Краткие ответы на большие вопросы

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

Поскольку у черных дыр «нет волос», как выразился Джон Уилер, сторонний наблюдатель не может увидеть, что происходит внутри черной дыры. Можно определить только ее массу, заряд и вращение. Это означает, что черная дыра должна хранить множество информации, скрытой от внешнего мира. Но существует предел объема 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 черную дыру, и размер этой дыры будет отражать количество информации. Это все равно что натаскивать все больше и больше книг в библиотеку. Постепенно полки прогнутся, и библиотека коллапсирует в черную дыру.

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

Проблема оставалась нерешенной до начала 1974 года. Я в это время исследовал, как будет вести себя материя поблизости от черной дыры согласно законам квантовой механики. К моему великому изумлению, я выяснил, что черная дыра, судя по всему, все-таки с равномерной интенсивностью излучает частицы. Как все остальные в то время, я принимал как данность, что черная 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 четким тепловым спектром. Мои расчеты показывали, что черная дыра создает и испускает частицы и излучение, словно обычное раскаленное тело, при температуре, прямо пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Таким образом, спорная гипотеза Яакова Бекенштейна о том, что черная дыра обладает конечной энтропией, оказалась вполне убедительной, поскольку она предполагает, что черная дыра может находиться в тепловом равновесии при некой определенной температуре, отличной от нуля.

ЧЕМ ГРОЗИТ КОСМИЧЕСКОМУ ПУТЕШЕСТВЕННИКУ ПАДЕНИЕ В ЧЕРНУЮ ДЫРУ?

Большими неприятностями. Если это дыра звездной массы, он превратится в спагетти, даже не достигнув горизонта. Если это сверхмассивная черная дыра, он без проблем пройдет сквозь горизонт, но в сингулярности будет выдавлен из бытия.

С тех пор математические доказательства наличия теплового излучения у черной дыры были подтверждены многими учеными, применявшими различные научные подходы. Один способ понять излучение заключается в следующем. Квантовая механика предполагает, что все 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,[16] которые они производят в спектре световой энергии, излучаемой возбужденными атомами водорода. При наличии черной дыры один член пары виртуальных частиц может упасть в дыру, оставив второго без партнера, с которым должна была произойти взаимная аннигиляция. Оставшаяся частица или античастица может упасть в черную дыру вслед за партнером, а может и улететь в бесконечность, где проявит себя как излучение, испускаемое черной дырой.

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