Тибо Дамур - Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн
Уточним, что кроме глобальной хроногеометрической структуры черной дыры также полезно рассматривать черную дыру в качестве объекта, локализованного в окружающем пространстве и сохраняющегося во времени: другими словами, как своего рода мертвую звезду, оставляющую след в виде трубы в пространстве-времени. Эта труба есть не что иное, как ее горизонт событий, или же поверхность черной дыры, представленная серым цилиндром на рисунке. Изучение физического поведения этого объекта показывает, что ему можно приписать большое количество свойств, присущих обыкновенным телам: как, например, масса, энергия, импульс и момент импульса{105}. Более того, оказывается, что черная дыра может обмениваться энергией, моментом импульса и электрическим зарядом со своим окружением. Димитриос Христодулу и Ремо Руффини сумели даже показать{106}, что черные дыры представляют наибольший резервуар свободной энергии Вселенной: в самом деле, 29 % их энергии, сосредоточенной в массе (mc2), может иметь форму кинетической энергии вращения и до 50 % – форму электрической энергии. Это куда больше тех нескольких процентов, которые приходятся на энергию ядерных связей и которые являются источником излучения света в течение всей жизни звезды. Вдобавок к их механическим свойствам (энергия, импульс и т. д.) также весьма полезно приписать черным дырам термодинамические свойства (такие как энтропия{107} и температура{108}) и даже локальные диссипативные свойства на их поверхности (такие как удельная поверхностная проводимость{109} и поверхностная вязкость{110}).
Хотя на данный момент нет неопровержимых доказательств существования черных дыр во Вселенной (несмотря на некоторые сообщения СМИ, которые в основном касаются явлений, происходящих очень далеко от горизонта событий потенциальной черной дыры), имеется большое количество косвенных свидетельств, указывающих на их существование. В частности, более дюжины двойных систем в нашей галактике, испускающих рентгеновское излучение, вероятно, в действительности состоят из пары: черная дыра и звезда. Более того, центр нашей галактики, по всей видимости, содержит очень компактное скопление массы, эквивалентное трем миллионам солнечных масс, что, вероятно, может быть черной дырой. Детектирование гравитационных волн, испущенных при слиянии черных дыр, в случае успеха принесет прямое и неопровержимое доказательство их существования путем анализа характерных частот «вибрационных» волн, испускаемых конечной дырой, образованной при слиянии двух начальных. В самом деле, можно показать, что черные дыры представляют собой упругие структуры, которые могут вибрировать и заставлять колебаться пространство-время вокруг них, подобно тому, как колокольчик своими колебаниями возбуждает звуковые волны в воздухе.
Глава 5
Свет и энергия как частицы
Эйнштейн был бы одним из величайших физиков-теоретиков всех времен, даже если бы он не написал ни одной строчки о теории относительности.
– Макс БорнОтныне кажется необходимым ввести во все наши физические и химические теории понятие дискретности, величины, меняющейся скачками, о которой мы не имели ни малейшего представления еще несколько лет назад (Марсель Бриллюэн).
Брюссель, Бельгия, 30 октября – 3 ноября 1911 г.
30 октября 1911 г. в одном из залов «Метрополя», самого красивого отеля Брюсселя, бельгийский промышленный магнат Эрнест Сольве открывает свой первый Cольвеевский научный конгресс. На этот «своего рода неофициальный конгресс» Эрнест Сольве пригласил самых именитых ученых того времени, чтобы обсудить в узком кругу важные перемены, происходящие в фундаментальной науке. Лишь 20 ученым было предложено принять участие в этом мини-конгрессе, каждый из них получил персональное приглашение от Эрнеста Сольве. Около половины из них уже были лауреатами Нобелевской премии или впоследствии получили ее.
Сольве горячо любил науку, хотя и был самоучкой, он сделал свое состояние на промышленном применении химии (а именно, разработка дешевой технологии производства соды). Обладая даром предвидения, он частично использовал свои капиталы для развития существующей науки и для поддержки новых научных идей{111}. Он также любил встречаться с учеными, поскольку всю свою жизнь сожалел, что из-за болезни в юности ему пришлось оставить учебу и идею поступления в университет. Как он писал, «находиться в контакте с учеными, по возможности становиться немного ученым самому, обдумывать физические факты и таким образом открывать безусловную реальность – это было золотой мечтой всей моей жизни». Его благотворительность, направленная на развитие науки, имела большой успех. В первую очередь это, конечно, организация Сольвеевских конгрессов, которые, став местом активных дискуссий, серьезно повлияли на развитие новых научных идей, а также учреждение фондом Сольве ряда международных институтов в области физики, химии, физиологии и социологии{112}.
В 1910 г. Эрнест Сольве связывается с великим немецким ученым, специализирующимся в области физической химии, Вальтером Нернстом, и просит его помочь в организации научной встречи по «насущным вопросам» физики и химии. Нернст предлагает Сольве посвятить первый конгресс происходящим в то время революционным изменениям, из-за которых рушились основы физики, ранее считавшиеся непоколебимыми. Он объясняет Сольве, что эта революция (так называемая «квантовая» революция) является результатом работ Макса Планка, его коллеги, физика из Берлина, и (в особенности) работ Эйнштейна. Нернст имеет в виду, в частности, работу Эйнштейна, опубликованную в 1907 г., о «теплоемкости» твердых тел (см. ниже). В этой гениальной работе идея квантов впервые использовалась за рамками теории излучения, в которой существование квантов было предсказано Планком и Эйнштейном. Благодаря Эйнштейну обобщение «квантовых» идей позволило объяснить загадочные температурные свойства определенных твердых тел (в частности, алмазов), которым не могли найти объяснение уже около 50 лет.
В результате с 30 октября по 3 ноября 1911 г. в Брюсселе прошел первый Сольвеевский конгресс по теории излучения и квантам. Список участников, которых было 20, впечатляет. Достаточно упомянуть Хендрика Лоренца (Нобелевская премия по физике, 1902 г.), Марию Кюри (Нобелевская премия по физике, 1903 г., совместно с Пьером Кюри и Анри Беккерелем; и Нобелевская премия по химии, 1911 г.), Макса Планка (Нобелевская премия по физике, 1918 г.), Жана Перрена (Нобелевская премия по физике, 1926 г.), Эрнеста Резерфорда (Нобелевская премия по химии, 1908 г.), Вальтера Нернста (Нобелевская премия по химии, 1920 г.), Вильгельма Вина (Нобелевская премия по физике, 1911 г.), а также Анри Пуанкаре, Поля Ланжевена, Марселя Бриллюэна, Мориса де Бройля (старшего брата Луи де Бройля) и, конечно же, last but not least, Альберта Эйнштейна (Нобелевская премия по физике, 1921 г.). Эйнштейн был самым молодым из участников (на тот момент ему исполнилось 32 года), как можно легко заметить, глядя на знаменитый снимок первого Сольвеевского конгресса. На нем выглядящий абсолютно невозмутимым Эйнштейн непринужденно курит сигару в обществе Ланжевена. Оба стоят невдалеке от весьма пожилого Пуанкаре, расположившегося за столом и, по-видимому, объясняющего какой-то математический результат внимательно слушающей Марии Кюри.
Но вернемся к тому утру 30 октября 1911 г., когда в отеле «Метрополь» начал свою работу первый Сольвеевский конгресс. После приветственных слов Эрнест Сольве открывает конгресс выступлением, в котором он говорит о своем видении теории пространства, материи и энергии. Он признает между тем, что его представления относятся «скорее к физической философии, а не к современной физике». Затем он передает слово председателю конгресса, Хендрику Лоренцу. Вряд ли можно было найти лучшего председателя, чем Лоренц. Родившийся в 1853 г. и получивший в 1902 г. одну из самых первых Нобелевских премий в области физики (первая была присуждена в 1901 г. Вильгельму Конраду Рентгену), Лоренц был корифеем физики. Он также свободно владел (конечно, кроме голландского) французским, немецким и английским языками, что позволяло ему с легкостью управлять конгрессом, на котором все три языка были в ходу. (Счастливые времена языкового разнообразия!) Лоренц выполнял роль председателя дипломатично и с тактом. Всю свою жизнь Эйнштейн относился к нему с глубоким уважением. Он восхищался гармоничностью личности Лоренца и испытывал к нему почти родственную привязанность. Удивительно между тем, что исключительная человеческая симпатия между Эйнштейном и Лоренцом никак не страдала от их зачастую противоположенных научных взглядов: так, «консерватор» Лоренц, во-первых, всегда придерживался концепции эфира и никогда не верил в теорию относительности в понимании Эйнштейна, и, во-вторых, он склонялся к описанию света в виде непрерывного электромагнитного поля, тогда как Эйнштейн стал основоположником «революционной» идеи дискретной природы света (в марте 1905 г., см. ниже). Все это хорошо чувствуется во вступительной речи Лоренца, произнесенной утром 30 октября 1911 г.: в ней он подчеркивает важность вопросов, предложенных для обсуждения. «Я говорю о важности, поскольку эти вопросы касаются самих принципов механики и самых глубоких свойств материи. Может быть, даже, хотя будем надеяться, что этого не случится, основные уравнения электродинамики и наши представления о природе эфира – если еще дозволено использовать это слово – окажутся под сомнением». Однако затем он продолжает в более позитивном ключе:
