Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

В квантовой теории не все так тихо, как кажется. Как мы увидим в главе «10^–120», безмолвная пустота космоса на самом деле представляет собой бурлящий суп из виртуальных частиц, с шумом появляющихся и исчезающих. На самом деле это даже вовсе не частицы: в реальности они представляют собой своеобразный «кризис самоопределения». Когда мы говорим о реальной частице, мы имеем в виду локализованную волну в каком-то конкретном поле: фотон – в электромагнитном; гравитон – в гравитационном; электрон – в «электронном». Проблема в том, что квантовая механика может размыть это описание, – по крайней мере, если два поля умеют взаимодействовать друг с другом. Если нейтрон движется через гравитационное поле, это не всегда просто волна в нейтронном поле, какую-то часть времени он обеспечивает также волнение гравитационного поля. Точно так же волны гравитационного поля часть своего времени колеблют нейтронное поле. Проведем аналогию. Представьте двух людей из очень разных слоев общества: один (Левша) вырос в социалистической среде, другой (Правша) – в гораздо более консервативной. Представьте Левшу как некую волну «левого» поля, а Правшу – «правого». Оба продукты своей среды, воспитанные так, что они уверены в истинности собственной идеологии. А потом они встречаются и начинают взаимодействовать. Они разумные люди, поэтому не только говорят, но и слушают. В результате бывают моменты, когда их четкая определенность ослабляется. Левша по-прежнему остается левым, но иногда делает паузу и задумывается о широком воздействии своих радикальных идей на экономику. Правша по-прежнему предпочитает считать себя консерватором, но иногда его беспокоят социальная справедливость и проблемы неравенства. Примерно так же вы можете представлять виртуальные частицы – как описанное загрязнение идей. Однако такое заигрывание с другими идеологиями продолжается недолго: Левша всегда оказывается верен своим социалистическим идеалам, а Правша – своему консерватизму. Так и с виртуальными частицами: вы никогда не найдете ту, за которую можно цепляться вечно. Волна в других полях – всегда временное явление.

Хокинг размышлял о таком загрязнении в окрестностях черной дыры и понял нечто замечательное: то, что вы считали исключительно временным, иногда становится постоянным. Если пара таких виртуальных частиц образуется вблизи горизонта черной дыры, одна из них может упасть в дыру, а другая ускользнуть. Беглец, навсегда разлучившийся со своим партнером, становится настоящей частицей – остатком, за который можно ухватиться. Она ведет себя точно так же, как если бы ее испустил горизонт событий, вытягивая энергию из гравитационного поля и немного ослабляя его. В результате возникает поток излучения, называемый излучением Хокинга, и черная дыра испаряется.

Хокинг сумел показать, что его излучение придает черной дыре некоторую температуру, и с помощью определенной термодинамической гимнастики вывел формулу энтропии. С научной точки зрения это был удивительно смелый шаг: по тем временам его предложение выглядело крайне радикально. Однако смелый гений Хокинга оказался вознагражден, и теперь его идеи признаны повсеместно.

Объявив, что черные дыры на самом деле не черные, поскольку испускают какое-то излучение, Хокинг тут же ошеломил всех еще раз: квантовая механика нарушается.

Во многих странах есть конституция – базовый набор правил, установленных отцами-основателями, которые изложили собственное видение будущего молодой нации. То же верно и для нации квантовой механики. У нее есть своя конституция – ряд фундаментальных постулатов, написанных пионерами квантовой теории, среди которых Бор, Гейзенберг, Борн и Дирак. Одно из этих фундаментальных правил гласит, что ничто никогда не теряется: то, что входит, должно выйти. Хокинг понял, что черная дыра, похоже, игнорирует это утверждение: она начинается как чистое квантовое состояние, а заканчивает свои дни в виде излучения, которое он описывал как смешанное состояние. В предыдущей главе мы уже сталкивались с чистыми и смешанными состояниями. Чистые состояния сообщают вам все, что нужно знать о квантовой системе, – в отличие от смешанных, когда некоторая информация отсутствует. Фокус в том, что квантовая конституция запрещает любую потерю чистоты: вы не можете перейти от чистого состояния к смешанному, потому что информация не должна просто исчезать. Она всегда должна где-то остаться, даже если ее трудновато обнаружить. Казалось, что черные дыры восстают против квантовой механики.