Начнем с того, что порог, ныне именуемый «горизонт событий», отделяет некую область, где пространство и время «меняются местами» посредством обмена знаками (с положительного на отрицательный для пространства и наоборот для времени). Как нечто может проникнуть через столь экстравагантную границу? Кроме того, если динамика колоссальной звезды выглядела достаточно сложной, то что могло гарантировать, что ее ядро сожмется в компактный объект, описанный настолько простым решением Шварцшильда, где в счет идут только масса и радиус?
Математик Мартин Крускал, которого Уилер знал по проекту «Маттерхорн», помог объяснить природу горизонта событий черной дыры переделкой уравнения Шварцшильда в пределах новой системы координат. В пересмотренной системе координат горизонт событий вовсе не является барьером, это проницаемая мембрана, через которую может пройти что угодно (двигаясь внутрь, по крайней мере).
Крускал в частном порядке поведал Уилеру о своих находках, и тот оказался столь впечатлен, что все записал и отправил статью в Physical Review под фамилией автора, ничего тому заранее не сказав. Получив корректуру, Крускал сильно удивился, но в конечном итоге дал добро на публикацию.
Последовавшая работа Мизнера, физика Дэвида Финкльштейна и студента Мизнера Дэвида Бэкедорфа показала, что горизонт событий является однонаправленным порталом. Все, что угодно, может войти, но ничто не в состоянии выйти, даже свет. Открытие это стало основой для доклада Мизнера «Бесконечное красное смещение» и послужило одной из причин того, что словосочетание «черные дыры» сделалось в конечном итоге научным термином.
Уилер удостоверился в правильности результатов и уделил много внимания математическим моделям сжатия тяжелых звезд, которые выглядели тем материалом, из чего возникают черные дыры. Он также отметил вывод Роя Керра от 1963 года, касающийся решения для черных дыр, поскольку тот включил в рассмотрение не только массу, но и вращение. Последним шагом стала схема Эзры Ньюмана, ведь он учел не только массу, вращение, но еще и заряд, создав таким образом полную модель.
Само собой, Джон ознакомился и с выводами Пенроуза от 1965 года, что конечным результатом катастрофического гравитационного сжатия будет, в определенном случае, пространственно-временная сингулярность – центральная точка бесконечной плотности. Взвесив все доказательства, Уилер из скептика в отношении черных дыр превратился в их сторонника.
Проблема с каонами
Конференция «Природа времени» подчеркнула резкий контраст между обратимостью времени в масштабе фундаментальных частиц и его необратимостью в макромире. Эта дихотомия, помимо прочего, побудила Хогарта оживить теорию поглощения Уилера – Фейнмана, опиравшуюся на баланс из сигналов, путешествующих вперед и назад во времени, и показать, как она может объяснять космологическую стрелу времени.
Гости конференции знали, как нарушается симметрия пространственной инвариантности в определенных процессах, но при этом были уверены, что очевидным образом неизменны симметрии более высокого порядка (заряд-пространство или заряд-пространство-время). В комбинированном виде эти инвариантности означали, что временная симметрия тоже соблюдается.
Но эта «священная идея» быстро рухнула в мире физики частиц.
Кронин и Фитч в эксперименте 1964 года показали, как нарушается симметрия заряд-пространство в некоторых процессах, связанных со слабым взаимодействием, и происходит это внезапно. Их открытие продемонстрировало, что даже в мельчайшем масштабе дороги времени являются односторонними.
Эксперимент включал запись того, как распадаются нейтральные каоны (к-мезоны). В большинстве ситуаций такие частицы распадаются на три пиона, но иногда они делятся только на два. Это происходит в одном случае из тысячи, но тем не менее показывает, что нечто, считавшееся невозможным, на самом деле вполне вероятно.
Подобное отклонение было бы невозможным, если бы инвариантность заряд-пространство соблюдалась всегда, поскольку парные процессы оставались бы теми же самыми при обмене зарядов, но не при зеркальном отражении. Инвариантность заряд-пространство означает, что если одна из симметрий нарушается, то должна быть нарушена и вторая, чтобы сохранить их комбинацию.
С другой стороны, любое нарушение симметрии заряд-пространство, неважно, насколько слабое, означает, что временная симметрия тоже более не является абсолютной.
Однако нарушенная симметрия может объяснить иные нарушения баланса. Например, в наши дни существует куда больше материи, чем антиматерии, все звезды и галактики состоят целиком из материи. Антиматерию мы встречаем крайне редко, в виде крошечного компонента космических лучей, падающих на нашу планету. Чем можно объяснить такое расхождение?
Многие ученые считают, что нарушение симметрии заряд-пространство на ранней стадии существования вселенной повинно в том, что большая часть антиматерии исчезла.
В бешеном котле Большого взрыва материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах. Поскольку вселенная была очень горячей и плотной, частицы и античастицы постоянно аннигилировали друг друга, формируя фотоны и другие лишенные массы частицы обмена, ну а те, в свою очередь, трансформировались в пары «частица-античастица», образуя компоненты великого галактического цикла.
Но вселенная понемногу остывала, и электрослабое взаимодействие подверглось нарушению симметрии, в котором частицы обмена, связанные со слабым взаимодействием (именуемые W-, W+ и Z0), получили массу, в то время как фотоны, переносящие электромагнетизм, остались без массы. «Тяжесть» частиц обмена слабого взаимодействия определила то, что эта сила стала действовать на очень короткой дистанции.
Ну а кроме того, поскольку не всегда сохранялась симметрия заряд-пространство, природа стала немного несбалансированной. На протяжении эонов времени это привело к все более увеличивающемуся приоритету материи над антиматерией, и кончилось тем несоответствием, которое мы наблюдаем сегодня.
Тот, кто принял нобелевку без желания
Важные экспериментальные находки, такие как обнаружение Пензиасом и Уилсоном реликтового излучения, или открытие Кронином и Фитчем нарушения симметрии заряд-пространство при распаде нейтральных каонов, часто привлекают внимание Нобелевского комитета в Стокгольме. Новые теоретические методы и озарения не выглядят столь очевидными, на них смотрят реже.
В случае с квантовой электродинамикой в 1955 году Уиллис Лэмб и Поликарп Куш разделили Нобелевскую премию за экспериментальное открытие, которое породило целую область физики, а конкретно за Лэмбовский сдвиг и аномальный магнитный момент электрона.
Десятилетием позже стало ясно, насколько ценны диаграммы Фейнмана, его же интеграл по траекториям и другие техники, которые он внес в изучение частиц, насколько важными были методы перенормировки Джулиана Швингера и Синъитиро Томонаги, и какой большой вклад внесла работа Фримена Дайсона в то, чтобы собрать все три подхода под одним зонтом. Каждый год Нобелевский комитет имеет право вручить награду лишь трем индивидуумам или организациям, и, к несчастью, это привело к тому, что Дайсона не включили в список.
В 1965 году премия по физике была поделена между Швингером, Томонагой и Фейнманом за «их фундаментальную работу в квантовой электродинамике с глубокими последствиями для физики элементарных частиц»116.
У Ричарда было смутное подозрение, что он может наконец получить премию. Однако когда посреди ночи на него обрушились телефонные звонки с поздравлениями от разных репортеров, он пришел в возбуждение и раздражение, ведь он делал эту работу ради развлечения, а не ради славы.
К этому времени Фейнман вел счастливую, размеренную жизнь, наслаждался своими хобби вроде игры на барабанах или рисования. В последнем его все так же наставлял Зортян, и им требовались модели для набросков, в основном молодые женщины.
Жена доверяла Ричарду и никогда его не ревновала.
Одной из моделей Фейнмана стала молодая студентка магистратуры по направлению «астрофизика», Вирджиния Тримбл, фото которой попало в выпуск журнала «Лайф» от октября 1962 года как символ того, что красота может сочетаться с умом. Вирджиния оказалась одной из первых женщин, поступивших в Калтех, она занялась свойствами звезд и туманностей под руководством Гвидо Мюнха.
Фейнман встретил ее и предложил позировать за плату.
Как вспоминает сама Тримбл: «Фейнман заметил меня однажды, когда я шагала через кампус, двигаясь на встречу с Мюнхом (это произошло около старого здания астрономического факультета), и сказал что-то вроде: «Я охочусь. Может быть, ты знаешь жертву?» И таким образом, обычно по вторникам я приходила к нему в дом на пару часов, получала $5,50 за час (немало в те дни!) и всю физику, которую могла переварить. Гвинет приносила нам апельсиновый сок и печенье посредине сессии»117.
Тримбл в конечном итоге стала профессором астрофизики в университете Калифорнии (Ирвин) и вышла замуж за профессора из университета Мэриленда (и бывшего студента Уилера) Джо Вебера. Много лет спустя они вместе посетили устроенную в Калтехе выставку работ Фейнмана и наткнулись на набросок Вирджинии.
«Джо бросил критический взгляд на изображение моей обнаженной спины, – вспоминала она, – после чего заявил, что где-то я видел эту задницу».
Тримбл не забыла, как последствия объявления лауреатов очередной Нобелевской премии разрушили планы Фейнмана рисовать ее тем вечером: «Фейнман пришел ко мне в офис около восьми утра в тот день, чтобы отменить назначенную на вечер сессию. Откровенно говоря, я уже знала, что ничего не получится, поскольку моя мать слушала радио и позвонила мне в шесть. Мы всегда были ранними пташками, а Фейнман – нет. Только тем утром он влез в пиджак и даже повязал галстук. А когда магистранты попросили его выступить с докладом специально для них, он выбрал тему теорию поглощения излучения, часть его диссертации под руководством Уилера»