Моя краткая история. Автобиография

Моя работа над проблемой черных дыр началась в 1970 году с великолепной догадки, которая осенила меня, когда я укладывался в постель, буквально через несколько дней после рождения моей дочери Люси. Я вдруг понял, что к черным дырам можно применить теорию причинностной структуры, разработанную мной для решения теорем по сингулярности. В частности, тогда было доказано, что площадь горизонта событий, который, по сути, является границей черной дыры, постоянно возрастала. При столкновении и слиянии двух черных дыр площадь конечной черной дыры превышает сумму площадей горизонтов двух исходных дыр. Это и другие свойства, которые мы открыли вместе с Джимом Бардиным и Брэндоном Катером, указывали на то, что эта площадь может выступать в качестве меры энтропии черной дыры. С ее помощью можно было рассчитать, сколько внутренних состояний черной дыры можно наблюдать на ее поверхности. Но площадь не могла быть мерой энтропии, так как если допустить, что черные дыры обладают энтропией, то тогда они должны иметь температуру и светиться, как это происходит со всеми нагретыми телами. Но все считали, что черные дыры абсолютно черные и не испускают ни света, ни чего-либо другого.

Это был восхитительный период, кульминацией которого стала летняя школа в Лез-Уш 1972 года, во время которой мы решили большую часть основных проблем теории черных дыр. Так, Вместе с Дэвидом Робинсоном мы доказали теорему об отсутствии волос, согласно которой черные дыры можно охарактеризовать всего двумя классическими параметрами – массой и угловым моментом вращения. Это вновь наталкивало на мысль о наличии у черных дыр энтропии, так как множество звезд могут коллапсировать, образуя черные дыры с одинаковой массой и угловым вращением.

Эта теория был разработана прежде, чем были получены результаты наблюдения черных дыр, и это доказывало ошибочность мнения Фейнмана о том, что любая область активного исследования должна основываться на эксперименте. Единственное, что так и не удалось доказать, так это гипотезу о космической цензуре, хотя и все попытки опровергнуть ее не имели успеха. Но именно она является фундаментом для всех работ, так или иначе связанных с изучением черных дыр, поэтому я был крайне заинтересован в ее справедливости. Я даже заключил пари с Кипом Торном и Джоном Прескиллом. Его я пока не выиграл, но проиграть могу, если кому-нибудь удастся выдвинуть стоящий контраргумент против голой сингулярности. На самом деле я проиграл начальную версию данного пари, так как был недостаточно внимателен к формулировкам. Торн и Прескилл, однако, не слишком обрадовались футболке, которую я предложил им в качестве выигрыша.

Астрофизики шутят: эту картинку я напечатал на футболках, которые получили Кип Торн и Джон Прескилл. (Надпись на полотенце: «Природа не терпит голых сингулярностей».)

Мы настолько преуспели в развитии классической общей теории относительности, что после выхода в свет книги «Крупномасштабная структура пространства-времени» в 1973 году у меня появилось свободное время. Наша работа с Пенроузом показала, что общая теория относительности в буквальном смысле разбивалась о проблему сингулярностей. Поэтому мне казалось логичным объединить общую теорию относительности, описывавшую очень большое, с квантовой теорией, имевшей дело с очень малым. Но мои познания в области квантовой механики были ничтожны, и решить проблему сингулярности в то время с налета не представлялось возможным. Поэтому для начала я решил рассмотреть, как частицы и поля, подчиняющиеся канонам квантовой теории, поведут себя вблизи черных дыр. В частности, мне было интересно, возможно ли получить атом, ядром которого будет крошечная первичная черная дыра, образовавшаяся в ранней Вселенной.

Чтобы ответить на этот вопрос, я изучил процесс рассеивания квантовых полей в непосредственной близости к черной дыре, ожидая, что часть случайной волны будет поглощена, а часть рассеется. Но к своему изумлению я обнаружил, что из черной дыры, по всей видимости, идет излучение. Сначала я решил, что допустил ошибку в расчетах, но тот факт, что излучение было именно таким, чтобы отождествить площадь горизонта событий с энтропией черной дыры, убедил меня в обратном. Все сводилось к весьма простой формуле:

S = Ac³/4ћG,

где S – энтропия, а А – площадь горизонта событий. Это выражение строится на трех фундаментальных постоянных: c – скорости света, G – ньютоновской гравитационной постоянной и ћ – постоянной Планка, и указывает на наличие не предполагавшейся ранее глубокой связи между гравитацией и термодинамикой.

Астрофизики шутят: пари с Джоном Прескиллом