До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Черные дыры завораживали Уилера. Согласно общей теории относительности, любой объект, упавший внутрь черной дыры, уже не может выйти наружу. Он пропадает. Навсегда. Продумывая этот принцип в начале 1970-х гг., Уилер наткнулся на загадку, о которой рассказал своему студенту Яакову Бекенштейну. Черные дыры предлагали, кажется, готовую стратегию нарушения второго начала термодинамики. Возьмем чашку горячего чая, рассуждал Уилер, и бросим ее в черную дыру. Куда при этом денется энтропия чая? Поскольку внутренность черной дыры совершенно недоступна, с точки зрения тех, кто находится снаружи, горячий чай вместе со своей энтропией просто исчез. Уилера беспокоило, что сброс энтропии в черную дыру давал, кажется, надежный способ нарушить при желании второе начало.

Через несколько месяцев после того разговора Бекенштейн вернулся к Уилеру с решением. Энтропия чая не пропадает, заявил он. Эта энтропия просто передается черной дыре. Примерно так же, как вашей руке, схватившейся за горячую сковородку, передается часть ее энтропии, так же, по мысли Бекенштейна, любой объект, падающий в черную дыру, передает свою энтропию самой дыре.

Это естественное решение, и в голову Уилера эта мысль тоже приходила3. Однако рассуждения в этом направлении сразу же наталкиваются на проблему. Энтропия, как мы видели, считает число перестановок составляющих элементов системы, при которых сама она остается «практически такой же с виду». Или, точнее говоря, энтропия считает различные конфигурации микроскопических составляющих системы, совместимые с ее заданным макроскопическим состоянием. Если чай передает свою энтропию черной дыре, эта энтропия должна проявиться через увеличение числа внутренних конфигураций черной дыры, не влияющих на ее макроскопические свойства.

Итак, вот проблема: в конце 1960-х и начале 1970-х гг. физики Вернер Израэль и Брэндон Картер воспользовались уравнениями общей теории относительности, чтобы показать, что черная дыра полностью определяется всего тремя числами: массой черной дыры, ее моментом импульса (как быстро она вращается) и ее электрическим зарядом4. Стоит вам измерить эти макроскопические параметры, и у вас есть вся информация, необходимая для полного описания черной дыры. Это означает, что любые две черные дыры с одинаковыми макроскопическими свойствами — с одинаковой массой, одинаковым моментом импульса и одинаковым электрическим зарядом — идентичны до последних деталей. Так что в отличие от набора монет, в котором, если сказать, что 38 из них легли орлом, а 62 — решкой, это оставит нам свободу для миллиардов и миллиардов различных конфигураций, и в отличие от контейнера с паром, для которого определить объем, температуру и давление означает разрешить поистине колоссальное число различных конфигураций молекул, — когда дело доходит до черных дыр, то определение массы, момента импульса и электрического заряда жестко указывает на одну и только одну конфигурацию. Поскольку не нужно ни считать другие конфигурации, ни перечислять похожие случаи, может показаться, что черные дыры вообще не несут в себе энтропии. Бросьте внутрь чашку чая, и ее энтропия, судя по всему, исчезнет. При столкновении с черной дырой второе начало термодинамики, похоже, капитулирует.

Бекенштейна такой вариант совершенно не устраивал. Черные дыры, заявил он, обладают энтропией. Более того, когда что-то падает внутрь, энтропия черной дыры увеличивается ровно настолько, чтобы мир мог не беспокоиться о нарушении второго начала. Чтобы ухватить суть рассуждений Бекенштейна, для начала обратите внимание, что, когда что-то падает в черную дыру, масса этого чего-то не пропадает. Каждый, кто изучал общую теорию относительности и понял ее, согласится, что всякий объект, падающий в черную дыру, увеличивает ее массу. Чтобы представить себе визуально этот процесс, нарисуйте горизонт событий черной дыры — сферическую поверхность, определяющую ее границу и отмечающую рубеж, после которого возвращение невозможно. Математика показывает, что радиус горизонта событий пропорционален массе черной дыры: чем меньше масса, тем меньше горизонт, и наоборот. Если вы бросаете что-нибудь внутрь, масса черной дыры увеличивается, так что следует представить, что и горизонт увеличивается. Черная дыра питается, и ее сферическая талия полнеет.