Краткие ответы на большие вопросы

Роджер Пенроуз уже показал, что, когда умирающая звезда сжимается до определенного размера, неизбежно должна возникать сингулярность, то есть точка, в которой пространство и время подходят к концу. Разумеется, подумал я, мы уже знаем, что ничто не может помешать массивной холодной звезде коллапсировать под воздействием собственной гравитации до тех пор, пока она не достигнет сингулярности бесконечной плотности. Я понял, что сходные аргументы могут быть применимы к расширению Вселенной. В таком случае я мог бы доказать, что были сингулярности, в которых пространство-время имело свое начало.

Эврика пришла ко мне в 1970 году, через несколько дней после рождения моей дочери Люси. Собираясь вечером ложиться в постель, что при моей инвалидности представляло весьма длительный процесс, я понял, что к черным дырам можно применить теорию свободных структур, которую я разработал для теорем сингулярности. Если общая теория относительности верна и плотность энергии имеет позитивное значение, то площадь поверхности горизонта событий – границы черной дыры – обладает свойством увеличиваться, когда в нее попадает новое вещество или излучение. Более того, если две черные дыры столкнутся и образуют единую черную дыру, то площадь горизонта событий вокруг образовавшейся черной дыры будет больше, чем сумма площадей горизонтов событий вокруг первоначальных черных дыр.

Это был золотой век. Мы решили большинство проблем, связанных с теорией черных дыр, даже раньше, чем появились данные наблюдений за черными дырами. На самом деле, мы так успешно разобрались с общей теорией относительности, что после публикации нашей с Джорджем Эллисом книги «Крупномасштабная структура пространства-времени» (1973) я на время остался без дела. Мое сотрудничество с Пенроузом показало, что общая теория относительности не применима к сингулярности, поэтому следующим очевидным шагом было попробовать объединить общую теорию относительности (теорию очень большого) с квантовой теорией (теорией очень малого). В частности, я задумался, а могут ли существовать атомы, ядро которых представляет собой маленькую первичную черную дыру, образованную в молодой Вселенной? Мои исследования показали глубокую связь, о которой раньше не подозревали, между гравитацией и термодинамикой, наукой о тепле, и разрешили парадокс, над которым ученые без особого успеха ломали голову более тридцати лет: как может излучение, остающееся от сжимающейся черной дыры, нести всю информацию о том, из чего она состояла? Я обнаружил, что информация не теряется, но и не возвращается в полезном виде – это как сжечь энциклопедию, от которой останется лишь дым и пепел.

В поисках ответа я изучал, как черная дыра рассеивает квантовые поля или частицы. Я ожидал, что часть волны должна поглощаться, а остальная – рассеиваться. Но, к моему величайшему удивлению, я обнаружил, что излучение исходит от самой черной дыры. Сначала я решил, что ошибся в расчетах. Но оказалось, что излучение – это именно то, что требуется для отождествления горизонта событий с энтропией черной дыры. Эта энтропия, мера беспорядочности системы, выражается в простой формуле

через параметры площади горизонта и трех фундаментальных физических постоянных: c – скорость света, G – гравитационная постоянная Ньютона и ħ – постоянная Планка. Эмиссия теплового излучения черной дыры теперь называется излучением Хокинга, и я горжусь, что мне удалось ее обнаружить.

В 1974 году меня избрали членом Королевского общества. Это стало сюрпризом для для моих коллег, поскольку я был молод и числился простым научным сотрудником. Но в течение трех лет я дослужился до профессора. Работа над черными дырами зародила надежду, что мы сможем создать теорию всего, и это желание стимулировало меня двигаться дальше.

В том же году мой друг Кип Торн пригласил меня с семьей и группой аспирантов в Калифорнийский технологический институт (Калтех) – поработать над общей теорией относительности. В предыдущие четыре года я пользовался механическим инвалидным креслом, а также маленьким синим трехколесным электромобилем, который передвигался со скоростью велосипеда и в котором я порой нелегально возил пассажиров. Приехав в Калифорнию, мы поселились в принадлежащем Калтеху здании в колониальном стиле неподалеку от кампуса, и у меня впервые появилась возможность свободно пользоваться инвалидным креслом с электрическим приводом. Я чувствовал себя в нем намного более свободно; к тому же, здания и тротуары в Соединенных Штатах оказались гораздо лучше приспособлены для инвалидов, чем в Британии.