Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Наконец, последним препятствием в создании компьютера на основе черных дыр является конечное время жизни самих черных дыр. По истечении достаточного времени черные дыры испаряются. И хотя это достаточно долгий промежуток времени, излучение Хокинга ограничивает объем вычислительной мощности, доступный в будущем.

Схемотехника на основе черных дыр

Другим способом представления сложных структур в эпоху черных дыр служит рассмотрение самогравитирующих схем, которые также можно назвать самогравитирующими устройствами. Подобные схемы напрямую связаны с компьютерами: они могут выполнять аналоговые вычисления сами и, кроме того, необходимы для комплектации большинства цифровых компьютеров.

Простая схема, известная под названием LRC-схема, содержит три основные составляющие. Первая, индуктор, обеспечивает систему инерцией и, таким образом, ведет себя подобно массе. Вторая составляющая, резистор, рассеивает энергию и тем самым создает эффект типа трения. Третья составляющая, называемая конденсатором, обеспечивает накопление заряда, а значит, и энергии. Из этих простых составляющих можно легко создать генератор — устройство, вырабатывающее электрический ток, который совершенно определенным образом изменяется во времени. Из таких генераторов вкупе с другими составляющими можно построить более сложные устройства.

Простой генератор можно соорудить из гравитирующих составляющих, существующих в эпоху черных дыр. В качестве аналога конденсатора (устройства для накопления энергии) мы используем самогравитирующее гало вращающихся по орбите тел, во многом напоминающее гало современной нам Галактики. В будущем это гало должно состоять, в основном, из черных дыр. Для того чтобы сделать схему накопления энергии на основе гало точным аналогом простого конденсатора, гало должно иметь форму, отличную от формы гало нашей Галактики. Однако колебания того или иного типа разрешает огромное множество различных гало. Остатки скоплений и сверхскоплений галактик составляют большие гравитационно связанные совокупности черных дыр — именно такие структуры необходимы для этого гало. Затем нам нужна большая масса — либо большая черная дыра, либо совокупность черных дыр, связанных в астрономическую систему, — для фактического совершения колебаний. Масса этого объекта играет в нашей схеме роль индуктора. Наконец, необходим резистор — устройство, обеспечивающее рассеяние. Если массы тел, составляющих гало, малы по сравнению с массой генератора, то гравитационные взаимодействия имеют тенденцию замедлять более крупное осциллирующее тело по мере его движения в море более мелких тел. Этот эффект называется динамическим трением и обеспечивает сопротивление нашей схемы. Таким образом, у нас есть все составляющие, необходимые для построения в будущем простой аналоговой схемы. Более того, все наши составляющие сделаны из самогравитирующих тел, имеющихся в эпоху черных дыр.

Жизнь в эпоху черных дыр

Таким образом, если в очень отдаленном будущем эпохи черных дыр могут существовать сложные машины, как насчет жизни? Могут ли в столь чужеродной среде обитать хоть какие-то живые существа? Для того чтобы размышлять о жизни в этом далеком окружении, мы должны встать на позиции оптимизма и принять тот факт, что фундаментально необходима лишь базовая структура жизни, а совсем не та реальная материя, из которой состоят знакомые нам земные формы жизни. В частности, жизнь, в основе которой лежит углерод, попросту невозможна в эту будущую эпоху, которая настанет после того, как все протоны, а значит, и все ядра углерода распадутся на более мелкие частицы. Жизнь должна будет принять другие, менее привычные, формы.

Допуская возможность существования абстрактных форм жизни, мы можем сделать несколько общих высказываний о природе такой жизни. Согласно гипотезе соответствия масштабов, выдвинутой Фрименом Дайсоном и описанной во введении, скорость метаболических процессов абстрактного существа пропорциональна температуре, при которой это существо живет. Для сознающего существа скорость его осознания, скорость, с которой это существо ощущает события своей жизни, определяется аналогичным образом: путем умножения на соответствующий коэффициент.

Максимальная температура, легко достижимая в эту будущую эпоху, будет фактической температурой поверхности звездных черных дыр. Из-за эффекта Хокинга эти объекты излучают с температурой около одной десятимиллионной градуса Кельвина, что приблизительно в три миллиарда раз меньше рабочей температуры человеческого организма (335 градусов Кельвина). Таким образом, максимально возможная рабочая температура для существа эпохи черных дыр в несколько миллиардов раз меньше температуры земных форм жизни. Если принять во внимание это температурное ограничение, максимально возможная скорость осознания ниже сегодняшней в несколько миллиардов раз.

Замедление скорости процессов обмена веществ и мышления более чем компенсируется громадным увеличением количества доступного времени. С начала эпохи черных дыр будущие формы жизни имеют в 1030 раз больше времени, чем те, что обитают в современной Вселенной. Для осознанного мышления, даже если оно будет протекать гораздо медленнее, времени будет предостаточно. Например, чтобы выговорить это предложение, может потребоваться несколько тысячелетий, а может, и много больше.

Несмотря на то, что более низкие скорости осознания легко согласуются с большим количеством доступного времени, дополнительные ограничения на возможные в будущем формы жизни накладывают соображения, связанные с энергией и энтропией. Опять-таки следуя Дайсону, мы можем определить фактическую сложность живого существа как скорость создания им энтропии в единицу субъективного времени. Энтропия служит мерой количества информации, содержащейся в какой-либо физической системе или процессе. Субъективное же время — это просто реальное физическое время, умноженное на некоторый коэффициент, определяемый температурой: эта величина учитывает замедление скоростей обмена веществ и мышления для существ, живущих при низких температурах. Таким образом, эта мера сложности представляет скорость, с которой живое существо может обрабатывать информацию.

Согласно данной схеме измерения величина фактической сложности человеческого существа составляет 1023. Чтобы получить это значение, мы используем производимую мощность приблизительно в двести ватт на человека, работающего при температуре около трехсот градусов Кельвина, и допускаем, что одно мгновение осознания соответствует одной секунде реального времени. Ради сравнения предположим, что мы считаем живым существом звездную черную дыру. Ее значение фактической сложности составило бы всего 1013. В этом смысле человеческие существа куда сложнее черных дыр: в десять миллиардов раз. Этот результат имеет важные следствия: даже если бы какая-то предполагаемая форма жизни могла использовать всю мощность звездной черной дыры, ее общая сложность была бы крайне ограниченной по сравнению с современными формами жизни.

Последние мгновения

Последние секунды черной дыры весьма впечатляющи. Когда масса и размер черной дыры уменьшаются, ее температура и скорость испарения постепенно увеличиваются. Когда масса черной дыры уменьшается до массы большого астероида, ее температура Хокинга аналогична комнатной температуре, и она излучает слабый свет в инфракрасном диапазоне. Излучив еще девяносто пять процентов своей массы, поверхность черной дыры становится такой же горячей, как Солнце. Черная дыра с температурой Солнца — интересный объект, особенно в эту тусклую предпоследнюю эпоху. Гравитация такой черной дыры, имеющей массу в 1022 граммов, не показалась бы вам особенно сильной, если бы вы не рискнули подойти достаточно близко. Если бы вы парили в десяти километрах над горизонтом событий, сила гравитации находящейся под вами черной дыры была бы чуть меньше силы гравитации, действующей на поверхности Земли. С этого расстояния в десять километров черная дыра с температурой Солнца напоминала бы тусклую звезду в ночном небе. Эту звезду невозможно было бы увидеть невооруженным глазом, но с помощью большого телескопа она была бы видна как бледная белая точка, покачивающаяся в темноте.

Даже относительно горячая черная дыра живет долго. Черная дыра с температурой Солнца проживет 1032 лет. На протяжении большей части этого времени испаряющаяся черная дыра испускает, главным образом, безмассовые частицы типа нейтрино и фотонов. Из черной дыры также появляется небольшая примесь гравитонов — безмассовых частиц, переносчиков гравитационной силы. По мере того как масса черной дыры постепенно утекает в пространство, увеличивается как ее температура, так и скорость ее испарения. С приближением конца черная дыра становится ослепительно яркой, а окончательное исчезновение этого объекта происходит во вспышке. В последнюю секунду своей жизни черная дыра преобразует в лучистую энергию почти миллион килограммов вещества. Угасая, черная дыра производит не только безмассовые частицы. Из горизонта событий появляются и более тяжелые частицы, включая электроны, позитроны, протоны и антипротоны. В самые последние мгновения образуется также множество экзотических частиц, включая, возможно, слабо взаимодействующие массивные частицы, населяющие современные гало галактик.