее состояния. Знаменитое второе начало термодинамики гласит, что энтропия системы всегда возрастает со временем. И математическая модель, предложенная в 1970 году, положила начало исследованиям этой важнейшей связи.

Д. Ш. Энтропия определяет тенденцию упорядоченной системы становиться со временем все более неупорядоченной, неорганизованной. К примеру, стена из аккуратно пригнанных друг к другу кирпичей – это система с низкой энтропией. Со временем стена ветшает, рассыпается и превращается в неприглядную кучу мусора, то есть приходит в состояние с высокой энтропией. Этот процесс описывается вторым началом термодинамики.

Несмотря на то, что связь между энтропией и площадью горизонта событий черной дыры стала очевидной, ученым не было ясно, как именно площадь может быть определена через энтропию черной дыры. Что вообще значит словосочетание «энтропия черной дыры»? Важное предположение сделал в 1972 году Яаков Бекенштейн, аспирант Принстонского университета; позднее он стал сотрудником Еврейского университета в Иерусалиме. Идея заключается в следующем. В результате гравитационного коллапса формируется черная дыра, и она быстро переходит в некоторое стационарное состояние, которое определяется только тремя параметрами: массой, угловой скоростью вращения и электрическим зарядом. Помимо этих трех характеристик черная дыра не хранит больше ничего от того объекта, который коллапсировал.

Эта теорема имеет отношение к проблеме сохранения информации (применительно к космологии), а именно несет идею о том, что каждая частица и каждое взаимодействие во Вселенной содержит ответ на закрытый вопрос, то есть такой, который подразумевает реакцию «да» или «нет».

Д. Ш.: Под информацией в этом контексте понимаются абсолютно все характеристики любой частицы и любой силы, ассоциированных с данным объектом или системой. Чем больше неупорядоченность системы, то есть чем выше ее энтропия, тем больше информации требуется для ее полного описания. По словам британского физика-теоретика Джима Аль-Халили, хорошо перетасованная колода карт обладает высокой энтропией и ее описание требует большего числа параметров, или информации, чем описание неперетасованной колоды[5]5
  Сумма энтропии и информации равна нулю. Если, к примеру, мы в точности знаем положения и скорости частиц газа, заключенного в некотором объеме (то есть обладаем абсолютно полной информацией), его энтропия равна нулю. Если об этом объеме газа нам неизвестно ничего, то его энтропия максимальна, и именно в таком смысле следует понимать Стивена Хокинга.


[Закрыть].

Теорема Бекенштейна означает, что в результате гравитационного коллапса теряется большое количество информации. Например, финальное состояние коллапсирующего объекта – черная дыра – не зависит от того, из чего первоначально состоял этот объект, из вещества или антивещества, или какой он был формы – сферической или совершенно неправильной. Другими словами, черная дыра с конкретными массой, угловой скоростью и электрическим зарядом могла образоваться в результате коллапса любого сгустка вещества из очень длинного ряда, в том числе из звезды любого типа. Действительно, если принять во внимание квантовые эффекты, то количество потенциально возможных начальных конфигураций окажется бесконечным, потому что черная дыра может образоваться при сжатии облака неограниченно большого числа частиц, обладающих бесконечно малыми массами. Но может ли число возможных конфигураций и в самом деле оказаться бесконечным? Для ответа на этот вопрос нужно подробнее рассказать о квантовых эффектах.

Согласно принципу неопределенности в квантовой механике только частицы, длина волны которых уступает длине волны самой черной дыры, могут сформировать черную дыру. Это означает, что диапазон возможных волн ограничен: он не может быть бесконечным.

Д. Ш.: Принцип неопределенности, введенный знаменитым немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 20-х годах прошлого века, постулирует, что невозможно локализовать частицы или предсказать их точное положение. Таким образом, на так называемых квантовых масштабах длин в природе существует неопределенность, которая не соответствует упорядоченной Вселенной Исаака Ньютона.

Таким образом, число конфигураций, которые могли бы сформировать черную дыру с конкретными параметрами массы, вращения и электрического заряда, хотя и велико, но конечно. Яаков Бекенштейн предположил, что из этого конечного числа и можно определить энтропию черной дыры. Это мера количества информации, которая будет утеряна безвозвратно во время коллапса и формирования черной дыры.

Существенный недостаток рассуждений Бекенштейна заключается в том, что если черная дыра обладает конечной энтропией, величина которой пропорциональна площади горизонта событий черной дыры, она также должна обладать и какой-то конечной температурой, которая в свою очередь должна быть пропорциональна поверхностной гравитации черной дыры. Все вышесказанное означает, что черная дыра может находиться в состоянии равновесия по отношению к тепловому излучению при какой-то отличной от нуля температуре. Однако согласно представлениям классической, неквантовой физики, такое равновесие невозможно, потому что черная дыра должна поглощать любое тепловое излучение, которое в нее попадает, и ничего не может излучать в ответ. Черная дыра не может излучать тепло.

Д. Ш.: Если информация теряется, что, по всей видимости, и происходит в черной дыре, должен иметь место выброс энергии, что противоречит тому постулату, что из черной дыры ничего не может выйти наружу.

Налицо парадокс. К нему я вернусь в моей следующей лекции, в которой расскажу о том, как черные дыры пошли в наступление на основополагающий принцип предсказуемости Вселенной и достоверности свершившегося, и о том, что может случиться, если вас затянет в такую дыру.

Д. Ш.: Итак, вместе со Стивеном Хокингом мы совершили научное путешествие, которое началось с утверждения Эйнштейна о невозможности коллапса звезд. Мы были свидетелями того, как ученые смирились с существованием черных дыр, и теперь движемся к спору о том, как причуды сингулярностей существуют и функционируют.