Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
После окончания университета Хокинг решил отправиться в Кембридж, чтобы поработать у Фреда Хойла, известного физика, занимающегося космологией. Однако в Кембридже он попал к Деннису Шаме. Через некоторое время после поступления в аспирантуру Хокинг заметил, что ему трудно говорить и ходить. Вскоре был поставлен диагноз – рассеянный склероз. Поначалу болезнь быстро прогрессировала. У Хокинга началась депрессия. Он мало работал, потому что задавался вопросом, зачем заниматься наукой, ведь он может умереть раньше, чем защитит диссертацию. Но постепенно его состояние стабилизировалось. Это обстоятельство и женитьба на Джейн Уайлд вернули ему надежду, и он полностью погрузился в науку.
Хотя сегодня Хокинг прикован к инвалидному креслу и говорит с трудом, так что его понимают только близкие, он занят главными физическими проблемами. Он сделал несколько важных открытий и имеет четыре почётных докторских степени. Некоторые учёные считают, что его вклад в науку соизмерим с вкладом Эйнштейна. И всего этого он добился, несмотря на то, что не может двигать руками. Страницы книги листает за него автоматическое устройство, в которое нужно только вложить книгу. Учёный, правда, предпочитает пользоваться фотокопией журнала или книги, которую раскладывают перед ним на столе.
Пользоваться карандашом для вычислений он не может, поэтому их приходится делать мысленно, т.е. многое держать в памяти. Хокинг, впрочем, предпочитает представлять свои задачи в виде геометрических диаграмм, а не работать с математическими уравнениями. Подробные вычисления он оставляет своим сотрудникам.
Хокинг показал, что поверхностная температура чёрных дыр определяется странным типом испарения частиц, которое начинается сразу же над поверхностью. Учёным трудно было принять такую точку зрения, потому что чёрная дыра сама по себе не состоит из каких-либо частиц, ведь всё вещество сжалось и образовало сингулярность. Откуда же взяться частицам?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте поговорим о вакууме. Принято считать, что в вакууме нет никаких частиц, хотя учёным давно известно, что это не так. Пространство напоминает улей, в котором постоянно в больших количествах рождаются частицы. Но для этого нужна значительная энергия. Откуда она берётся? Раньше мы уже говорили о том, что микромиру присуща некоторая «размытость», в том числе это относится и к энергии. Оказывается, что согласно квантовой теории закон сохранения не выполняется, если энергия «занимается» и «отдаётся» за очень короткое время. В вакууме дело обстоит именно так. Пары частиц (частица и античастица) рождаются и тут же аннигилируют. Происходит это так быстро, что мы не успеваем их непосредственно наблюдать; такие частицы носят название виртуальных.
Предположим, однако, что сразу после рождения частицы были быстро разделены; тогда они стали бы наблюдаемы. Проделать это можно при помощи достаточно сильного электрического поля. Известно, что в таком поле электрон отклоняется в одном направлении, а позитрон – в противоположном. Если пара такого типа образуется в конденсаторе (представляющем собой две пластины с противоположными по знаку зарядами, между которыми имеется электрическое поле), там, где поле достаточно мощное, должно быть большое число частиц противоположного знака, что и наблюдается на самом деле. В чёрной дыре происходит такое же разделение частиц. Сразу же за горизонтом событий действуют мощные приливные силы. Когда в этой области рождаются виртуальные частицы, они под действием приливных сил тут же разделяются и, следовательно, становятся реальными. Большинство из них упадёт на чёрную дыру, но некоторым удастся улететь в пространство, и со стороны будет казаться, что чёрная дыра испускает частицы. Поскольку многие частицы и античастицы аннигилируют, чёрная дыра будет являться источником весьма мощного излучения.
Но откуда берётся эта энергия? Она поступает из самой чёрной дыры. По мере отдачи в пространство массы и энергии будут уменьшаться соответствующие параметры чёрной дыры, т.е. она будет становиться меньше. Как показал Хокинг, при уменьшении размера интенсивность испускания излучения и частиц возрастает, иначе говоря, чёрная дыра становится всё горячей.
Проделав несложные вычисления, можно убедиться, что такой процесс испарения практически не сказывается на больших чёрных дырах (диаметром несколько километров). У них температура поверхности лишь на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, и поэтому они испаряются очень медленно. Однако у чёрной дыры с массой 1020 г температура поверхности будет уже 3 миллиона градусов. Интересно, что такая чёрная дыра будет не больше атома, а излучать станет так же, как белая дыра. Хокинг даже доказал, что чёрную мини-дыру будет невозможно отличить от белой мини-дыры; и та и другая «фонтанируют» одинаково.
Такое испарение у крошечных чёрных дыр должно протекать неторопливо; несмотря на свой размер, они обладают таким запасом энергии, что израсходовать её в виде излучения можно лишь за миллионы лет. Если бы такую дыру удалось как-то «изловить», она стала бы чрезвычайно полезным источником энергии. В последние моменты её жизни скорость выделения энергии так возрастает, что это похоже на взрыв. Подсчитано, что чёрные дыры, имевшие при образовании массу 1015 г, должны взрываться именно сейчас. Хотя по мощности такой взрыв эквивалентен взрыву бомбы в миллион мегатонн, по астрономическим масштабам это довольно скромно, и подобное событие трудно обнаружить, если только оно не происходит достаточно близко, т.е. в Солнечной системе.
Когда речь заходит о взрыве чёрных дыр, естественно, тут же возникает вопрос: а что останется после взрыва? Горизонт событий, конечно, исчезнет, однако есть основания полагать, что сингулярность в центре останется, но теперь она будет «голой». Существуют ли во Вселенной такие голые сингулярности, наверняка не известно, однако если они есть, это сулит нам серьёзные неприятности – в «кротовых норах» они могут нарушать принцип причинности.
Связь между общей теорией относительности и квантовой механикой
Один из наиболее важных аспектов открытия Хокингом излучения и рождения частиц на чёрных дырах – то, как происходит этот процесс. Чёрная дыра ведёт себя как нагретый объект, находящийся в равновесии с окружающей средой. Хокинг показал, что спектр излучения чёрных дыр описывается формулой, которую получил Планк для излучения нагретых тел. Если учесть, что формула Планка относится к области квантовой механики, а чёрные дыры описываются общей теорией относительности, то таким образом впервые устанавливается связь между основными теориями. Пока ещё всё значение этой связи ясно не до конца, но сама по себе она весьма привлекательна, и возможно, в конце концов удастся установить взаимосвязь между этими теориями, а может быть, и добиться их объединения.
Резюмируя, можно сказать, что для нас чёрные дыры очень важны как средство достижения поставленной цели – создания единой теории. Именно здесь отказывает общая теория относительности и намечается возможная связь с квантовой теорией. Однако чёрные дыры важны и с другой точки зрения. В следующей главе мы увидим, что Вселенная родилась примерно 18 миллиардов лет назад в результате колоссального взрыва. Предполагается, что центром взрыва явилась сингулярность того же типа, что и в чёрной дыре. Мы увидим, что между явлениями в ранней Вселенной и процессами, протекающими при испарении чёрных дыр, имеется неожиданное сходство.
Глава 6
Ранняя вселенная
Итак, чем ближе к находящейся в чёрной дыре сингулярности, тем хуже работает общая теория относительности. Теперь нам предстоит убедиться, что ранняя Вселенная сама вполне могла быть сингулярностью, а значит, и для неё общая теория относительности не годится.
Мы живём в расширяющейся Вселенной, которая, согласно теории Большого взрыва, возникла примерно 18 миллиардов лет назад в результате взрыва невообразимой силы. В первые мгновения после взрыва не было ни звёзд, ни планет, ни галактик – ничего кроме частиц, излучения и чёрных дыр. Короче говоря, Вселенная находилась в состоянии полнейшего хаоса со столь высокой энергией, что частицы, обладавшие гигантскими скоростями, сталкивались практически непрерывно. Это был по сути колоссальный ускоритель частиц, намного мощнее тех, которые построены в наши дни.
Теперь учёные строят всё более и более мощные установки, чтобы разобраться, как взаимодействуют высокоэнергетичные частицы. Но крупные ускорители очень дорогостоящи, а на их строительство уходят годы. Поэтому некоторые особенно нетерпеливые учёные обратились к ранней Вселенной. Её в шутку называют «ускорителем для бедных», хотя это и не самое удачное название. Если бы нам пришлось строить ускоритель на такие характерные для ранней Вселенной энергии, он протянулся бы до ближайших звёзд.
