Вселенная Стивена Хокинга

Моя работа над проблемой черных дыр началась в 1970 году с великолепной догадки, которая осенила меня, когда я укладывался в постель, буквально через несколько дней после рождения моей дочери Люси. Я вдруг понял, что к черным дырам можно применить теорию причинной структуры, разработанную мной для решения теорем по сингулярности. В частности, тогда было доказано, что площадь горизонта событий, который, по сути, является границей черной дыры, постоянно возрастала. При столкновении и слиянии двух черных дыр площадь конечной черной дыры превышает сумму площадей горизонтов двух исходных дыр. Это и другие свойства, которые мы открыли вместе с Джимом Бардином и Брэндоном Картером, указывали на то, что площадь горизонта событий может выступать в качестве меры энтропии черной дыры. С ее помощью можно было рассчитать, сколько внутренних состояний черной дыры можно наблюдать на ее поверхности. С другой стороны, площадь не могла быть мерой энтропии, так как если допустить, что черные дыры обладают энтропией, они должны иметь температуру и светиться, как это происходит со всеми нагретыми телами. Но все считали, что черные дыры абсолютно черные и не испускают ни света, ни чего-либо другого.

Это был восхитительный период, кульминацией которого стала летняя школа в Лез-Уш 1972 года, во время которой мы решили большую часть основных проблем теории черных дыр. Так, вместе с Дэвидом Робинсоном мы доказали «теорему об отсутствии волос», согласно которой черные дыры можно охарактеризовать всего двумя классическими параметрами – массой и угловым моментом вращения. Это вновь наталкивало на мысль о наличии у черных дыр энтропии, так как множество звезд могут коллапсировать, образуя черные дыры с одинаковой массой и угловым вращением.

Астрофизики шутят: эту картинку я напечатал на футболках, которые получили Кип Торн и Джон Прескилл. (Надпись на полотенце: «Природа не терпит голых сингулярностей».)

Эта теория была разработана прежде, чем были получены результаты наблюдения черных дыр, и это доказывало ошибочность мнения Фейнмана о том, что любая область активного исследования должна основываться на эксперименте. Единственное, что так и не удалось доказать, так это гипотезу о космической цензуре, хотя и все попытки опровергнуть ее не имели успеха. Но именно она является фундаментом для всех работ, так или иначе связанных с изучением черных дыр, поэтому я был крайне заинтересован в ее справедливости. Я даже заключил пари с Кипом Торном и Джоном Прескиллом. Его я пока не выиграл, но проиграть могу, если кому-нибудь удастся выдвинуть стоящий контраргумент против «голой» сингулярности. На самом деле я проиграл начальную версию данного пари, так как был недостаточно внимателен к формулировкам. Торн и Прескилл, однако, не слишком обрадовались футболке, которую я предложил им в качестве выигрыша.

Мы настолько преуспели в развитии классической общей теории относительности, что после выхода в свет книги «Крупномасштабная структура пространства-времени» в 1973 году у меня появилось свободное время. Наша работа с Пенроузом показала, что общая теория относительности в буквальном смысле разбивалась о проблему сингулярностей. Поэтому мне казалось логичным объединить общую теорию относительности, описывающую крупномасштабные явления, с квантовой теорией, имевшей дело с явлениями микроскопическими. Но мои познания в области квантовой механики были ничтожны, и решить проблему сингулярности в то время с налета не представлялось возможным. Поэтому для начала я решил рассмотреть, как частицы и поля, подчиняющиеся канонам квантовой теории, поведут себя вблизи черных дыр. В частности, мне было интересно, возможно ли получить атом, ядром которого будет крошечная первичная черная дыра, образовавшаяся в ранней Вселенной.

Астрофизики шутят: пари с Джоном Прескиллом

Чтобы ответить на этот вопрос, я изучил процесс рассеивания квантовых полей в непосредственной близости к черной дыре, ожидая, что часть случайной волны будет поглощена, а часть рассеется. Но, к своему изумлению, я обнаружил, что из черной дыры, по всей видимости, исходит излучение. Сначала я решил, что допустил ошибку в расчетах, но тот факт, что излучение было именно таким, чтобы отождествить площадь горизонта событий с энтропией черной дыры, убедил меня в обратном. Все сводилось к весьма простой формуле:

S = Ac³/4ћ

G,

где S – энтропия, а А – площадь горизонта событий. Это выражение строится на трех фундаментальных постоянных: c – скорости света, G – ньютоновской гравитационной постоянной и ћ – постоянной Планка и указывает на наличие не предполагавшейся ранее глубокой связи между гравитацией и термодинамикой.