Краткие ответы на большие вопросы

В этом заключается парадокс природы чёрных дыр — невероятно плотных объектов, возникающих в результате звёздного коллапса. Согласно одной теории, чёрные дыры с идентичными качествами могут быть образованы из бесконечного количества различных типов звёзд. Другая утверждает, что количество может быть конечным. Это проблема информации: считается, что каждая частица и каждая сила во Вселенной содержат информацию.

Поскольку у чёрных дыр «нет волос», как выразился Джон Уилер, сторонний наблюдатель не может увидеть, что происходит внутри чёрной дыры. Можно определить только её массу, заряд и вращение. Это означает, что чёрная дыра должна хранить множество информации, скрытой от внешнего мира. Но существует предел объёма информации, которую можно поместить в отдельной области пространства. Информации требуется энергия, а энергия обладает массой согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc². Соответственно, если в какой-то области пространства скапливается слишком много информации, она свалится в чёрную дыру, и размер этой дыры будет отражать количество информации. Это всё равно что натаскивать всё больше и больше книг в библиотеку. Постепенно полки прогнутся, и библиотека коллапсирует в чёрную дыру.

Если объём скрытой информации в чёрной дыре зависит от размера дыры, можно на основании общих принципов полагать, что у чёрной дыры есть температура и дыра должна светиться, как кусок раскалённого металла. Но невозможно, потому что ничто не может покинуть чёрную дыру. Или все думали, что не может.

Проблема оставалась нерешённой до начала 1974 года. Я в это время исследовал, как будет вести себя материя поблизости от чёрной дыры согласно законам квантовой механики. К моему великому изумлению, я выяснил, что чёрная дыра, судя по всему, всё-таки с равномерной интенсивностью излучает частицы. Как все остальные в то время, я принимал как данность, что чёрная дыра не может ничего излучать. Поэтому я приложил немало усилий, чтобы разубедиться в этой дурацкой идее. Но чем больше я думал, тем упорнее она отказывалась исчезать, и в конце концов мне пришлось с ней смириться. Вот что окончательно убедило меня в том, что это реальный физический процесс: излучаемые частицы обладали чётким тепловым спектром. Мои расчёты показывали, что чёрная дыра создаёт и испускает частицы и излучение, словно обычное раскалённое тело, при температуре, прямо пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Таким образом, спорная гипотеза Яакова Бекенштейна о том, что чёрная дыра обладает конечной энтропией, оказалась вполне убедительной, поскольку она предполагает, что чёрная дыра может находиться в тепловом равновесии при некой определённой температуре, отличной от нуля.

С тех пор математические доказательства наличия теплового излучения у чёрной дыры были подтверждены многими учёными, применявшими различные научные подходы. Один способ понять излучение заключается в следующем. Квантовая механика предполагает, что всё пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц, которые постоянно материализуются в пары, разделяются и вновь соединяются или уничтожают друг друга. Эти частицы называются виртуальными, потому что, в отличие от реальных, их невозможно непосредственно наблюдать с помощью детектора частиц. Тем не менее косвенное влияние можно измерить, и их существование подтверждается небольшими колебаниями, или Лэмбовским сдвигом,[17] которые они производят в спектре световой энергии, излучаемой возбуждёнными атомами водорода. При наличии чёрной дыры один член пары виртуальных частиц может упасть в дыру, оставив второго без партнёра, с которым должна была произойти взаимная аннигиляция. Оставшаяся частица или античастица может упасть в чёрную дыру вслед за партнёром, а может и улететь в бесконечность, где проявит себя как излучение, испускаемое чёрной дырой.

Другой способ посмотреть на этот процесс — представить члена пары частиц, который попадает в чёрную дыру — допустим, античастицу, — как реальную частицу, но перемещающуюся назад, в прошлое. В таком случае античастицу, попадающую в чёрную дыру, можно рассматривать как частицу, вылетающую из чёрной дыры, но перемещающуюся назад, в прошлое. Когда эта частица достигает точки, в которой первоначально материализовалась пара частица — античастица, её размазывает гравитационное поле, и она перемещается вперёд, в будущее.