Холодильник Эйнштейна

Теперь вернемся к горизонту событий черной дыры, этой странной односторонней двери, ведущей прочь из нашего региона пространства. Дело в том, что именно там ученые обнаружили самое причудливое воплощение законов термодинамики. История об этом открытии начинается с имени одного из немногих в истории людей, превосходящих свой ореол славы. Это Стивен Хокинг.

* * *

Летом 1962 года здоровый молодой студент сидел перед экзаменационной комиссией в Оксфордском университете. Двадцатилетний Стивен Хокинг готовился к получению степени бакалавра. Его преподаватель физики сказал об экзаменаторах: “Они были достаточно умны, чтобы понять, что говорят с человеком, который гораздо умнее большинства из них”. Вскоре после этого Хокинг переехал из Оксфорда в Кембридж, чтобы приступить к работе над докторской диссертацией, и остался там на всю жизнь. Однако вскоре после переезда у Хокинга стали проявляться симптомы болезни двигательного нейрона, серьезного дегенеративного заболевания, которое обрекло его на жизнь с усугубляющейся потерей подвижности. Сначала он лишился способности ходить, а затем — даже возможности самостоятельно питаться. В конце концов ему пришлось дышать через трубку, вставленную в горло. История о том, как Хокинг принял шокирующий диагноз и преодолел огромные трудности, вызванные инвалидностью, чтобы совершить прорыв в области теоретической физики, производит необыкновенное впечатление.

В конце 1960-х и начале 1970-х годов Хокинг сотрудничал с блестящим оксфордским специалистом по математической физике Роджером Пенроузом. Вместе они углубили представления о том, каким образом в соответствии с общей теорией относительности шло формирование Вселенной на заре ее существования, а также изучили многие аспекты черных дыр. К 1970 году эта работа привела Хокинга к непростому осознанию, что черные дыры, возможно, имеют связь с термодинамикой. Это было вызвано работой, проведенной с целью показать, что не существует очевидного способа сделать так, чтобы горизонт событий черной дыры стал меньше.

Причина такова: при падении в черную дыру любого объекта, от звезд и планет до пролетающих мимо космических кораблей, ее масса возрастает. В таком случае сила тяготения, действующая на поток пространства вокруг, увеличивается. Следовательно, по мере увеличения массы черной дыры скорость “потока пространства” достигает скорости света на все большем расстоянии от центра этой черной дыры. Радиус горизонта событий становится больше. Однако ничто не может покинуть черную дыру и тем самым уменьшить ее массу. Таким образом, радиус горизонта событий не может стать меньше. Хокинг заметил поразительное сходство между поведением горизонта событий и поведением энтропии. Ни горизонт событий, ни энтропия никогда не уменьшаются.

Но Хокинг считал это совпадением. Он полагал, что горизонт событий не может быть связан с энтропией, просто потому что все объекты, имеющие энтропию, теплые. Представьте сосуд с газом. Если он обладает энтропией, значит, атомы газа постоянно перемещаются, оказываясь в разных энергетически неразличимых состояниях. Именно так энтропию определяли Людвиг Больцман и Джозайя Уиллард Гиббс. Газ может обладать нулевой энтропией лишь в том случае, если его молекулы неподвижны. Однако по определению это также значит, что их температура равна абсолютному нулю. Суть в том, что если молекулы обладают энтропией, то они движутся, а следовательно, имеют температуру. По этой логике, чтобы обладать энтропией, черная дыра должна иметь температуру, как и газ. Это, в свою очередь, значит, что она должна излучать теплоту. Но это кажется невозможным, поскольку ничто, включая теплоту, не может выходить за горизонт событий.

В 1971 году Хокинг опубликовал статью, в которой признал, что существует сходство между областью горизонта событий и энтропией: представляется, что только они во всей Вселенной неизбежно увеличиваются и никак не могут становиться меньше. Но это просто совпадение, заявил Хокинг, поскольку черная дыра не может излучать тепло, а потому не может обладать энтропией.

Однако Хокинг не знал, что годом ранее в одном из кабинетов Института перспективных исследований в Принстоне, в штате Нью-Джерси, состоялся разговор, в котором прозвучало предположение, что это, возможно, не так. В беседе участвовали молодой аспирант Джейкоб Бекенштейн и его научный руководитель Джон Уилер.