Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

взялась энергия, чтобы создать всю эту материю? Она была позаимствована из гравитационной энергии Вселенной. Огромный капитал в виде отрицательной гравитационной энергии, которым обладает Вселенная, точно уравновешивает положительную энергию материи. В течение инфляционного периода Вселенная брала очень большие займы у этой гравитационной энергии, чтобы профинансировать создание материи. В результате мы имеем триумф кейнсианской экономической теории: энергичную и расширяющуюся Вселенную, заполненную материальными объектами. Гравитационную энергию, которую Вселенная позаимствовала еще в «детстве», не придется возвращать до самого ее конца.

Ранняя Вселенная не могла быть полностью однородной, иначе нарушался бы квантовомеханический принцип неопределенности. Должны были существовать отклонения от однородной плотности. Принцип отсутствия границ предполагает, что различия в плотности должны были вначале проявиться на основном уровне; они были первое время минимальными, допустимыми принципами неопределенности. Но во время инфляционного расширения эти различия усугублялись. После того как период инфляционного расширения закончился, Вселенная в некоторых местах стала расширяться быстрее, чем в других. В областях более медленного расширения гравитационное притяжение материи еще сильнее замедляло расширение. В конце концов эти области должны были прекратить расширение и начать сжиматься, чтобы образовать галактики и звезды. Таким образом, принцип отсутствия границ может объяснить сложную структуру, характерную для нашего мира. Однако в рамках этой гипотезы вполне ожидаемы и другие варианты возможных историй, каждая со своей собственной вероятностью. Не исключена и такая история, в которой лейбористы выиграли бы последние выборы в Британии, хотя вероятность этого и мала.

Условие отсутствия границ открывает широкие возможности для обсуждения роли Господа Бога в делах Вселенной. В настоящее время укоренилась точка зрения, что Вселенная эволюционирует в соответствии с установленными законами. Эти законы могли быть предначертаны Творцом, но создается впечатление, что Он не вмешивается в дела Вселенной и не нарушает эти законы. До недавнего времени, однако, считалось, что эти законы не применимы к началу Вселенной. Право завести часы и направить Вселенную по пути, угодному Ему, предоставлялось Ему Самому. Таким образом, современное состояние Вселенной могло стать результатом выбора начальных условий, совершенного Создателем.

Ситуация, однако, была бы совсем другой, если бы выполнялось какое-либо предположение, подобное условию об отсутствии границ. В этом случае физические законы работали бы даже при зарождении Вселенной, так что у Бога не было бы особой свободы в выборе начальных условий. Но, конечно, Он по-прежнему имел бы возможность выбирать законы, управляющие Вселенной. Но выбор был бы небольшой. Существовало бы только несколько непротиворечивых законов, которые привели бы к созданию сложных существ, подобных нам, осмелившимся задать вопрос: какова природа Бога?

И даже если существует единственный комплект возможных законов, это всего лишь набор уравнений. Что наполняет эти уравнения жизнью и за счет чего возникла Вселенная, которой эти законы управляют? Является ли единая теория поля настолько всеобъемлющей, что порождает сама себя? Возможно, в силах ученых понять, как возникла Вселенная. Но наука не может ответить на вопрос, зачем она соизволила это сделать. Я, по крайней мере, ответа на этот вопрос не знаю.

Глава десятая

Квантовая механика черных дыр[37]

В первые три десятилетия XX века мы стали свидетелями появления трех теорий, которые полностью изменили представления человека о физике и о самой реальности. Ученые до сих пор пытаются понять, к чему могут привести их открытия и как их можно совместить друг с другом. Я имею в виду специальную теорию относительности (СТО) (1905 г.), общую теорию относительности (ОТО) (1915 г.) и теорию квантовой механики (около 1926 г.). Альберт Эйнштейн принимал деятельное участие в создании первой теории, был полностью ответственен за создание второй теории и сыграл важную роль в становлении третьей. При этом Эйнштейн так до конца и не смог принять квантовую механику из-за присущего ей элемента случайности и неопределенности. Его чувства по этому поводу были выражены в часто цитируемой фразе: «Бог не играет в кости». Большинство физиков, однако, с готовностью восприняли и СТО, и квантовую механику, потому что эти теории описывали эффекты, которые можно было наблюдать непосредственно. С другой стороны, ОТО большинством ученых была проигнорирована из-за чрезмерно усложненного математического аппарата, невозможности лабораторных проверок и чисто классического характера, делающего эту теорию несовместимой с квантовой механикой. Таким образом, ОТО пребывала в своего рода изгнании почти пятьдесят лет.

Резкий рост астрономических наблюдений в начале 1960-х годов возродил интерес к классической ОТО. Казалось, что многие вновь открытые явления, такие как квазары, пульсары и компактные рентгеновские источники, указывают на существование очень сильных гравитационных полей, которые могли быть описаны только с помощью ОТО. Квазары – это звездоподобные объекты, которые должны быть во много раз ярче галактик, если оценивать расстояние до них по степени покраснения их спектров. Пульсары – это часто мигающие остатки сверхновых, которые рассматриваются как сверхплотные нейтронные звезды. Компактные рентгеновские источники, обнаруженные космическими аппаратами, также могут быть нейтронными звездами либо гипотетическими объектами еще большей плотности, а именно черными дырами[38].

Одной из проблем, с которой столкнулись физики, желавшие применить ОТО к этим вновь открытым или гипотетическим объектам, стала проблема совместимости ОТО с квантовой механикой. В течение последних лет появились некоторые факты, укреплявшие уверенность в том, что в скором будущем мы будем иметь полностью непротиворечивую квантовую теорию гравитации, которая будет сопряжена с ОТО для макроскопических объектов и, как многие надеются, будет свободна от математических бесконечностей, долгое время «наводивших порчу» на другие квантовые теории поля. Эти факты касаются недавно открытых квантовых эффектов, связанных с черными дырами, и обещают обнаружить убедительную связь между черными дырами и законами термодинамики.

Теперь я хочу вкратце описать, как может появиться черная дыра. Представьте себе звезду в десять раз массивнее Солнца. Основную часть своей жизни (примерно миллиард лет) звезда в своем центре будет генерировать тепло за счет превращения водорода в гелий. Освобождаемая энергия будет нагнетать давление, достаточное для противодействия собственной гравитации звезды, и получится светило с радиусом в пять радиусов Солнца. Вторая космическая скорость (скорость убегания с поверхности звезды) составит порядка тысячи километров в секунду. Другими словами, объект, стартовавший вертикально вверх с поверхности звезды со скоростью менее тысячи километров в секунду, будет притянут обратно к поверхности звезды ее гравитационным полем, тогда как объект с большей скоростью покинет звезду и уйдет в бесконечность.

Когда звезда исчерпает свое ядерное горючее, ничто более не сможет противостоять внешнему давлению и она начнет коллапсировать за счет сил собственной гравитации. По мере сжатия звезды гравитационное поле на ее поверхности становится сильнее и скорость убегания увеличивается. К тому моменту, когда радиус звезды