Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - [42]

Итак, здесь общая теория относительности отказывает, и для объяснения таких явлений нужна новая теория. В следующей главе мы увидим, что та же проблема возникает в связи с ранней Вселенной.

Открытие испарения чёрных дыр

До сих пор мы говорили о чёрных дырах, образовавшихся в результате коллапса массивных звёзд. Но есть чёрные дыры другого типа. Чтобы понять, как они возникают, вспомним ранние стадии Большого взрыва. Около 18 миллиардов лет назад вся масса Вселенной заключалась в бесконечно массивном исходном ядре – сингулярности Вселенной. Внезапно эта сингулярность потеряла устойчивость и взорвалась, в результате чего образовалась Вселенная.

Одним из важных вопросов, связанных с этим взрывом, является такой: был ли взрыв абсолютно однородным или в нём возникли флуктуации плотности? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно оглядеться. Та галактика, в которой мы живём, и те, что нас окружают, свидетельствуют о том, что взрыв не мог быть однородным, потому что иначе галактик не было бы вовсе. Вселенная состояла бы из однородного расширяющегося газа. Если же предположить, что в процессе взрыва возникли неоднородности, то вполне вероятно, что часть вещества сжалась, образовав сгустки, тогда как другая часть вещества расширялась. Такие сгустки могли сжаться до размеров чёрных дыр, но в отличие от чёрных дыр, образовавшихся при коллапсе, их радиус не обязательно равен нескольким километрам. Некоторые из них могут быть совсем маленькими, куда меньше протона, другие – огромными, с массой порядка массы галактики. Чтобы отличать такие чёрные дыры от тех, что образовались при коллапсе звёзд, их называют реликтовыми чёрными дырами.

В течение долгих лет они вызывают интерес учёных: одни считают, что маленькие чёрные дыры могли сталкиваться с Землёй, другие полагают, что они – ядра странных тяжёлых атомов. Вычисления показывают, что если бы такая маленькая чёрная дыра столкнулась с Землёй, то прошла бы насквозь и произошло бы только два небольших взрыва – один при входе в Землю, другой при выходе с другой стороны. Впрочем, у нас нет доказательств, что это когда-либо случалось.

Одно из самых замечательных открытий, сделанное в физике чёрных дыр в последние несколько лет, связано с такими маленькими чёрными дырами. Джейкоб Бекенштейн, изучая в 1972 году термодинамику чёрных дыр, обратил внимание на то, что их поверхностная температура больше абсолютного нуля (абсолютный нуль, или 0 K – самая низкая температура во Вселенной). Но результат казался бессмысленным: всё, что оказывается рядом с чёрной дырой, затягивается в неё, и ничего не может вылететь оттуда. Следовательно, она не может ничего испускать, в том числе и излучение, и должна иметь температуру 0 K. Бекенштейн решил не принимать во внимание этот результат и считать его ошибкой в расчётах. Однако Стивен Хокинг из Кембриджского университета проверил расчёты и нашёл, что всё верно: температура чёрной дыры выше 0 K. В отличие от Бекенштейна Хокинг применил квантовую теорию и показал, как растёт температура. «Парадокс не поддавался объяснению, пока в 1974 году я не занялся изучением поведения вещества в окрестности чёрной дыры, применив квантовую механику. К своему изумлению я обнаружил, что чёрные дыры должны постоянно испускать частицы. Я приложил массу усилий, чтобы избавиться от этого ненужного эффекта. В реальности такого процесса меня убедило то, что спектр излучения полностью совпадал со спектром тепловых нейтронов», – писал он.

Хотя ранее Хокинг уже внёс значительный вклад в физику чёрных дыр, знаменитостью в научном мире его сделал именно эффект испарения чёрных дыр. Родился он в 1942 году, детство провёл в Лондоне и Сент-Олбансе. Отец Хокинга был врачом, специалистом по тропическим болезням. Но не биология, а физика заинтересовала Стивена, и он решил стать учёным, хотя и не пошёл по стопам отца. Позднее, впрочем, он творил, что если бы в те времена молекулярная биология достигла сегодняшнего уровня, он, возможно, занялся бы ею.

Несмотря на любовь к науке, в школе Хокинг не блистал, был средним учеником, редко делал конспекты и иногда даже засыпал на занятиях. Закончив школу, Хокинг подал заявление с просьбой принять его на физико-математический факультет Оксфордского университета. Экзамен по физике он сдал с лёгкостью, с математикой дело обстояло не так хорошо, но всё же в студенты его зачислили. Его лень не уменьшилась, и он часто пропускал лекции, считая их несущественными, хотя много занимался с «тьюторами» – прикреплёнными преподавателями, и позднее говорил, что именно под их руководством получил большую часть своих знаний.

После окончания университета Хокинг решил отправиться в Кембридж, чтобы поработать у Фреда Хойла, известного физика, занимающегося космологией. Однако в Кембридже он попал к Деннису Шаме. Через некоторое время после поступления в аспирантуру Хокинг заметил, что ему трудно говорить и ходить. Вскоре был поставлен диагноз – рассеянный склероз. Поначалу болезнь быстро прогрессировала. У Хокинга началась депрессия. Он мало работал, потому что задавался вопросом, зачем заниматься наукой, ведь он может умереть раньше, чем защитит диссертацию. Но постепенно его состояние стабилизировалось. Это обстоятельство и женитьба на Джейн Уайлд вернули ему надежду, и он полностью погрузился в науку.