Теория черных дыр разрешает даже путешествия во времени. Она предсказывает, что если вы предпримете полет к черной дыре, поболтаетесь вокруг нее некоторое время, а потом вернетесь домой, то обнаружите, что вы прыгнули на несколько сотен или тысяч лет вперед по отношению к исходному времени вашего родного дома. Повторив этот маневр несколько раз, вы сможете проследить, как возвышаются и идут под уклон целые цивилизации, будете наблюдать события, происходящие с вашей планетой, как при ускоренной перемотке киноленты. Сегодня научно-фантастический мир черных дыр стал более привычным и сейчас каждый школьник знает, что пространство может быть искривленным. Но раньше любая гипотеза по поводу черных дыр казалась необычной и потрясающе заумной. И даже среди всех этих бесшабашных любителей острых ощущений Стивен выделялся своими дерзкими мыслями.
Первый вклад Стивена в физику черных дыр касался горизонта событий – ключевого понятия в определении этих экзотических объектов. Простыми словами черную дыру можно описать так: это область в пространстве, которая обладает настолько огромной гравитацией, что ничто не в состоянии выскользнуть из нее наружу. Область пространства внутри черной дыры ограничивается ее горизонтом событий. Говоря словами Роджера Пенроуза, горизонт событий черной дыры – это «самое удаленное [от центра черной дыры] местоположение, где фотоны [свет], пытающиеся покинуть дыру, втягиваются обратно силами гравитации». Название рождено земной аналогией – точно так же, как мы на нашей планете не видим Солнце после того, как оно заходит за горизонт, внешний – по отношению к черной дыре – наблюдатель не может увидеть ничего, что происходит внутри горизонта событий черной дыры.
В своих работах, посвященных черным дырам, Роджер Пенроуз облек это определение в четкую математическую форму. Его формулировка звучала разумно и вскоре стала общепринятой. Но тут на горизонте физики черных дыр появился Стивен Хокинг. Он смекнул, что горизонт событий Пенроуза есть не что иное, как, выражаясь словами Кипа [Торна], «интеллектуальный тупик».
Подход Пенроуза грешил двумя недостатками. Первый затрагивал самую суть теории относительности и касался разногласий в измерениях, проводимых разными наблюдателями. Согласно теории относительности, для различных наблюдателей изучаемые области пространства могут иметь разные размеры и выглядеть по-разному, и измеряемые промежутки времени также будут отличаться – нестыковка в данных будет зависеть от силы гравитации вблизи наблюдателей и от их движения относительно друг друга. Это может внести путаницу в анализ. Но этот недостаток можно преодолеть: исследователи могут договориться между собой и придерживаться методологии измерений, которая не будет зависеть от конкретного наблюдателя. Такой подход снимает многие неопределенности. Во-первых, он гарантирует, что разные наблюдатели будут открывать одинаковые законы и перед их взором предстанут одинаковые явления. Кроме того, это упрощает математический аппарат. И наконец, – возможно, это самое важное – благодаря этому подходу нам становится гораздо проще интерпретировать полученные уравнения. А если пользоваться определением Пенроуза, граница черной дыры для разных наблюдателей будет выглядеть по-разному. Например, искатель приключений, погружающийся в глубь черной дыры, скорее всего, увидит горизонт событий по-иному, чем более осторожный путешественник, оставшийся снаружи. И чему же в таком случае отдать предпочтение? У вас будут два разных горизонта – зависит от того, откуда смотреть.
Другая проблема, связанная с подходом Пенроуза, заключается в скачкообразном изменении параметров горизонта событий в рамках его определения. Например, если черная дыра станет больше за счет того, что на нее упадет порция нового вещества, горизонт событий внезапно увеличится в размерах. В сложных ситуациях – таких, как столкновение двух черных дыр – эти резкие изменения будут неожиданными и весьма трудными для интерпретации.
Пенроуз знал о существовании этих проблем, но не отказывался от своего определения горизонта событий. В начале 1971 года Стивен Хокинг предложил более продуктивный способ истолкования его природы. Стивен призвал рассматривать горизонт событий не как область пространства в данный момент времени, – как это делал Пенроуз, – а как область в пространстве-времени. Таким образом, Стивен по-новому определил горизонт событий – а именно, как границу в пространстве и во времени, за которую не могут выходить такие сигналы, как световые лучи, и не могут попасть в отдаленные области Вселенной. Он доказал математически, что благодаря такому определению устраняются оба слабых звена, имеющихся в подходе Пенроуза. Граница черной дыры будет одной и той же для всех наблюдателей, она будет меняться плавно, не испытывая никаких скачков.
В чем же заключается разница между этими двумя определениями горизонта событий? Представьте себе черную дыру и летающие вокруг нее фрагменты вещества, суммарная масса которых очень велика. Пока они носятся снаружи, но вскоре будут захвачены и поглощены черной дырой[6]. Представьте также, что поблизости от черной дыры оказалась небольшая космическая ракета. Космонавт пытается преодолеть притяжение черной дыры и отлететь на безопасное расстояние. Для этого он включает реактивные двигатели на полную мощь, чтобы ускорить движение. Он пока еще вне черной дыры и есть надежда, что ему удастся ускользнуть от нее. Однако в тот момент, когда окружающее черную дыру вещество с огромной массой будет проглочено ею, дыра станет больше. Как только ее масса вырастет в достаточной степени, черная дыра своим притяжением захватит ракету. Космонавту не удастся вырваться из черной дыры.
Если описывать эти события с точки зрения Пенроуза, ракета вначале находится вне горизонта событий черной дыры. Мгновение спустя, когда огромная масса вещества падает внутрь, горизонт событий «подпрыгивает», и ракета оказывается внутри него. Вначале горизонт событий Пенроуза не отражает тот факт, что ракете не удастся вырваться из тисков черной дыры; это становится ясно только после того, как громадная масса «плюхнулась» в ее недра.
Что происходит с ракетой, если пользоваться тем определением горизонта событий, которое дает Стивен Хокинг? В рамках этого определения, если ракете суждено быть проглоченной черной дырой, чья масса возросла, то событие это не является сюрпризом. Дело в том, что горизонт событий Хокинга будет включать в себя ракету с самого начала. Другими словами, горизонт событий расширяется до того, как на черную дыру падает вещество. Поведение его зависит не только от состояния дел в настоящем, но и от того, что произойдет в будущем. Таким образом, здесь нарушаются законы причинно-следственных связей: следствие (увеличение горизонта событий черной дыры) предшествует причине (падению массы).
Определение горизонта событий с точки зрения Стивена требует знания полной истории пространства-времени, включая будущее, хотя на практике теми объектами, которые находятся далеко в пространстве и во времени, можно пренебречь. Такое определение, в котором нечто происходящее сейчас обусловлено развитием событий в будущем, в физике называется телеологическим. Физики позаимствовали это слово из философии – философы используют его для объяснения явлений не с точки зрения сиюминутной причины, а руководствуясь конечной целью того, что происходит сейчас.
Философы размышляли над телеологическими законами природы, по крайней мере, начиная с Аристотеля. Естествознание учит нас, что дождь начинается потому, что влага в облаках конденсируется в капельки воды, которые тяжелее воздуха. Но, по Аристотелю, у дождя иная причина: дождь идет для того, чтобы могли произрастать растения, которыми питается человек. Будущие запросы, полагал Аристотель, формируют настоящее. В большей или меньшей степени – в зависимости от склада характера – мы все принимаем решения в нашей жизни именно таким образом. Например, если вам предлагают съесть за ланчем кусочек чизкейка, можно не идти на поводу у сиюминутной прихоти, а принять во внимание меню будущего обеда. В физике, однако, силы действуют и тела реагируют на них в согласии с условиями, существующими в настоящем времени. Поэтому, хотя телеологические идеи и являются частью нашей повседневной жизни, они редко используются в физике. Телеологическое определение, данное Стивеном горизонту событий, – это сокровище, рожденное его творческой изобретательностью. Именно научное бесстрашие Стивена позволило ему пробудить к жизни и разработать идею, которая другими учеными, включая Пенроуза, была сброшена со счетов.
На первый взгляд может показаться, что нюансы того, как именно теоретики определяют понятие горизонта событий черной дыры, не очень важны. Ведь формулировка того или иного термина – это выбор физиков, а не постулат, подобный закону природы. Но принципы, которые мы изобретаем, влекут за собой идеи, которые мы выдвигаем, и выводы, которые мы делаем из этих идей. Определение, данное Стивеном, оказалось мощным рычагом для рывка вперед и было широко воспринято другими учеными. Оно послужило путеводной звездой для их интуиции и сформировало в их воображении картины процессов, происходящих в черной дыре. Стивен назвал свой горизонт событий «абсолютным горизонтом», чтобы отличить его от «видимого» горизонта событий Пенроуза. Дав новое определение горизонту событий, Стивен по существу переосмыслил не только понятие горизонта, но и подход к изучению черных дыр.
Вооружившись новым принципом по отношению к черным дырам, Стивен с неукротимым упорством начал исследовать законы, следующие из общей теории относительности и управляющие черными дырами. Он, бывало, отключался на несколько дней кряду. Джейн пыталась заговаривать с ним о повседневных делах, но его не интересовало ничего, кроме мира физики. Она хотела получить от него уверение в том, что по-прежнему важна для него, но он был глух. Он без конца ставил на проигрывателе оперу Вагнера и работал под музыку – так же, как тогда, когда он узнал свой диагноз, так же, как делали его родители, когда он был ребенком. Джейн возненавидела Вагнера. Он стал для нее «злым гением», силой, внесшей раскол в их супружескую жизнь.