На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда
«Я всегда чувствую себя преступником, когда ставлю чашку горячего чая рядом со стаканом чая со льдом и дожидаюсь, пока они оба не придут к одной комнатной температуре, сохраняя энергию, но увеличивая мировую энтропию, – сказал ему Уилер. – Последствия моего преступления останутся до конца жизни Вселенной, и нет никакого способа, чтобы стереть или отменить их. Но допустим, я уронил чашку горячего чая и стакан холодного чая в черную дыру. Тогда все свидетельства моего преступления оказываются стерты навсегда?»
Боже, думала я. Неужели Уилер никогда не использует в разговоре нормальные предложения?
Видимо, Бекенштейн понял, что он имел в виду. Прошли месяцы, и он появился в офисе Уилера со смелым заявлением: горизонт событий, сказал он, является не только аналогом энтропии, это есть сама энтропия. Уилер ответил: «Ваша идея настолько безумная, что вполне может оказаться истинной. Ее надо опубликовать».
Когда Хокинг читал статью Бекенштейна, он негодовал. Он чувствовал, что Бекенштейн неверно использовал его теорему о площади горизонта событий и пришел к заведомо ложному выводу. Проблема была очевидна. Энтропия – это тепло. Все, что обладает энтропией, имеет температуру, а значит – излучает. Однако черные дыры не могут излучать. Они черные.
Раздраженный Хокинг вместе с физиками Брэндоном Картером и Джимом Бардином написали статью, объясняющую, в чем Бекенштейн не прав. Но идея засела в его голове, и после двух лет расчетов Хокинг слелал шокирующий вывод. В своей теперь уже легендарной работе 1975 года «Рождение частиц черными дырами» он показал, что совместное действие квантовой механики и теории гравитации приводит к рождению частиц на горизонте событий. Это означает, что черные дыры действительно излучают тепло, как тела, нагретые до температуры, обратно пропорциональной их массе. Если черные дыры могут излучать, они должны обладать энтропией. Стрела времени была восстановлена, черные дыры оказались не такими уж черными, а Бекенштейн был вознагражден. Хокинг вывел уравнение, показывающее, что энтропия черной дыры пропорциональна четверти площади ее горизонта событий. Он попросил, чтобы это уравнение было выгравировано на его надгробной плите.
Вскоре начали проявляться и другие черты сходства физики черных дыр и термодинамики. Так называемый нулевой закон термодинамики гласит, что у частей термодинамической системы, находящейся в равновесии, одна и та же температура. Аналогично сила тяжести постоянна по всей поверхности горизонта событий. Первый закон термодинамики гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но всегда сохраняется. Так же и в физике черных дыр: когда объект поглощается черной дырой, его масса и энергия (которые связаны через E = mc2) переносятся в саму черную дыру, и суммарная энергия всей системы остается неизменной. Для каждого закона термодинамики, по-видимому, существует эквивалентный закон физики черных дыр. Начала вырисовываться глубокая связь между термодинамикой и гравитацией. Для физиков это было интригующее сочетание, чтобы не сказать больше. В конце концов, термодинамика – наука о материи и энергии. Гравитация – о пространстве и времени. Найти связь между двумя – нащупать путь к теории квантовой гравитации.
Теперь нам уже не кажется столь удивительным, что горизонт событий обладает энтропией: в конце концов, энтропия – это мера скрытой информации, а горизонт событий тем и замечателен, что скрывает информацию. Но почему энтропия черной дыры, которая скрывает все внутри трехмерного объема, должна быть пропорциональна двухмерной площади горизонта? И откуда, черт возьми, берутся эти частицы?
От: Аманда Гефтер
Кому: Уоррен Гефтер
Тема: догадка…
Я думаю, я нашла тему для своей дипломной работы – излучение Хокинга. Я не могу пока сказать точно, но здесь есть что-то очень глубокое. Известно, что энтропия черной дыры пропорциональна площади горизонта. Это как-то странно, правда? Почему она не пропорциональна объему? Такое впечатление, что мы ошиблись в размерности. И эти частицы… откуда же они? Горизонт просто рождает их из ничего? Тут что-то не так, я уверена.
От: Уоррен Гефтер
Кому: Аманда Гефтер
Тема: RE: догадка…
Твоя идея с выбором темы диплома блистательна. Частицы Хокинга – это виртуальные ли пары, которые расщепляются на горизонте? Чем бы они ни были, ты обязательно это выяснишь. Держи меня в курсе. Мама шлет тебе привет и упаковку диетических батончиков. Они должны прийти посылкой на этой неделе.
Папа был прав про излучение Хокинга. Обычное объяснение заключалось в следующем. Благодаря квантовой неопределенности в вакууме постоянно рождаются виртуальные пары частиц и античастиц. Как мимолетные виденья, они появляются на мгновение, чтобы тут же столкнуться и аннигилировать, снова исчезая в бурлящем квантовом море. Родись такая пара вблизи черной дыры, горизонт событий ее разобьет. Лишившись возможности принять участие во взаимной аннигиляции, частица по эту сторону горизонта излучается в космос, а ее партнер-античастица падает в направлении к сингулярности. В одиночку, оторванная от партнера, излученная виртуальная частица становится реальной. Наблюдателю вне черной дыры будет казаться, что горизонт излучает энергию. Между тем отрицательная энергия античастиц поглощается черной дырой, которая из-за этого теряет массу и медленно испаряется.
Однако частицы – это, в действительности, возбужденные состояния полей, а квантовые поля, даже находясь в своих низших энергетических состояниях, испытывают флуктуации и колеблются около среднего нулевого значения энергии. Флуктуация с положительной частотой соответствует виртуальной частице, а флуктуация с отрицательной частотой – античастице[32]. Но все становится интереснее, когда происходит вблизи горизонта событий.
В бесконечном неограниченном пространстве в фурье-разложении квантовой флуктуации для каждой длины волны слагаемые, соответствующие противоположным знакам при одной и то же частоте, должны быть равными, так что сумма в среднем оказывается равной нулю, и мы получаем в итоге что-то похожее на спокойное пустое пространство. Но вблизи горизонта событий все меняется. Вакуум по разные стороны горизонта событий оказывается совершенно разным. Пространство по эту сторону от него теперь никак нельзя считать ни бесконечным, ни ограниченным. Слагаемые фурье-разложения больше не хотят компенсировать друг друга. Появляются новый вакуум, новые поля, новые частицы.
«Горизонты событий рождают частицы путем реструктуризации вакуума», – записала я в моем блокноте. И, немного подумав, добавила: «Похоже на эффект Казимира?» В самом деле, что-то подобное я уже видела. Эффект Казимира заключается в следующем: две параллельные незаряженные металлические пластины, парящие на расстоянии одного микрона друг от друга, испытывают таинственную силу притяжения. Сила возникает просто из вакуума. Снаружи пластин вакуумные колебания распространяются по всему безграничному пространству, так что здесь присутствуют все возможные компоненты фурье-разложения. Но внутри крошечной щели между пластинами действуют определенные правила отбора на длину волны: между пластинами должно уложиться целое число волн – вы ничего не сможете сделать с половиной волны, так что выживут только те гармоники фурье-разложения флуктуации, которым соответствует длина волны, кратная пространству между пластинами. Пластины реструктурируют вакуум, оставляя вакуум снаружи пластин отличным от вакуума внутри пространства между ними. Эта разница создает усилие: более сильный вакуум снаружи давит на пластины, а более слабый вакуум внутри щели не может справиться с этим давлением. Похожий эффект известен со времен античности: ребенок может удерживать закрытой дверь, хотя бы целая армия напирала на нее, чтобы открыть. Физики давно наблюдают похожую неравную борьбу в лаборатории, и действительно – пластины притягиваются друг к другу, как магниты, только там нет магнитных сил. Там просто ничего нет.
