«Только черные дыры останутся неизменными в эту мрачную эпоху» Фрагмент новой книги физика Митио Каку — о том, как люди узнали о существовании черных дыр и к чему это привело
В конце октября в России в издательстве «Альпина нон-фикшн» (и в других издательствах по всему миру) выходит новая книга известного физика и популяризатора науки Митио Каку «Уравнение Бога: В поисках теории всего». В ней он дает сжатую, крайне просто написанную, но вполне корректную и всеобъемлющую картину развития физики от космологии древних греков до современной теории струн — основного предмета научного интереса Каку. По задумке и амбициям книга напоминает современное и несколько легковесное переложение и продолжение классической и великой «Эволюции физики» Эйнштейна и Инфельда, обрывающейся на появлении квантовой теории. У Каку же эта захватывающая история получает свое развитие в виде проекта создания теории струн, и тех трудностей, которые с этим связаны. «Медуза» публикует фрагмент новой книги, посвященный тому, как и откуда возникла концепция черных дыр. Хотя их история лежит несколько в стороне от магистрального сюжета книги, фрагмент дает исчерпывающее представление о простоте и четкости стиля всей книги.
В 2019 году газеты и интернет-сайты по всей планете разместили на главных страницах сенсационные новости: астрономам впервые удалось сфотографировать черную дыру. Миллиарды людей увидели этот впечатляющий снимок — красный шар раскаленного газа с черным округлым силуэтом в середине. Этот загадочный объект захватил воображение публики и некоторое время главенствовал в новостях. Дело не только в том, что черные дыры интригуют и завораживают физиков, но и в том, что они уже вошли в общественное сознание, поскольку фигурировали в многочисленных научно-популярных передачах и художественных фильмах.
Черная дыра, которую сфотографировал телескоп Event Horizon, находится в галактике M87 на расстоянии 53 миллионов световых лет от Земли. Эта черная дыра — настоящий монстр, превосходящий Солнце по массе — вообразите только! — в шесть миллиардов раз. Вся наша Солнечная система, даже с учетом Плутона, легко поместилась бы внутри черного силуэта на фотографии.
Чтобы добиться этого поразительного успеха, астрономы построили супертелескоп. Обычно радиотелескопы недостаточно велики, чтобы уловить слабый радиосигнал и создать на его основе изображение столь отдаленного и компактного объекта. Для достижения цели астрономы связали сигналы пяти телескопов, разбросанных по миру, а потом использовали суперкомпьютеры, чтобы тщательно совместить сигналы, создав, по существу, единый гигантский радиотелескоп размером с планету Земля. Этот составной инструмент был настолько мощным, что мог бы, в принципе, различить с Земли апельсин на поверхности Луны.
Множество новых замечательных астрономических открытий, подобных этому, возродили интерес к теории гравитации Эйнштейна. Как ни печально, последние пятьдесят лет в исследованиях в области общей теории относительности Эйнштейна наблюдалось затишье. Уравнения в ней были чертовски сложными и содержали зачастую сотни переменных, а эксперименты с гравитацией — слишком дорогими, ведь для них требовались датчики размером в километры.
По иронии судьбы, хотя сам Эйнштейн относился к квантовой теории с подозрением, нынешнее возрождение исследований в области теории относительности было вызвано слиянием этих двух научных областей — применением квантовой теории к общей теории относительности. Как уже говорилось, если полное понимание гравитона и устранение его квантовых поправок считается слишком сложным делом, то более скромная задача применения квантовой теории к звездам (пренебрегая гравитонными поправками) положила начало целой волне прорывных научных открытий.
Что такое черная дыра?
Основная идея черной дыры, в принципе, уходит корнями в открытие Ньютоном закона всемирного тяготения. Его «Начала» дают нам простую картину: если придать пушечному ядру достаточную энергию, оно полностью обогнет Землю и вернется в начальную точку.
Но что произойдет, если направить ядро точно вверх? Ньютон понял, что в какой-то момент такое ядро достигнет максимальной высоты, а затем упадет обратно на Землю. Но при достаточной энергии оно достигнет скорости убегания, то есть скорости, необходимой для преодоления земного притяжения, и унесется в пространство, чтобы никогда не вернуться назад.
Это совсем несложное упражнение — вычислить при помощи законов Ньютона скорость убегания от Земли, или вторую космическую скорость. Она равна примерно 40 000 км/ч. Именно такую скорость должен был набрать космический корабль американских астронавтов в 1969 году, чтобы достичь Луны. Объект, не достигший второй космической скорости, либо выйдет на околоземную орбиту, либо упадет обратно на Землю.
В 1783 году астроном по имени Джон Мичелл задался обманчиво простым вопросом: что происходит, если скорость убегания равна скорости света? Если луч света испускается гигантской звездой, настолько массивной, что скорость убегания равна скорости света, то, возможно, даже собственный свет не сможет покинуть ее. Весь свет, испускаемый звездой, в конечном счете возвращается на нее. Мичелл назвал такие звезды темными — небесными телами, которые выглядят черными, потому что свет не может преодолеть действия их мощной гравитации. Тогда, в XVIII веке, ученые мало что знали о физике звезд, к тому же им было неизвестно верное значение скорости света, поэтому высказанная Мичеллом идея несколько столетий оставалась невостребованной.
* * *
В 1916 году, во время Первой мировой войны, немецкий физик Карл Шварцшильд служил артиллеристом на русском фронте. Сражаясь в самой гуще кровавой войны, он нашел время, чтобы прочесть и осмыслить знаменитую статью Эйнштейна 1915 года, в которой тот представил общую теорию относительности. Блестящее математическое озарение помогло Шварцшильду найти одно из точных решений Эйнштейновых уравнений. Вместо того чтобы решать уравнения для галактики или Вселенной, что было бы слишком сложно, он начал с самого простого из всех возможных объектов — точечной частицы. Этот объект, в свою очередь, должен приближенно представлять гравитационное поле сферической звезды, как его видно с большого расстояния. Затем можно было бы сравнить теорию Эйнштейна с данными эксперимента.
Статья Шварцшильда привела Эйнштейна в восторг. Эйнштейн понимал, что это решение его уравнений позволит провести более точные расчеты, касающиеся, например, искривления света звезд около Солнца и орбитального движения планеты Меркурий. Теперь вместо грубых аппроксимаций он мог получить на основе своей теории точные результаты. Это был огромный прорыв, который позже оказался важным для понимания черных дыр. (Вскоре после своего замечательного открытия Шварцшильд умер. Расстроенный Эйнштейн написал трогательный некролог).
Но, несмотря на громадный шаг вперед, сделанный решением Шварцшильда, оно также вызвало к жизни ряд озадачивающих вопросов. С самого начала его решение обладало необычными свойствами, расширявшими границы наших представлений о пространстве и времени. Получалось, что любую сверхмассивную звезду окружает воображаемая сфера (которую автор назвал магической сферой, а сегодня называют горизонтом событий). Далеко за пределами этой сферы гравитационное поле напоминало поле обычной Ньютоновой звезды, так что решение Шварцшильда можно было использовать для аппроксимации ее гравитации. Но если бы вы неосторожно приблизились к звезде и прошли сквозь горизонт событий, то навсегда оказались бы в ловушке и были бы раздавлены. Горизонт событий — это точка невозврата: все, что попадает внутрь, никогда не возвращается.
Однако при приближении к горизонту событий должны происходить еще более странные вещи. Так, вы должны увидеть световые лучи, захваченные, возможно, миллиарды лет назад и все еще кружащиеся вокруг звезды. Гравитация будет действовать на ваши ноги заметно сильнее, чем на голову, так что вас растянет подобно спагетти. Мало того, эта спагеттификация станет настолько жесткой, что разорвет на части даже атомы вашего тела, которые в конечном итоге просто разрушатся.
Тому, кто будет наблюдать это невероятное событие с большого расстояния, покажется, что время внутри космического корабля вблизи горизонта событий постепенно замедляется. Мало того, для внешнего наблюдателя все будет выглядеть так, будто в корабле на горизонте событий время останавливается. Примечательно, что для астронавтов в корабле при прохождении горизонта событий все будет выглядеть нормально — ну, то есть нормально до тех пор, пока их не разорвет.
Эта концепция была настолько диковинной, что многие десятилетия рассматривалась исключительно как научная фантастика — некий странный побочный продукт уравнений Эйнштейна, на самом деле не существующий. Астроном Артур Эддингтон однажды написал, что «должен, по идее, существовать какой-нибудь закон природы, который не позволяет звезде вести себя таким абсурдным образом!»
Эйнштейн даже написал статью, в которой утверждал, что при нормальных условиях черные дыры образоваться не могут. В 1939 году он показал, что гравитация не в состоянии сжать вращающийся газовый шар до размеров, соответствующих горизонту событий.
По иронии судьбы, в том же самом году Роберт Оппенгеймер и его студент Хартленд Снайдер показали, что черные дыры все же могут образовываться в результате естественных природных процессов, которых Эйнштейн не предвидел. Если взять для начала гигантскую звезду, превосходящую наше Солнце по массе в 10–50 раз, и посмотреть, что произойдет, когда она израсходует все свое ядерное топливо, мы увидим, что в конечном итоге она может взорваться, превратившись в сверхновую. Если звезду, оставшуюся после взрыва, гравитация сожмет до размеров горизонта событий, то может произойти ее коллапс в черную дыру. (Наше Солнце недостаточно массивно для взрыва сверхновой, а его горизонт событий составляет примерно шесть километров в поперечнике. Ни один известный природный процесс не в состоянии сжать Солнце до диаметра в шесть километров, поэтому наше светило никогда не станет черной дырой).
Физики выяснили, что существует как минимум два типа черных дыр. Черная дыра первого типа — это остаток гигантской звезды после вышеописанных процессов. Черные дыры второго типа обнаружены в центрах галактик. Эти галактические черные дыры могут быть в миллионы или даже в миллиарды раз массивнее нашего Солнца. Многие астрономы считают, что в центре каждой галактики имеется черная дыра.
В последние несколько десятилетий астрономы обнаружили в космосе сотни потенциальных черных дыр. В центре Млечного Пути, нашей собственной галактики, располагается чудовищная черная дыра, масса которой в 2–4 миллиона раз превосходит массу Солнца. На нашем небе она находится в созвездии Стрельца. (К несчастью, эту область заслоняют пылевые облака, так что мы не можем видеть черную дыру в центре нашей галактики. Но если бы пылевые облака вдруг разошлись, то каждую ночь небо освещал бы великолепный сверкающий шар из звезд с черной дырой в центре, который, возможно, превосходил бы по светимости Луну. Это было бы поистине величественное зрелище).
Последнее на данный момент интересное событие, имеющее отношение к черным дырам, произошло, когда квантовую теорию применили к гравитации. Расчеты стали источником целого ряда неожиданных явлений, которые в очередной раз раздвинули пределы нашего воображения. Оказалось, что наш проводник по этой неисследованной территории был полностью парализован.
Во время учебы в магистратуре Кембриджского университета Стивен Хокинг был обычным юношей, без особых устремлений и целей. Он делал все, что положено делать молодому физику, но без особого усердия. Он, без сомнения, обладал талантом, но не мог, казалось, ни на чем сосредоточиться. Но однажды ему поставили страшный диагноз — амиотрофический боковой склероз — и сказали, что жить осталось не больше двух лет. Хотя его разум не пострадает, тело быстро зачахнет, потеряв способность к функционированию, и в конце концов умрет. Молодой человек, подавленный и потрясенный до глубины души, понял, что до этого момента его жизнь растрачивалась впустую.
Он решил потратить несколько оставшихся ему лет жизни на что-то полезное. Для него это означало решить одну из величайших задач физики: применить квантовую теорию к гравитации. К счастью, болезнь прогрессировала намного медленнее, чем предсказывали доктора, так что он мог продолжать новаторские исследования в этой новой области, даже когда оказался прикован к инвалидному креслу и утратил контроль над руками и ногами и даже голосовыми связками. Однажды меня пригласили выступить на организованной Хокингом конференции. Мне посчастливилось побывать у него дома, и меня поразили те гаджеты, которые позволяли ему продолжать исследования. Одним из них было устройство для переворачивания страниц. Можно было поместить в него журнал, и оно начинало автоматически перелистывать страницы. На меня сильное впечатление произвела целеустремленность Хокинга, его готовность сделать все возможное и невозможное, чтобы не дать болезни помешать ему двигаться к цели.
В то время большинство физиков-теоретиков работало над квантовой теорией, но небольшая кучка нонконформистов и твердолобых упрямцев пыталась найти новые решения уравнения Эйнштейна. Хокинг же задался другим, но при этом очень глубоким вопросом: что произойдет, если объединить эти две системы и применить квантовую механику к черной дыре?
Он понимал, что задача вычисления квантовых поправок для гравитации слишком сложна, чтобы ее решить, поэтому выбрал для себя более простое задание: рассчитать квантовые поправки только для атомов внутри черной дыры, игнорируя более сложные квантовые поправки гравитонов.
Чем больше Хокинг читал о черных дырах, тем яснее видел, что что-то здесь не так. Он начал подозревать, что традиционное представление, в соответствии с которым ничто не в состоянии покинуть черную дыру, нарушает квантовую теорию. В квантовой механике все очень неопределенно. Черная дыра выглядит идеально черной потому, что поглощает абсолютно все. Но идеальная чернота нарушает принцип неопределенности. Даже чернота должна быть неопределенной.
Хокинг пришел к революционному выводу о том, что черные дыры должны обязательно испускать очень слабое квантовое излучение.
Затем он показал, что излучение, испускаемое черной дырой, на самом деле представляет собой одну из форм излучения абсолютно черного тела. В расчете ему помогло осознание того, что вакуум — это не просто состояние пустоты, что на самом деле в нем буквально кипит квантовая активность. В квантовой теории даже пустота находится в состоянии постоянной бурлящей неопределенности, где электроны и антиэлектроны могут внезапно выскакивать из вакуума, затем сталкиваться и исчезать, вновь превращаясь в вакуум. Так что пустота на самом деле пенится квантовой активностью. Затем он понял, что если гравитационное поле достаточно интенсивно, то в вакууме могут возникать пары электрон — антиэлектрон, или так называемые виртуальные частицы. Если один из членов такой пары падает в черную дыру, а вторая частица улетает прочь, возникает то, что сейчас называют хокинговским излучением. Создание такой пары частиц подпитывается энергией, содержащейся в гравитационном поле черной дыры. Поскольку вторая частица покидает черную дыру навсегда, это означает, что суммарное содержание материи и энергии в черной дыре и ее гравитационное поле уменьшаются.
Этот процесс называется испарением черной дыры и описывает конечную судьбу всех черных дыр: они мягко светятся хокинговским излучением триллионы лет, пока не истощат свои силы и не умрут в яростном взрыве. Так что даже жизнь черных дыр конечна.
Через многие триллионы лет звезды Вселенной сожгут все свое ядерное топливо и погаснут. Только черные дыры останутся неизменными в эту мрачную эпоху. Но даже черные дыры должны со временем испариться, не оставив после себя ничего, кроме дрейфующего моря элементарных частиц. Хокинг задал себе еще один вопрос: что произойдет, если бросить книгу в черную дыру? Будет ли информация, содержащаяся в этой книге, потеряна навсегда?
Согласно квантовой механике, информация никогда не пропадает. Даже если сжечь книгу, то путем кропотливого анализа молекул сгоревшей бумаги можно ее полностью реконструировать.
Но Хокинг разворошил осиное гнездо противоречий, сказав, что информация, брошенная в черную дыру, на самом деле теряется навсегда и что квантовая механика в черной дыре вследствие этого нарушается.
Эйнштейн однажды сказал, что «Бог не играет в кости с миром», — то есть невозможно свести все к вероятности и неопределенности. Хокинг добавил к этому: «Иногда Бог бросает кости туда, где вы не можете их найти», имея в виду, что кость может остановиться внутри черной дыры, где квантовые законы, возможно, вообще не действуют. Так что, когда проходишь горизонт событий, законы неопределенности перестают работать.
Услышав это, физики как один встали на защиту квантовой механики, показывая, что продвинутые теории, такие как теория струн, о которой речь пойдет в следующей главе, говорят о сохранении информации даже в присутствии черных дыр. Через некоторое время Хокинг сдал назад и допустил, что был, возможно, неправ. Но при этом он предложил собственное новое решение. Может быть, когда вы бросаете книгу в черную дыру, информация не пропадает навсегда, как он считал прежде, а возвращается в форме хокинговского излучения. В слабом хокинговском излучении зашифрована вся информация, необходимая для воссоздания книги в первоначальном виде. Так что Хокинг, возможно, был неправ, но верное решение заключается в излучении, которое он же незадолго до этого обнаружил.
В заключение заметим, что вопрос о том, теряется ли информация в черной дыре, остается открытым и служит предметом горячих споров физиков. Но для его разрешения нам, возможно, придется ждать появления окончательной квантовой теории гравитации, включающей гравитонные квантовые поправки. А пока Хокинг обратился к следующему каверзному вопросу, связанному с объединением квантовой теории и общей теории относительности.
