Холодильник Эйнштейна

Бекенштейн описал GSL в своей докторской диссертации, которую представил на рассмотрение Уилеру через несколько месяцев после их разговора. Позже Уилер вспоминал о своей реакции на работу: “Довольно часто в своей карьере я узнавал, что порой оказывается более странной, чем должна была бы быть в нашем представлении. Я сказал Джейкобу: «Ваша идея настолько безумна, что, возможно, верна. Вам следует опубликовать работу”». Так Бекенштейн и сделал.

И все же, когда статья Бекенштейна вышла в 1972 году, мало кто воспринял ее всерьез. Да, Бекенштейн продемонстрировал математическую связь между энтропией черной дыры и площадью ее горизонта событий, но при этом не учел, что энтропия предполагает, что черная дыра должна излучать теплоту. Никто не верил, что такое возможно. “Наступили два одиноких года, — вспоминал Бекенштейн в своей автобиографии. — В то время идея об энтропии черной дыры была еще слишком нова, и большинство людей, слышавших о ней, называли ее полной чепухой. Некоторые даже говорили, что я напрасно теряю время”.

Стивен Хокинг тоже не обрадовался, прочитав статью Бекенштейна. Он несколько лет изучал общую теорию относительности и полагал, что в соответствии с ней черные дыры никак не могут отдавать теплоту. Вместе с двумя коллегами он немедленно написал новую статью, объясняя, в чем Бекенштейн неправ. Хокинга особенно возмутило, что принстонский физик сослался на его работу. “Должен признаться, что эта статья писалась отчасти под влиянием раздражения, вызванного работой Бекенштейна, который, как я считал, злоупотребил открытым мною ростом площади горизонта событий”[31], — пояснил Хокинг в своем бестселлере “Краткая история времени”.

Через год события приняли неожиданный оборот. В сентябре 1973 года Хокинг посетил Москву и обсудил черные дыры с двумя ведущими советскими физиками, Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. На обратном пути в Англию Хокинг пришел к выводу, что поднятые в этих разговорах идеи помогут доказать, что черная дыра не может излучать теплоту, а следовательно, не может и обладать энтропией. Однако, приступив к расчетам, он к своему “удивлению и досаде” обнаружил, что результаты, похоже, не оправдывают его надежд. “Я боялся, что если об этом узнает Бекенштейн, то он этим воспользуется для дальнейшего обоснования своих соображений об энтропии черных дыр, которые мне по-прежнему не нравились”, — писал он. Чем больше Хокинг работал, тем сильнее убеждался, что Бекенштейн на самом деле прав. Черные дыры не только излучают теплоту, но и излучают ее ровно в таком количестве, которое необходимо, чтобы площадь горизонтов их событий действительно можно было считать мерой их энтропии. К началу 1974 года Хокинг развил свои идеи в полноценную теорию. Она привела его к знаменитому сегодня открытию, что все черные дыры испускают “излучение Хокинга”.

Но как Хокинг понял, что, хотя ничто, даже свет, не может выбраться за пределы горизонта событий, черная дыра все же может излучать теплоту вопреки этому принципу? Дело в том, что Хокинг решил изучить горизонт событий черной дыры с точки зрения квантовой теории. В то время большинство физиков полагало, что черные дыры, массивные космические объекты, подчиняющиеся принципам общей теории относительности, не имеют связи с квантовой теорией. В конце концов, квантовая теория — ключ к микроскопическому миру внутри атома. Однако у Хокинга было чувство, отчасти рожденное его беседами в Москве, что если изучить пустое пространство на границе и вокруг горизонта событий черной дыры с точки зрения квантовой теории, то можно узнать нечто интересное. Понять логику Хокинга непросто. Чтобы примерно представить, что он сделал, нам необходимо рассмотреть одно из самых причудливых следствий знаменитого “принципа неопределенности” квантовой физики — так называемую энергию вакуума.

Как видно из названия, вакуум не инертен, а находится в состоянии активного бурления. В любую секунду в нем вдруг появляются всплески энергии, которые заимствуют свою энергию из какого-то мгновения будущего. Обычно мы не имеем информации об этих флуктуациях, поскольку всплеск положительной энергии нейтрализуется всплеском отрицательной, следующим сразу за ним. Отрицательная энергия — странная вещь, но она существует! Эти всплески энергии принимают множество форм. Они могут проявляться в форме частиц, таких как электроны и позитроны, а также как кванты электромагнитной энергии — фотоны.

Хокинг предположил, что на границе горизонта событий черной дыры и сразу за ней с этой “нейтрализацией” возникают проблемы. Пространство и время там чрезвычайно сильно искривлены, и потому часть создаваемой отрицательной энергии отрывается от положительной энергии, которую в обычных обстоятельствах она бы уничтожала. Выживающая в результате положительная энергия может свободно излучаться из черной дыры. Отрицательная энергия падает в нее. Поскольку эта энергия отрицательна, в результате она делает черную дыру менее массивной.