Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд - [49]

Говоря простыми словами, энтропия – это закон, гласящий, что все на свете портится. Горячее со временем остужается, из него уходит тепло. Здания рушатся и рассыпаются в прах, все живое стареет и умирает. Эти изменения связаны с течением времени и отмечают переход от прошлого к будущему. Дело в том, что во Вселенной растет беспорядок. Энтропия и есть мера этого беспорядка. Течение времени от прошлого к будущему означает, что энтропия во Вселенной постоянно растет. То же самое касается любой замкнутой системы: энтропия может только расти (в лучшем случае – оставаться постоянной), она никогда не убывает. Очевидно, что наличие на Земле живых существ противоречит этому принципу. Мы создаем порядок из беспорядка – строим дома и тому подобное. Но ведь Земля – не замкнутая система. Она питается энергией Солнца, и это перевешивает энтропию. Если взять Солнечную систему в целом и считать, что это замкнутая система, окажется, что энтропия в ней все же возрастает – в полном соответствии с законами термодинамики.

А следовательно, озарение, случившееся у Хокинга тем ноябрьским вечером, наталкивало на мысль, что закон, гласящий, что площадь черной дыры может лишь оставаться прежней или увеличиваться, – это эквивалент закона, гласящего, что энтропия замкнутой системы может лишь оставаться прежней или увеличиваться. Но даже сам Хокинг не сразу провел эту параллель.

Подобные шаги в науке очень часто совершают молодые исследователи, еще не закосневшие под гнетом традиций. Мысль, что можно найти связь между гравитационной физикой черных дыр и термодинамической физикой викторианских паровых двигателей, отпугнула бы даже гения масштаба Хокинга. Но скромный аспирант, только начинающий свой путь в науке и столкнувшийся с двумя фактами, явно говорящими об одном и том же с разных сторон, решил, что такое сходство достойно внимания. Разумеется, аспиранты сплошь и рядом находят странные совпадения и сходства, и почти всегда оказывается, что это никакое не открытие. Но когда студент Принстонского университета Яаков Бекенштейн предположил, что размер горизонта вокруг сингулярности в буквальном смысле может быть мерой энтропии черной дыры, это спровоцировало лавину исследований, которые, в свою очередь, и натолкнули Хокинга на открытие, что черные дыры на самом деле не такие уж и черные – они взрываются.

Аспирантам положено высказывать безумные идеи (большинство из которых оказываются бесплодными), это в порядке вещей. И точно так же в порядке вещей в науке, когда кто-то делает важное открытие просто потому, что попытался доказать, что кто-то другой ошибается. Именно это ко всеобщему благу и произошло в 1950-е – начале 1960-х годов, когда Фред Хойл выдвинул свою теорию стационарной вселенной в противовес теории Большого Взрыва и стал ее самым страстным поборником. Астрономы, решив, что гипотезу Хойла необходимо срочно опровергнуть, взялись за дело с таким рвением, что подтвердили точность модели Большого Взрыва гораздо лучше и быстрее, чем в отсутствие на арене противника. Однако иногда неизбежна отдача.

Предположение Бекенштейна очень раздосадовало Хокинга. Даже аспирант должен был бы понимать, что существует прямая связь между энтропией и температурой, поэтому, если поверхность черной дыры и в самом деле мера энтропии, это должна быть еще и мера температуры. А если у черной дыры есть температура, она должна излучать тепло в холод Вселенной (–270 °C). Черная дыра должна излучать энергию, а это противоречит основному принципу существования черных дыр: из черной дыры не может вырваться ничего, даже электромагнитное излучение. Хокинг вместе с Брендоном Картером и Джимом Бардином написал статью о фатальном на первый взгляд недочете в работе Бекенштейна, вышедшую в 1973 году в журнале «Communications in Mathematical Physics». В статье приводится формула расчета температуры черной дыры в соответствии с нелепым предположением юного ученого, после чего авторы замечают: «Но на самом деле эффективная температура черной дыры равна абсолютному нулю… черная дыра не может излучать».[44]

Однако не прошло и года, как Хокинг передумал. Причиной стало новое направление исследований черных дыр, которое привлекло его внимание: высказанное в 1971 году предположение, что при Большом Взрыве, вероятно, возникли очень маленькие «минидыры», меньше ядра атома, которые до сих пор в изобилии представлены во Вселенной.

Критическая масса, необходимая для создания черной дыры из объекта, коллапсирующего под собственным весом, как мы уже упоминали, составляет приблизительно три массы Солнца, и сама Земля превратилась бы в черную дыру, если сжать ее до размеров около сантиметра. Однако черную дыру можно сделать абсолютно из чего угодно, если сжать это как следует: из пакета сахарного песка, из монетки, из книги, которую вы читаете, – из чего угодно. Просто чем легче предмет, который вы хотите превратить в черную дыру, тем сильнее придется его сжимать.

Хокинг рассудил, что если заглянуть в прошлое, вернуться к началу времен, то чем ближе к Большому Взрыву, тем выше плотность и давление. Значит, если заглянуть достаточно далеко, мы попадем в момент, когда давление было до того высоко, что его хватало, чтобы сжать в черную дыру любое количество вещества, какое хочешь, даже несколько граммов. Единственный недостаток подобной линии рассуждений состоит в том, что если Вселенная была в тот момент абсолютно однородной, никаких минидыр не могло образоваться, и единственной черной дырой была бы Вселенная как таковая. Но если в ней были какие-то неправильности, колебания плотности в разных местах, то на соответствующей стадии Большого Взрыва несколько граммов вещества – любая область, случайно оказавшаяся чуть плотнее среднего – и в самом деле могла быть вырвана из остального пространства-времени и превращена в крошечную черную дыру, которая сохранилась бы навечно (по крайней мере, так думал Хокинг в 1971 году) и осталась бы во Вселенной и посейчас.