Окончательно в реальности этого физического процесса меня убедило то, что исходящие частицы имели строго тепловой спектр. Черная дыра создает и излучает частицы и излучение, как если бы она была обычным нагретым телом с температурой, пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Это делало предположение Бекенштейна о том, что черная дыра имеет конечную энтропию, вполне состоятельным, поскольку оно подразумевало, что черная дыра может находиться в тепловом равновесии при некой конечной температуре, отличной от нуля.
С того времени математическое свидетельство того, что черные дыры могут излучать тепловой спектр, было подтверждено рядом людей с разными подходами. Один из путей понимания этого излучения таков. Квантовая механика говорит, что все пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц, которые постоянно рождаются парами, расходятся, а затем снова соединяются и аннигилируют друг с другом.
Эти частицы называются виртуальными, потому что в отличие от реальных частиц они не могут быть непосредственно обнаружены детектором частиц. Тем не менее, косвенное воздействие таких частиц может быть измерено, и их существование подтверждается, в частности, небольшим сдвигом, который они производят в спектре света, излучаемого возбужденными атомами водорода (он называется лэмбовским сдвигом). Когда такая пара рождается в окрестности черной дыры, одна из частиц может упасть в черную дыру, оставив другую без партнера для аннигиляции. Позабытая частица (или античастица) может упасть в черную дыру вслед за своим партнером, но может оказаться и перед горизонтом и ускользнуть наружу, где она будет зарегистрирована как нечто, излученное черной дырой.
Еще один взгляд на этот процесс состоит в том, чтобы рассмотреть одну из пары частиц, проваливающуюся в черную дыру, допустим античастицу, как на частицу, выходящую из черной дыры, но следующую назад во времени. Когда такая частица достигает момента, в который пара частица-античастица родилась, она рассеивается гравитационным полем и далее следует во времени вперед.
Черная дыра с массой Солнца будет испускать частицы так медленно, что их будет невозможно обнаружить. Однако могут существовать черные минидыры много меньшего размера. Они могли образоваться в очень ранней вселенной, если она была хаотичной и неупорядоченной. Черная дыра массой с гору будет излучать рентгеновские лучи и гамма-лучи с мощностью около 10 миллионов мегаватт, которой достаточно для обеспечения энергетических потребностей всей Земли. Однако запрячь черную минидыру непросто. Ее нельзя хранить на электростанции, потому что она провалится сквозь пол и остановится только в центре Земли. Единственная возможность – держать такую черную дыру на орбите вокруг Земли.
Люди искали черные минидыры, но пока не нашли. Жаль, а то я получил бы Нобелевскую премию. С другой стороны, не исключено, что черные микродыры можно создавать в дополнительных измерениях пространства-времени.
Согласно некоторым теориям, вселенная, которую мы ощущаем, всего лишь четырехмерная поверхность в 10– или 11-мерном пространстве. Мы не увидим эти дополнительные измерения потому, что свет не распространяется через них, но только через четыре измерения нашей вселенной. Однако гравитация может влиять на дополнительные измерения и будет там намного сильнее, чем в нашей вселенной. Поэтому создавать черные дыры в других измерениях может быть намного проще. Возможно, это удастся наблюдать на БАК, Большом адронном коллайдере, который находится в ЦЕРН в Швейцарии. Он состоит из кругового туннеля длиной 27 км. Два пучка частиц следуют по этому туннелю в противоположных направлениях и сталкиваются. В некоторых из этих столкновений, возможно, родятся черные микродыры, излучение которых позволит ясно идентифицировать их. Так что, в конце концов, я могу и получить Нобелевскую премию.
По мере того как частицы покидают черную дыру, она будет терять массу и сокращаться. Это ускорит излучение частиц. Со временем черная дыра потеряет всю свою массу и исчезнет. Что тогда случится со всеми частицами и невезучими астронавтами, которые провалились в черную дыру? Они не могут просто появиться снова, когда черная дыра исчезнет. Частицы, которые исходят от черной дыры, совершенно случайны и не имеют никакого отношения к тому, что упало внутрь. Получается, что информация о том, что упало внутрь, потеряна, за исключением общей массы и момента вращения. Но если информация теряется, это поднимает серьезный вопрос, бьющий в сердце нашего понимания науки.
Более 200 лет мы верили в научный детерминизм – что законы науки определяют эволюцию вселенной. Это было сформулировано Лапласом как «если мы знаем состояние вселенной на какой-то момент, законы науки определят ее во все прошлые и будущие времена[8]». Говорят, Наполеон спросил Лапласа, как Бог вписывается в эту картину. Лаплас ответил – «Сир, я не нуждался в этой гипотезе». Я не думаю, что Лаплас утверждал, что Бога нет. Он просто не вмешивается в течение законов науки. Такой должна быть позиция каждого ученого. Закон науки – это не закон науки, если он действует, лишь пока какое-нибудь сверхъестественное существо не вмешивается и позволяет вещам идти своим чередом.
В детерминизме Лапласа было необходимо знать положение и скорость частиц в определенное время, чтобы предсказать будущее. Но, согласно соотношению неопределенности, чем точнее вы знаете положение, тем менее точно вы знаете скорость, и наоборот. Другими словами, вы не можете точно знать одновременно и положение, и скорость. Как же тогда точно предсказать будущее?
Ответ в том, что, хотя нельзя предсказать положения и скорости по отдельности, можно предсказать то, что называется квантовым состоянием. Это нечто, из чего можно вычислить и положения, и скорости с определенной степенью точности. Мы все же ожидаем, что вселенная детерминирована в том смысле, что если мы знаем квантовое состояние вселенной в определенный момент, законы науки позволят нам предсказать ее состояние в любой другой момент.
Если бы информация терялась в черных дырах, мы бы не могли предсказать будущее, потому что черная дыра могла бы испускать любой набор частиц. Она может испустить работающий телевизор или томик Шекспира в кожаном переплете, хотя шансы такого экзотического излучения очень малы. Скорее всего, это будет тепловое излучение, как свечение от нагретого докрасна металла. Может показаться, что не столь важно, что мы не можем предсказать, что выйдет из черной дыры. Вблизи нас нет черных дыр. Но это вопрос принципа.
Если детерминизм ломается в черных дырах, он может ломаться и в других ситуациях. Могли бы быть виртуальные черные дыры, которые появляются как флуктуации из вакуума, поглощают один набор частиц, испускают другой и снова пропадают в вакууме. Хуже того, если детерминизм ломается, мы не можем знать и своего прошлого. Учебники по истории и наша память могут быть лишь иллюзиями. Прошлое говорит нам, кто мы. Без него мы теряем свою идентичность.
Поэтому чрезвычайно важно было выяснить, в самом ли деле информация теряется в черных дырах, или ее в принципе можно восстановить. Многие ученые чувствовали, что информация не должна теряться, но никто не мог предложить механизм, как ее сохранить. Споры продолжались годами. В конце концов, я нашел то, что мне кажется ответом. Он зависит от идеи Ричарда Фейнмана, что есть не одна история, а множество возможных историй, каждая со своей вероятностью.
В этом случае есть два типа истории. В одном есть черная дыра, в которую могут попадать частицы, но в другом черной дыры нет. Дело в том, что снаружи нельзя быть уверенным, есть черная дыра или нет. Так что всегда есть шанс, что черной дыры нет. Этой возможности достаточно для сохранения информации, но информация не возвращается в удобном для прочтения виде. Это как сжечь энциклопедию. Информация не потеряна, если сохранить весь дым и пепел, но читать трудно. Кип Торн и я заключили пари с Джоном Прескиллом, что информация в черной дыре теряется. Когда я узнал, как информация может быть сохранена, я признал свой проигрыш. Я отдал Джону Прескиллу энциклопедию. Может быть, надо было отдать ему пепел от нее.
Что это говорит нам о том, возможно ли провалиться в черную дыру и оказаться в другой вселенной? Существование альтернативных историй с черными дырами говорит о том, что это в принципе возможно. Дыра должна быть большой, и если она вращается, в ней может быть проход в другую вселенную. Но вернуться в нашу вселенную невозможно. Так что, хотя я нацелен на полет в космос, пробовать такие вещи не стану.
Смысл моей лекции в том, что черные дыры не настолько черные, какими кажутся. Они – не вечные тюрьмы, как мы когда-то думали. Вещи могут выходить из черных дыр, и наружу и, возможно, в другую вселенную. Так что если чувствуете, что вы в черной дыре, не сдавайтесь. Выход есть.
Кип ТорнЧерные дыры: самые яркие объекты во вселенной – но никакого света!
Кип Стивен Торн родился в Логане, штат Юта, 1 июня 1940 года. Он получил степень бакалавра в Калтехе в 1962 году и докторскую степень в Принстонском университете в 1965 году. В 1970 году он стал профессором теоретической физики, в 1981 году занял должность Кеннановского профессора, а в 1991 году – Фейнмановского профессора теоретической физики. В июне 2009 года Торн ушел в отставку (оставшись почетным Фейнмановским профессором), чтобы начать карьеру в литературе и кино, а также продолжать научные исследования. Его главный нынешний проект – учебник по классической физике в соавторстве с Роджером Блендфордом, а главный кинопроект – фильм «Интерстеллар» (режиссер Кристофер Нолан). Основная тема нынешних исследований Торна – изучение нелинейного динамического поведения искривленного пространства-времени с использованием компьютерного моделирования и аналитических вычислений. Исследования Торна посвящены физике гравитации и астрофизике, с упором на релятивистские звезды, черные дыры и гравитационные волны. В конце 60-х и начале 70-х годов он заложил основы теории пульсации релятивистских звезд и излучаемых им