Краткие ответы на большие вопросы - Хокинг Стивен - Страница 2

В Москве Стивен покорил Зельдовича и других ученых своими теориями; в свою очередь Стивен кое-что почерпнул у Зельдовича. Больше всего мне запомнился день, который мы провели с Зельдовичем и его аспирантом Алексеем Старобинским в номере Стивена в гостинице «Россия». Зельдович в общих чертах рассказывал об их поразительных открытиях, а Старобинский объяснял их с точки зрения математики.

Для вращения черной дыры необходима энергия. Нам это уже было известно. Черная дыра, как они объясняли, может рождать частицы, и эти частицы разлетаются, унося с собой энергию вращения. Это было ново и удивительно – но не сильно удивительно. Если объект обладает энергией движения, природа естественным образом находит способ извлечь ее. Мы уже знали другие способы извлечения вращательной энергии черных дыр; это был просто новый, хотя и неожиданный способ.

Самая большая ценность таких бесед в том, что они дают толчок новому направлению мыслей. Так произошло и со Стивеном. Он несколько месяцев размышлял над открытием Зельдовича – Старобинского, рассматривая его с разных сторон, пока в один прекрасный день его не озарила поистине гениальная мысль: после того как черная дыра перестает вращаться, она продолжает испускать частицы. Она может излучать, словно она горячая, как Солнце, хотя на самом деле не очень горячая, а скорее умеренно теплая. Чем тяжелее дыра, тем ниже ее температура. Дыра массой с Солнце обладает температурой в 0,00000006 К, или в 0,06 миллионных градуса выше абсолютного нуля. Формула для расчета этой температуры теперь выгравирована на надгробии Стивена в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, где его прах покоится между могилами Исаака Ньютона и Чарльза Дарвина.[1]

Эта «Температура Хокинга» черной дыры и ее «Излучение Хокинга» (как их стали называть позже) – поистине радикальные открытия; возможно, самые радикальные в теоретической физике второй половины ХХ века. Мы увидели глубокую связь между общей теорией относительности (черные дыры), термодинамикой (физика тепла) и квантовой физикой (создание частиц там, где их не существовало). Например, это навело Стивена на мысль, что черная дыра обладает энтропией, а это означает, что где-то внутри или вокруг черной дыры существует огромная хаотичность. Он пришел к выводу, что количество энтропии (логарифм степени хаотичности дыры) пропорционально площади поверхности дыры. Формула энтропии[2] выгравирована на памятнике Стивену перед колледжем Гонвиль и Киз в Кембридже, где он работал.

Последние сорок пять лет Стивен и сотни других физиков стремились понять истинную природу хаотичности черной дыры. Это вопрос, который порождает новые мысли об объединении квантовой теории с общей теорией относительности, а если точнее, о плохо еще понимаемых законах квантовой теории гравитации.

Осенью 1974 года Стивен перевез своих аспирантов и семью (жену Джейн и детей – Роберта и Люси) в Пасадену, Калифорния, чтобы на год погрузиться в интеллектуальную жизнь моего университета – Калифорнийского технологического (Калтех) – и временно присоединиться к моей исследовательской группе. Это был славный год, который потом стали называть «золотым веком исследований черных дыр».

В течение этого года Стивен со своими и некоторыми из моих учеников старался глубже понять природу черных дыр. До некоторой степени я и сам занимался этой проблемой. Но присутствие Стивена и его ведущая роль в нашей объединенной исследовательской группе дали мне свободу заняться новым направлением (о чем я мечтал уже несколько лет) – гравитационными волнами.

Существует лишь два типа волн, которые способны перемещаться во Вселенной и доносить до нас информацию из ее глубин: электромагнитные (в том числе свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи, микроволны, радиоволны) и гравитационные волны.

Электромагнитные волны – это пульсирующие электрические и магнитные силы, которые перемещаются со скоростью света. Встречаясь с заряженными частицами, такими как как электроны в антенне радиоприемников и телевизоров, они приводят эти частицы в движение, тем самым передавая содержащуюся в них информацию. Эта информация может быть усилена и направлена в динамик или на телевизионный экран, становясь доступной для человеческого восприятия.

Гравитационные волны, согласно Эйнштейну – это пульсация искривленного пространства: пульсирующее растяжение и сжатие пространства. В 1972 году Райнер (Рай) Вайсс из Массачусетского технологического института изобрел детектор гравитационных волн. В этом устройстве, представляющем собой Г-образную вакуумную трубку, на концах и в месте изгиба располагались зеркала, которые в одном отрезке расходились благодаря расширению пространства, а в другом сходились благодаря сжатию пространства. Райнер предложил использовать лазерный луч для измерения характера пульсаций при расхождении и сжатии. Лазерный луч может извлечь информацию из гравитационных волн, а сигнал затем может быть усилен и передан в компьютер, чтобы стать доступным человеческому пониманию.

В основе изучения Вселенной с помощью электромагнитных телескопов стоит изобретение Галилеем небольшого оптического телескопа. Направив его на Юпитер, Галилей обнаружил четыре крупнейших спутника этой планеты. За четыре сотни лет, прошедших с тех пор, астрономия полностью преобразила наши представления о Вселенной.

В 1972 году я со своими учениками начал размышлять, о том, что можно узнать о Вселенной с помощью гравитационных волн. Мы стали разрабатывать идеи для гравитационно-волновой астрономии. Поскольку гравитационные волны – это форма искривления пространства, наиболее интенсивно их испускают объекты, которые полностью или частично состоят из искаженного пространства-времени, в частности именно черные дыры. Мы пришли к выводу, что гравитационные волны – идеальный инструмент для изучения и проверки гипотез Стивена о природе черных дыр.

В более широком смысле нам казалось, что гравитационные волны настолько сильно отличаются от электромагнитных волн, что благодаря им мы почти гарантированно сможем совершить новую революцию в понимании Вселенной, возможно, сопоставимую по масштабам с электромагнитной революцией, произошедшей после Галилея, – если эти неуловимые волны удастся обнаруживать и отслеживать. Но это значительное «если»: по нашим оценкам, гравитационные волны, которые окутывают Землю, настолько слабы, что зеркала в концах Г-образной трубки, придуманной Раем Вайссом, будут колебаться относительно друг друга не более чем на одну сотую диаметра протона (это 1/10 000 000 размера атома), даже если расстояние между зеркалами будет составлять несколько километров. Сложность измерения столь незначительных колебаний была колоссальной.

В общем, в течение того славного года, когда Стивен работал с моей исследовательской группой, я в основном занимался гравитационно-волновыми перспективами. Стивен помог мне в этом, поскольку сам со своим аспирантом Гэри Гиббонсом за несколько лет до этого спроектировал гравитационно-волновой детектор (но они его так и не построили).

Вскоре после возвращения Стивена в Кембридж я целую ночь разговаривал с Раем Вайссом в номере его вашингтонского отеля и окончательно убедился, что шансы на успех в области изучения гравитационных волн весьма велики и я должен посвятить свою дальнейшую карьеру, как и будущие исследования моих аспирантов, помощи Раю и другим экспериментаторам в осуществлении наших гравитационно-волновых идей. Остальное, как говорится, вошло в историю.

Четырнадцатого сентября 2015 года гравитационно-волновой детектор в обсерватории LIGO зарегистрировал первые гравитационные волны (сооснователями проекта, в котором было задействовано 1000 человек, являются Рай, я и Рональд Древер, а организатором и руководителем процесса был Барри Бариш).[3] Сравнив волновые характеристики с полученными на компьютерном симуляторе, наша команда пришла к выводу, что волны возникли от столкновения двух массивных черных дыр, которое произошло в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Это стало началом гравитационно-волновой астрономии. Наша команда достигла с гравитационными волнами того, что Галилей достиг с электромагнитными.