Согласно Хокингу, такой же процесс происходит на краю черных дыр. Горизонт событий – берег океана пространства-времени. Черная дыра выступает в роли шторма, а гравитационная энергия заменяет энергию ветра.
В своих публичных лекциях Хокинг описывал этот процесс примерно так: на краю черной дыры рождаются пары близнецов – частиц и античастиц, – которые занимают энергию у ее сильного магнитного поля. Прежде чем они смогут отдать свой долг и аннигилировать, один из близнецов исчезает за горизонтом событий. Его выживший собрат уже не может объединиться со своим “антиблизнецом” и исчезает в необъятных просторах космоса. Временно образовавшаяся пара частиц внезапно становится одной постоянной частицей.
Но теперь эта частица не может вернуть взятую в долг энергию – сделка стала невыгодной. Черная дыра одолжила две частицы, а обратно получила только одну. В результате она теряет энергию и массу: словно бы устойчивый легкий ветерок сдувает частицы с ее поверхности. Так в ветреный день можно почувствовать, что где‐то рядом океан. Создается впечатление, будто черная дыра испускает излучение. Это – излучение Хокинга, о существовании которого ныне покойный британский ученый впервые заговорил в 1975 году.
Однако представление Хокинга о частице и античастице несколько неточно. В первую очередь оно объясняет метод расчета, используемый в квантовой механике. По сути дела, излучаются не частицы, а преимущественно фотоны, то есть свет с длиной волны, превышающей размер самой черной дыры. Кроме того, излучение испускается не прямо на горизонте событий, а исходит, скорее, из широкой области, окружающей черную дыру. Таким образом, это то же самое, как если бы источником излучения было гравитационное поле.
С формальной точки зрения излучение черной дыры можно описать и как тепловое излучение. Накрытая чашка горячего кофе через какое‐то время остынет, хотя от нее не идет пар. Это следствие теплового излучения чашки. Атомы на нагретой поверхности начинают слегка вибрировать, что приводит к испусканию квантовых частиц света. В 1900 году немецкий физик Макс Планк описал характерные особенности такого излучения, заложив тем самым основы квантовой механики. Планк связал квантовую механику с термодинамикой. Он показал, что любой непрозрачный темный объект независимо от его состава и формы излучает при нагревании.
Следовательно, посредством излучения, соответствующего в основном ближнему инфракрасному диапазону, чашка горячего кофе демонстрирует нам квантовую физику “в действии”. Излучая, она теряет энергию и постепенно остывает. Наши глаза не могут видеть такой свет, но тепловизоры могут. В то же время наши руки ощущают это излучение еще до того, как мы прикоснемся к чашке. Образно говоря, невидимый свет позволяет нам почувствовать квантовые колебания внутри чашки.
В математическую формулу, описывающую тепловое излучение, входит только температура, причем выглядит эта формула всегда одинаково: чем выше температура, тем выше частота света. Именно поэтому железо, когда его нагревают, сначала излучает в невидимом инфракрасном диапазоне, затем в видимом красном, затем становится желтым, а потом – белым: цвет меняется в соответствии с ростом температуры. Звезды горячее даже расплавленной стали и потому могут иметь голубой оттенок.
Испускаемое черными дырами излучение Хокинга может быть, по крайней мере теоретически, тем же тепловым излучением. Поэтому черной дыре можно приписать температуру, и эта температура зависит от ее массы. Чем черные дыры меньше, тем горячее они кажутся. Согласно Хокингу, если масса черной дыры порядка 0,5 процента массы Луны, она будет примерно такой же горячей, как чашка свежезаваренного кофе, и количество испускаемого ею излучения тоже будет примерно таким же. (Заметим, что при всей схожести вкус у них все‐таки будет разный.)
В результате излучения Хокинга черные дыры теряют энергию, а значит и массу – ведь согласно самой известной формуле Эйнштейна масса это, в конечном счете, энергия. Но в отличие от чашки с кофе, остывающей за счет теплового излучения, излучающая черная дыра становится все горячее. Чем меньше черная дыра, тем выше ее температура и тем сильнее испускаемое ею излучение. В какой‐то момент она исчерпывает себя и взрывается, излучив практически бесконечное количество тепла. Это может объяснить, почему, как полагают, в природе не существует маленьких черных дыр. Черная дыра с массой, равной массе двух дизельных локомотивов (что составляет 160 тонн), за счет собственного излучения проживет не дольше секунды.
Иначе обстоит дело с астрофизическими черными дырами. Черная дыра с массой порядка массы астероида Икар – около 100 миллионов тонн – просуществует примерно столько же, сколько и вся Вселенная. Жизнь черной дыры с массой Солнца продлится 10 67 лет, а для исчезновения M87* потребуются невообразимые 10 97 лет.
Я честно пытался найти способ продемонстрировать, что значат такие цифры, но это попросту невозможно. Однако попробуйте все же представить себе следующее: мы соберем в одном гигантском бассейне всю массу всей известной Вселенной – поместим туда все существующие в космическом пространстве звезды, планеты и туманности, а затем раз в десять миллиардов лет (примерно таков возраст нашей Вселенной) будем вынимать оттуда совсем крошечную порцию материи, повторяя это действие до тех пор, пока не вычерпаем весь бассейн. Так вот: Вселенная исчезнет в десять миллионов раз быстрее, чем M87* испарится за счет излучения Хокинга.
Более того: прежде чем черные дыры полностью испарятся, Вселенная с необходимостью должна умереть окончательно, стать пустой и темной, ибо каждая частица газа, каждая световая волна во Вселенной будет поддерживать рост черной дыры. На протяжении невообразимо длинных промежутков времени сверхмассивные черные дыры, такие как M87*, могут лишь увеличиваться. Излучение Хокинга M87* настолько слабо, что невозможно построить детектор, который – даже если удалось бы доставить его прямо к черной дыре – оказался бы способен за время жизни нашей Вселенной обнаружить хоть какие‐то доказательства его (излучения Хокинга) существования.
Тем не менее с чисто теоретической точки зрения черные дыры и в самом деле могут испариться, и в результате все, что когда‐то было ими захвачено, высвободится. Ничто не вечно – даже черные дыры.
При расчете излучения Хокинга наличие горизонта событий очень важно, но – если это излучение и самом деле является результатом затухания гравитационных полей, – возможно, рано или поздно подобным образом могут постепенно исчезнуть и нейтронные звезды, и даже обыкновенное вещество. Отсюда следует, что все гравитационные поля когда‐нибудь затухнут и превратятся в свет. Однако на сегодня это не более чем предположение.
В начале был свет, и не исключено, что и в конце, если до этого не произойдет нечто совершенно новое и захватывающее, во Вселенной останется только свет.
В завершение пресс-конференции, на которой мы торжественно продемонстрировали наше изображение, Карлос Моэдаш, еврокомиссар по науке, процитировал слова Стивена Хокинга: “Черные дыры не такие уж черные, как их изображают. Это не вечные тюрьмы. Материя может высвободиться из черной дыры как наружу, так и, возможно, в другую вселенную. Поэтому, ощутив себя в черной дыре, не сдавайтесь. Выход всегда есть”.
Столь обнадеживающее заявление стало удачным финалом этой знаменитой пресс-конференции. Но все же, если вернуться к мысли Хокинга, действительно ли черные дыры дают нам шанс воскреснуть, пройдя через ад? Не являются ли они чем‐то вроде чистилища на пути к истинному просветлению?
Пусть вас не вводит в заблуждение эта обманчивая надежда. Вероятность того, что после смерти и кремации налетевший вихрь соберет воедино пепел и дым и вы будете воссозданы из развеянного праха, гораздо больше вероятности вернуться назад после того, как вас заглотила черная дыра.
Однако физики-теоретики не готовы согласиться с вероятностью реализации такого практически невозможного сценария. Даже сама мысль об этом приводит их в ужас.
Исчезновение информации
У каждого времени есть свои важные задачи. Они влияют как на наше представление о мире, так и на науку. Как‐то один из моих коллег язвительно заметил, что его не удивляет, почему название для обозначения начала Вселенной, Большой взрыв, появилось вскоре после взрыва первой атомной бомбы. Сегодня мы живем в информационную эпоху и все чаще и чаще видим, как физику переписывают на языке теории информации. Самые последние вариации на эту тему: гравитацию можно описать в битах; законы природы напоминают язык программирования; или даже: вся Вселенная – это в действительности только большой компьютерный эксперимент[207]. На самом деле такие невероятные предположения не кажутся мне убедительными, но, вне всяких сомнений, теория информации стала важной составляющей естественных наук.
Все есть информация – материя, энергия и, возможно, даже черные дыры. И при этом одной из наиболее важных концепций является идея о том, что противоположно информации: отсутствие информации, беспорядок, или, на научном языке, энтропия. Суть в том, что такие концепции как свет и время, знание и невежество, случай и судьба – тесно связаны между собой.
Еще в конце XIX века австрийский ученый Людвиг Больцман занимался исследованием связи между термодинамическими величинами – такими как, например, теплота, давление, энергия, работа – и самыми маленькими частицами. Во времена Больцмана работу и энергию производили тепло и давление в паровых машинах. В паровой машине давление, приводящее в движение локомотив, создается за счет движения множества капелек водяного пара.
Частицы в бойлере похожи на играющих в надувном замке детей. Чем неистовее они скачут, тем сильнее сотрясается замок. Чем больше в замке прыгающих детей, тем сильнее давление на его стенки. Энергия и скорость отдельных детей соответствуют температуре в бойлере. В конце праздник