Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Фальке Хайно

Более того: прежде чем черные дыры полностью испарятся, Вселенная с необходимостью должна умереть окончательно, стать пустой и темной, ибо каждая частица газа, каждая световая волна во Вселенной будет поддерживать рост черной дыры. На протяжении невообразимо длинных промежутков времени сверхмассивные черные дыры, такие как M87*, могут лишь увеличиваться. Излучение Хокинга M87* настолько слабо, что невозможно построить детектор, который – даже если удалось бы доставить его прямо к черной дыре – оказался бы способен за время жизни нашей Вселенной обнаружить хоть какие‐то доказательства его (излучения Хокинга) существования.

Тем не менее с чисто теоретической точки зрения черные дыры и в самом деле могут испариться, и в результате все, что когда‐то было ими захвачено, высвободится. Ничто не вечно – даже черные дыры.

При расчете излучения Хокинга наличие горизонта событий очень важно, но – если это излучение и самом деле является результатом затухания гравитационных полей, – возможно, рано или поздно подобным образом могут постепенно исчезнуть и нейтронные звезды, и даже обыкновенное вещество. Отсюда следует, что все гравитационные поля когда‐нибудь затухнут и превратятся в свет. Однако на сегодня это не более чем предположение.

В начале был свет, и не исключено, что и в конце, если до этого не произойдет нечто совершенно новое и захватывающее, во Вселенной останется только свет.

В завершение пресс-конференции, на которой мы торжественно продемонстрировали наше изображение, Карлос Моэдаш, еврокомиссар по науке, процитировал слова Стивена Хокинга: “Черные дыры не такие уж черные, как их изображают. Это не вечные тюрьмы. Материя может высвободиться из черной дыры как наружу, так и, возможно, в другую вселенную. Поэтому, ощутив себя в черной дыре, не сдавайтесь. Выход всегда есть”.

Столь обнадеживающее заявление стало удачным финалом этой знаменитой пресс-конференции. Но все же, если вернуться к мысли Хокинга, действительно ли черные дыры дают нам шанс воскреснуть, пройдя через ад? Не являются ли они чем‐то вроде чистилища на пути к истинному просветлению?

Пусть вас не вводит в заблуждение эта обманчивая надежда. Вероятность того, что после смерти и кремации налетевший вихрь соберет воедино пепел и дым и вы будете воссозданы из развеянного праха, гораздо больше вероятности вернуться назад после того, как вас заглотила черная дыра.

Однако физики-теоретики не готовы согласиться с вероятностью реализации такого практически невозможного сценария. Даже сама мысль об этом приводит их в ужас.

Исчезновение информации

У каждого времени есть свои важные задачи. Они влияют как на наше представление о мире, так и на науку. Как‐то один из моих коллег язвительно заметил, что его не удивляет, почему название для обозначения начала Вселенной, Большой взрыв, появилось вскоре после взрыва первой атомной бомбы. Сегодня мы живем в информационную эпоху и все чаще и чаще видим, как физику переписывают на языке теории информации. Самые последние вариации на эту тему: гравитацию можно описать в битах; законы природы напоминают язык программирования; или даже: вся Вселенная – это в действительности только большой компьютерный эксперимент[207]. На самом деле такие невероятные предположения не кажутся мне убедительными, но, вне всяких сомнений, теория информации стала важной составляющей естественных наук.

Все есть информация – материя, энергия и, возможно, даже черные дыры. И при этом одной из наиболее важных концепций является идея о том, что противоположно информации: отсутствие информации, беспорядок, или, на научном языке, энтропия. Суть в том, что такие концепции как свет и время, знание и невежество, случай и судьба – тесно связаны между собой.

Еще в конце XIX века австрийский ученый Людвиг Больцман занимался исследованием связи между термодинамическими величинами – такими как, например, теплота, давление, энергия, работа – и самыми маленькими частицами. Во времена Больцмана работу и энергию производили тепло и давление в паровых машинах. В паровой машине давление, приводящее в движение локомотив, создается за счет движения множества капелек водяного пара.

Частицы в бойлере похожи на играющих в надувном замке детей. Чем неистовее они скачут, тем сильнее сотрясается замок. Чем больше в замке прыгающих детей, тем сильнее давление на его стенки. Энергия и скорость отдельных детей соответствуют температуре в бойлере. В конце праздника дети устают, и энергия начинает убывать. Надувной замок перестает трястись; бойлер охлаждается.

До того как запустить детей в замок, я разделил их на две группы. Вначале я рассадил в замке спокойных ребят в синих футболках. Прозвучал свисток, игра началась, и туда ворвались дикие спортивные ребята в красных футболках. Произошло несколько крупных, но по большей части бескровных столкновений. Когда внутрь замка влетела дикая орда и все дети в красных футболках дружно навалились на заднюю стенку сооружения, оно начало угрожающе раскачиваться. В этот момент состояние в основном еще упорядоченное и энтропия низкая. Однако поскольку замок полон детей, спокойные ребятишки тоже начинают прыгать – иначе их свалят с ног, а разбушевавшиеся “красные футболки” начинают прыгать медленнее – иначе они будут сталкиваться друг с другом. Обе группы перемешиваются, свалка становится общей, ребят все труднее разделить на группы спокойных и буйных. Физики описали бы это так: надувной замок пришел в состояние теплового равновесия, и, поскольку все перемешалось – синие и красные футболки мелькают повсюду, – энтропия выросла. Если ребята снимут футболки, никто не узнает, кто к какой группе изначально принадлежал.

Нечто похожее происходит и в паровой машине. Когда бойлер, наполненный горячим воздухом, соединяют с холодным бойлером, воздух из горячего бойлера перетекает в холодный, заставляя турбину двигаться. Если перестать подавать тепло, температура бойлеров сравняется, частички газа в каждом из них будут двигаться с одинаковой скоростью, воздух больше не будет течь в одном направлении и турбина остановится. Система достигла теплового равновесия: все частицы полностью перемешаны. Упорядоченная система – горячие частицы здесь, а холодные там – превратилась в неупорядоченную; энтропия возросла, и система больше не производит работы. Физики говорят, что система термализована, что означает – полностью перемешана. Имеется одна большая масса подобных частиц, единственная характеристика которых – общая для всех температура.

Можно сказать, что беспорядок всегда только увеличивается. Для молодых родителей это одно из наиболее важных открытий, но оно относится и к физике. Увеличение беспорядка – основополагающий принцип термодинамики, который справедлив как для любой замкнутой системы, так и для любой детской. Никто никогда не станет свидетелем того, как один из двух бойлеров с одинаковой температурой спонтанно станет горячим, а другой – холодным. Точно так же кубики в детской не разделятся по цветам самопроизвольно. Чтобы уменьшить энтропию, сперва надо всегда потратить энергию. Уборка – утомительное, требующее усилий дело.

Тем не менее даже коробка со сваленными в беспорядке кубиками разных цветов не достигает состояния с максимальным уровнем энтропии. Чтобы его достичь, все кубики надо, измельчив, разделить на составные элементы, которые в финале должны излучиться в виде диффузного инфракрасного излучения. Значит, даже если в детской беспорядок, ситуация всегда может стать еще хуже.

Нам повезло, что нашей Вселенной всего несколько миллиардов лет. Если бы мы жили в бесконечно старой Вселенной, то, несмотря на все наши усилия, в ней бы царил максимальный беспорядок и полный хаос. Больше не было бы ни галактик, ни звезд, ни частиц, ни черных дыр. Свет растянулся бы до бесконечности и практически погас. Вселенная была бы не более привлекательна, чем дым от погасшей на ветру свечи в пустыне. В этом смысле конечность Вселенной безусловно является необходимым условием нашего существования.