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

В тот же период, когда Эйнштейн придумывал специальную теорию относительности, он был озадачен еще одним парадоксом. В начале XX века физики были в крайнем недоумении из-за чернотельного излучения. Вспомните главу 9, где я объяснял, что чернотельное излучение — это электромагнитная энергия, испускаемая святящимся горячим объектом. Представьте себе совершенно пустой закрытый контейнер при температуре абсолютного нуля. Внутри сосуда будет идеальный вакуум. Теперь давайте подогреем сосуд снаружи. Внешние стенки начинают испускать чернотельное излучение, то же происходит и с внутренними стенками. Их излучение попадает в закрытое пространство внутри сосуда, и оно заполняется чернотельным излучением. Электромагнитные волны разной длины мечутся по объему, отскакивая от внутренних стенок: красный свет, голубой, инфракрасный и все остальные цвета спектра.

Согласно классической физике, все длины волн — микроволны, инфракрасные, красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые и ультрафиолетовые волны — должны давать равный энергетический вклад. Но почему мы остановились в этом перечислении? Еще более короткие волны — рентген, гамма-лучи и еще более и более короткие волны — тоже должны давать равный вклад в энергию. Поскольку нет предела тому, сколь короткой может быть волна, классическая физика предсказывает, что в сосуде будет содержаться бесконечное количество энергии. Это признак абсурда — такая энергия немедленно испарила бы сосуд. Но где же именно ошибка?

Проблема эта была столь тяжела, что в конце XIX века ее стали называть ультрафиолетовой катастрофой. И вновь клинч возник в результате столкновения принципов, которые пользовались большим доверием, от обоих было очень трудно отказаться. С одной стороны, волновая теория невероятно успешно объясняла хорошо известные свойства света — дифракцию, преломление, отражение и самое впечатляющее — интерференцию. Никто не готов был отказываться от волновой теории, но, с другой стороны, на каждую длину волны должна приходиться равная энергия — это так называемая теорема о равнораспределении, вытекающая из самых общих аспектов теории теплоты, в частности и того, что тепло — это беспорядочное движение.

В 1900 году Макс Планк выдвинул важные новые идеи, которые вплотную подвели к разрешению дилеммы. Но лишь Эйнштейн в 1905 году нашел правильный ответ. Без всяких колебаний никому не известный патентный клерк сделал невероятно смелый ход. Свет, сказал он, — это не размытые пятна энергии, как считал Максвелл. Он состоит из неделимых частиц энергии, или квантов, которые позднее стали называть фотонами. Можно только изумляться самонадеянности молодого человека, который заявил величайшим ученым всего мира, что все их знания о свете ошибочны.

Гипотеза о том, что свет состоит из отдельных фотонов, энергия которых пропорциональна их частоте, решила проблему. Применив к этим фотонам статистическую механику Больцмана, Эйнштейн обнаружил, что на очень короткие волны (высокие частоты) приходится менее одного фотона. Меньше одного означает ни одного. Так что очень короткие волны не дают энергетического вклада, и мы избегаем ультрафиолетовой катастрофы. Дискуссия на этом не закончилась. Понадобилось почти тридцать лет, чтобы Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак примирили эйнштейновские фотоны с максвелловскими волнами. Но именно эйнштейновский прорыв открыл этот путь.

Общая теория относительности, величайшее творение Эйнштейна, также родилась из простого мысленного эксперимента, связанного с конфликтом принципов. Сам мысленный эксперимент был так прост, что выполнить его мог бы даже ребенок. Все, что в нем было, — это повседневное наблюдение: когда поезд набирает скорость, пассажиров прижимает к сиденьям, как будто вагон задрал нос, и гравитация тянет их к хвосту поезда. Так как же, спрашивал Эйнштейн, мы можем определить, что система отсчета ускоряется? И относительно чего она ускоряется?

Ответ Эйнштейна, повторенный клоуном: этого нельзя определить. «Что? — спросил жонглер. — Конечно, это можно сделать. Не вы ли только что сказали мне, что вас прижимает к спинке кресла?» — «Да, — отвечает клоун, — точно также, как если бы кто-то приподнял нос вагона так, чтобы назад вас тянула гравитация». Эйнштейн ухватился за эту идею: невозможно отличить ускорение от воздействия силы тяжести. У пассажира нет способа узнать, действительно поезд начал движение или к спинке сиденья его прижимает гравитация. Из этого парадокса и противоречия родился принцип эквивалентности:

Воздействие гравитации и ускорения неотличимы друг от друга.

Влияние гравитации на любую физическую систему в точности такое же, как и влияние ускорения.