Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики - Леонард Сасскинд

В 1972 году я воображал, что, хотя классическая черная дыра имеет строго определенную форму, квантовые флуктуации могут заставить ее горизонт подрагивать. По идее, форма невращающейся черной дыры — это идеальная сфера, но квантовые флуктуации должны быть способны на короткое время деформировать ее, придавая сплюснутый или вытянутый вид. Более того, иногда флуктуации могут быть столь велики, что черная дыра почти превращается в пару сфер меньшего размера, соединенных тонкой перемычкой. Из этого состояния ей легко разделиться. Тяжелые атомные ядра спонтанно распадаются подобным образом, почему бы такому не случиться с черной дырой? В классике этого не может случиться, так же как автомобиль не может спонтанно перепрыгнуть через барьер. Но запрещено ли это абсолютно? Я не видел тому никаких причин. Подождите достаточно долго, рассуждал я, и черная дыра должна разделиться на две дыры поменьше.

Мое представление о распаде черной дыры

Теперь вернемся в кафе «Уэст Энд». Заказав пиво, я ждал Фейнмана около получаса. Чем больше я думал, тем осмысленнее все это мне казалось. Черная дыра может распасться путем квантового туннелирования сначала на две части, затем на четыре, восемь и, в конце концов, на огромное число микроскопических частей. В свете квантовой механики было бессмысленно верить в вечность черных дыр.

Фейнман вошел в кафе за одну-две минуты до срока и подошел к моему столику. Я чувствовал себя хозяином и заказал два пива.

Прежде чем я успел заплатить, он достал бумажник и положил нужную сумму. Не знаю, оставил ли он чаевые. Потягивая пиво, я заметил, что стакан Фейнмана не касается стола. Начав с изложения своих аргументов, я закончил, сказав, что черные дыры должны в конце концов распадаться на крошечные куски. Чем бы они могли быть? Хотя это осталось непроизнесенным, единственным разумным ответом были элементарные частицы, такие как фотоны, электроны и позитроны.

Фейнман согласился, что нет никаких препятствий к тому, чтобы такое происходило, но он считает, что я нарисовал ошибочную картину. Первое деление черной дыры я представил как распад на два более или менее равных фрагмента. Каждый из них снова делился пополам, пока фрагменты не становились микроскопическими.

Проблема в том, что для разделения на части большой черной дыры потребовалась бы гигантская квантовая флуктуация. Фейнман чувствовал, что более правдоподобной была картина, в которой горизонт делится на часть, почти равную исходному горизонту, и вторую микроскопическую часть, которая улетает прочь. По мере повторения этого процесса черная дыра будет постепенно уменьшаться, пока от нее ничего не останется. Это звучало убедительно. Откалывание крошечного кусочка горизонта кажется намного более вероятным, чем распад черной дыры на два крупных фрагмента.

Фейнмановское представление о распаде черной дыры

Беседа продолжалась около часа. Я не помню ни как мы попрощались, ни был ли какой-то план развивать эту идею. Я встретил льва, и он меня не разочаровал.

Поразмышляй мы больше над этой задачей, то могли бы понять, что гравитация, скорее всего, притянет крошечные фрагменты обратно к горизонту. Некоторые выброшенные фрагменты могут сталкиваться с падающими. Область непосредственно над горизонтом окажется сложной мешаниной сталкивающихся фрагментов, нагревающейся за счет повторяющихся столкновений. Мы могли бы даже догадаться, что область над самым горизонтом будет кишеть массивными частицами, образующими горячую атмосферу. И можно было бы додуматься, что эта горячая масса будет вести себя как любой разогретый объект, то есть рассеивать энергию в виде теплового излучения. Но мы этого не сделали. Фейнман вернулся к своим партонам, а я — к вопросу о том, что удерживает кварки внутри протонов.

Теперь пришло время рассказать, что же в точности означает термин «информация». Информация, энтропия и энергия — эти три неразделимые концепции будут предметом следующей главы.

7

Энергия и энтропия

Энергия — это оборотень. Подобно мифическим созданиям, способным превращаться из человека в животное, растение, камень, энергия тоже может менять свою форму. Кинетическая, потенциальная, химическая, электрическая, ядерная и тепловая — это лишь некоторые из множества форм, которые может принимать энергия. Она постоянно переходит из одной формы в другую, но одно неизменно: энергия сохраняется; полная сумма по всем формам энергии никогда не меняется.

Вот некоторые примеры ее превращений.

♦ Сизиф стоит в низшей энергетической точке. Прежде чем в бессчетный раз толкать свой камень вверх по склону, он останавливается отдохнуть и подкрепиться медом. Достигнув же вершины, приговоренный богами царь наблюдает, как камень под действием гравитации в бессчетный плюс один раз катится вниз. Бедный Сизиф обречен вечно превращать химическую энергию (мед) в потенциальную энергию, а затем в кинетическую энергию. Но подождите, а что происходит с кинетической энергией камня, когда тот скатился и остановился у подножия холма? Она превратилась в тепло. Часть тепла ушла в атмосферу, часть — в землю. Даже Сизиф согрелся от усилий. Сизифов цикл преобразования энергии:

химическая → потенциальная → кинетическая → тепловая.

♦ Вода падает с Ниагарского водопада и набирает скорость. Поток, насыщенный кинетической энергией, попадает в водозабор турбины, где вращает ротор. Вырабатывается электричество и по проводам поступает в сеть. Какова схема трансформации энергии? Вот она:

потенциальная → кинетическая → электрическая.

Вдобавок часть энергии бесполезно превращается в тепло: выходящая из турбины вода теплее входящей.

♦ Эйнштейн провозгласил, что масса — это энергия. Утверждая, что Е = mc2, Эйнштейн имел в виду, что каждый предмет содержит скрытую энергию, которую можно извлечь, если каким-то образом изменить его массу. Например, ядро урана спонтанно распадается на ядро тория и ядро гелия. Торий и гелий вместе имеют чуть меньшую массу, чем исходный уран. Этот небольшой избыток массы превращается в кинетическую энергию ядер тория и гелия, а также в несколько фотонов. Когда атомы замедляются, а фотоны поглощаются, избыток энергии становится теплом.

Из всех обычных форм энергии тепло — самая загадочная. Что это? Это субстанция, подобная воде, или что-то более эфемерное? До появления современной молекулярной теории теплоты физики и химики считали ее субстанцией, ведущей себя подобно жидкости. Они называли ее флогистоном и представляли, что она перетекает от горячих объектов к холодным, охлаждая тем самым горячие и нагревая холодные. Поэтому мы до сих пор говорим о потоках тепла.

Но тепло — не субстанция, это форма энергии. Сожмитесь до размера молекулы и осмотритесь кругом в ванне, наполненной горячей водой. Вы увидите молекулы, беспорядочно движущиеся и сталкивающиеся в непрекращающемся хаотическом танце. Подождите, пока вода остынет, и осмотритесь снова: молекулы стали двигаться медленнее. Охладите их до точки замерзания, и молекулы соединятся в кристалл твердого льда. Но даже в нем молекулы продолжают колебаться. Они прекращают движение (если не считать квантовых нулевых колебаний) только тогда, когда будет отведена вся энергия. Дальше этой точки абсолютного нуля — минус 273,15 градуса Цельсия — температура воды понижаться не может. Каждая молекула жестко зафиксирована на своем месте в идеальной кристаллической решетке, все бестолковые хаотические движения прекратились.

Принцип сохранения энергии при ее превращениях между теплом и другими формами называется первым началом термодинамики.

Вряд ли можно назвать удачной идею припарковать свой BMW в дождевом лесу на пятьсот лет. Вернувшись, вы обнаружите лишь кучу ржавчины. Это и есть рост энтропии. Если оставить кучу ржавчины еще на пятьсот лет, вы можете быть совершенно уверены, что она не превратится снова в работающий BMW. Если кратко, то второе начало термодинамики говорит: энтропия возрастает. Об энтропии говорят все — поэты, философы, компьютерщики, — но что же это такое? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим более внимательно разницу между BMW и кучей ржавчины. То и другое состоит примерно из 1028 атомов, в основном железа (а в случае ржавчины еще и кислорода). Представим, что вы берете эти атомы и случайно их перемешиваете. Каковы шансы, что они соединятся в форме работающего автомобиля? Нужно немало труда, чтобы рассчитать, насколько именно это невероятно, но, я думаю, все согласятся, что вероятность подобного очень низка. Очевидно, будет гораздо вероятнее получить кучу ржавчины, чем новенькую машину. Или даже старую и ржавую. Если разделить атомы, а потом смешивать их снова, и снова, и снова, вы в конце концов получите автомобиль, но прежде получится куда больше ржавых куч. Почему? Что такого особенного в автомобиле? Или в куче ржавчины?