Холодильник Эйнштейна

Джон Уилер был человеком противоречий. Он был консервативно и антикоммунистически настроенным патриотом, который работал над созданием американского ядерного оружия, но при этом дружил в том числе с советскими учеными и чилийскими коммунистами. Он почти всегда носил строгий костюм и внешне напоминал директора большой корпорации, но одобрял движения за гражданские права и за права женщин, а также растущую толерантность к культурному разнообразию, которая стала символом 1960-х годов. После неудачного юношеского эксперимента с фейерверками на одном из его больших пальцев недоставало фаланги. Если ему случалось заскучать на научной конференции, когда он был уже взрослым, он надувал бумажный пакет и разрывал его с громким хлопком. А еще он был одним из самых проницательных мыслителей XX века, и именно он популяризировал термин “черная дыра”. Ранее черные дыры назвали объектами, появившимися в результате гравитационного коллапса, или сингулярностями Шварцшильда. Во многих отношениях Уилер напоминал великого берлинского преподавателя физики Густава Магнуса, дома у которого молодой Рудольф Клаузиус в 1840-х годах начал свои исследования энтропии. Более столетия спустя, в конце 1970-х годов, загадочная природа энтропии все еще стояла на повестке дня, когда Уилер, сидя в своем кабинете в Принстоне, завел беседу с молодым аспирантом Джейкобом Бекенштейном, которому в то время было всего 23 года.

Бекенштейн прошел необычный путь, прежде чем оказаться в кабинете Уилера. Он родился в 1947 году в Мехико в семье еврейских эмигрантов, бежавших из Европы в 1930-х. Отец Бекенштейна был плотником, а мать — домохозяйкой. Им пришлось полностью перестроить свою жизнь, и они не были богаты, но способствовали развитию талантов сына. В детстве мать водила Джейкоба в главную библиотеку Мехико, где он читал книги, которых не было в школе, и развивал свой растущий интерес к науке и технологиям. Очарованные запуском советских спутников в 1960-х годах, они со школьными друзьями конструировали собственные ракеты на топливе, которое смешивали из химикатов, купленных на карманные деньги в магазине медицинских товаров. “Некоторые из них действительно летали, — написал впоследствии Бекенштейн, — и пару раз улетели так далеко, что мы не смогли их найти”. В начале 1960-х годов Бекенштейны получили разрешение на переезд в США и сели на автобус, следующий из Мехико в Техас. В конце концов семья обосновалась в Нью-Йорке, где Бекенштейн окончил школу и добился таких успехов в университете, что получил стипендию на обучение в аспирантуре Института перспективных исследований в Принстоне. К этому времени Бекенштейн выбрал карьеру физика-теоретика, что позже объяснил следующим образом: “В молодости, выбирая из возможных профессий, я решил, что хочу заниматься тем, что поймут даже существа из других регионов Вселенной”.

В тот день в 1970 году, когда Уилер в своем принстонском кабинете беседовал с Бекенштейном, они рассуждали о той же особенности рассеяния энергии, которая завораживала Карно, Кельвина и Клаузиуса. Ученые XIX века подчеркивали, что теплота может преобразовываться в полезную работу тогда и только тогда, когда в системе наблюдается разница температур, то есть когда одна часть системы горячее другой. В таком случае, если по примеру лорда Кельвина представить железный стержень, горячий с одного конца и холодный с другого, то тепловой поток, идущий от горячего конца к холодному, можно использовать для выполнения полезной механической работы, такой как подъем веса. Если же позволить теплоте рассеяться по стержню, чтобы одинаковая температура установилась по всей его длине, то теплота станет бесполезной, хотя энергия при этом не будет никуда потрачена. В таком случае теплоту невозможно будет использовать для подъема веса. Иными словами, железный стержень перейдет из состояния с низкой энтропией в состояние с высокой энтропией. Мысль, что увеличение энтропии приводит к потере возможности получать полезную работу из энергии, подтолкнула Уилера сказать Бекенштейну: “Я всегда чувствую себя преступником, когда ставлю чашку горячего чая рядом со стаканом чая со льдом и позволяю им прийти к одной температуре, сохраняя мировую энергию, но повышая мировую энтропию. Мое преступление отзывается в конце времени, поскольку не существует способа его исправить. Но представим, что мимо проплывет черная дыра, чтобы я смог вылить в нее горячий и холодный чай. Разве в таком случае свидетельства моего преступления не исчезнут навсегда?” Большинство других слушателей его слова привели бы в недоумение, но, как отметил Уилер, “Джейкобу этого замечания оказалось достаточно”.