Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

Предварительный эксперимент, который провели Нил А. Портер и Тревор К. Викс из Университетского колледжа в Дублине, показал: если черные дыры взрываются по сценарию Хейдждорна, то в нашей области Галактики будет меньше двух взрывов черных дыр на кубический световой год в столетие. Это предполагает, что плотность первичных черных дыр меньше 100 миллионов на кубический световой год. Конечно, было бы хорошо увеличить точность таких экспериментов. Эти наблюдения, даже если они не приведут к уверенному доказательству существования первичных черных дыр, будут очень ценными. Если наблюдения покажут, что верхний предел на плотность таких черных дыр является низким, это будет означать, что ранняя Вселенная была очень ровной, гладкой и не склонной к турбулентностям.

Большой взрыв похож на взрыв черной дыры, только в гораздо более широких масштабах. Поэтому можно надеяться, что когда мы поймем, как черные дыры рождают частицы, мы также поймем, как Большой взрыв породил все то, что нас окружает. В черной дыре вещество коллапсирует и исчезает навсегда, но вместо него рождается новое вещество. Вполне возможно, что на раннем этапе Вселенной вещество коллапсировало, чтобы быть рожденным заново в Большом взрыве.

Если вещество, коллапсирующее в черную дыру, имеет суммарный электрический заряд, отличный от нуля, получившаяся черная дыра будет нести тот же заряд. Это означает, что черная дыра будет притягивать тех партнеров из виртуальных пар частица-античастица, которые имеют противоположный заряд, и отталкивать тех, который несут аналогичный заряд. Поэтому черная дыра будет преимущественно излучать частицы с зарядом того же знака, что и у нее, и, следовательно, быстро потеряет свой заряд. Подобным образом, если коллапсирующее вещество имеет суммарный вращательный момент, возникающая черная дыра будет вращаться и преимущественно испускать частицы, уносящие ее вращательный момент. Причиной, по которой черная дыра «помнит» электрический заряд, вращательный момент и массу коллапсирующего вещества, «забывая» все остальное, является то, что эти три величины привязаны к полям большого радиуса действия: электрические заряды – к электромагнитному, а вращательный момент и масса – к гравитационному.

Эксперименты, проведенные Робертом Г. Дикке из Принстонского университета и Владимиром Брагинским из Московского государственного университета, показали, что не существует поля большого радиуса действия, связанного с таким квантовым свойством, как барионное число. (Барионы – класс частиц, включающий протоны и нейтроны.) Следовательно, черная дыра, образованная в результате коллапса совокупности барионов, забудет свое барионное число и будет излучать равные количества барионов и антибарионов. Поэтому исчезновение черной дыры нарушает один из самых заветных и лелеемых законов физики элементарных частиц: закон сохранения барионного числа.

Хотя гипотеза Бекенштейна о конечной энтропии черных дыр требует для своей полной состоятельности, чтобы излучение черных дыр было тепловым, на первый взгляд кажется невероятным, что из детальных квантовомеханических расчетов рождения частиц также следует излучение теплового спектра. Объяснение состоит в том, что частицы излучаются за счет туннельного эффекта из черной дыры, из области, о которой внешний наблюдатель не знает ничего, кроме ее массы, вращательного момента и электрического заряда. Это означает, что все комбинации или конфигурации излученных частиц, имеющие одинаковую энергию, вращательный момент и электрический заряд, равновероятны. Действительно, возможно даже, что черная дыра излучит телевизор или десятитомник Пруста в кожаном переплете, но количество конфигураций частиц, соответствующих этим экзотическим возможностям, пренебрежимо мало. Вне всяких сомнений, наибольшее количество конфигураций соответствует излучению со спектром, близким к тепловому.

Излучение черных дыр имеет дополнительную степень неопределенности и непредсказуемости по сравнению с тем, которое может быть описано квантовомеханическими законами. Руководствуясь законами классической механики, мы можем предсказать результаты измерения как положения, так и скорости частицы. В квантовой механике действует принцип неопределенности, который утверждает, что только один из этих параметров может быть точно измерен: либо положение, либо скорость, но никак не оба одновременно. Можно также предсказать результат измерения комбинации этих двух величин. Таким образом, способность наблюдателя делать точные предсказания по существу уменьшается вдвое. С черными дырами дело обстоит еще хуже. Поскольку частицы, излученные черной дырой, прилетают из области, о которой мы имеем весьма смутное представление, мы не можем точно предсказать ни положение, ни скорость частицы, ни даже сочетание этих двух параметров; все, что мы можем оценить, это вероятности излучения определенных частиц. И поэтому Эйнштейн, сказавший свою знаменитую фразу «Бог не играет в кости», ошибся дважды. Излучение частиц черными дырами свидетельствует о том, что Бог не только играет в кости, но к тому же иногда играет не совсем по правилам.

Глава одиннадцатая

Черные дыры и молодые вселенные[45]

Падение внутрь черной дыры неоднократно использовалось авторами жанра научной фантастики в самых волнующих эпизодах. На самом деле, черные дыры уже перекочевали из области научной фантастики в область строгой науки. Есть веские основания полагать, что черные дыры реально существуют. Наблюдения подтверждают, что черные дыры имеются в нашей собственной Галактике; еще больше их может быть в других галактиках.

Особенно часто научные фантасты рассуждают о том, что произойдет с путешественником, попавшим в черную дыру. Обычно авторы в своих фантазиях доходят до того, что при падении во вращающуюся черную воронку вы можете проникнуть через небольшое отверстие в пространстве-времени в другую область Вселенной. Это, конечно, открывает широкие возможности для космических путешествий. Действительно, для полетов к другим звездам, не говоря уже о других галактиках, нам нужно что-то в этом роде. Иначе путешествие туда и обратно займет не меньше восьми лет, даже до ближайшей звезды. Ведь наш корабль не может двигаться быстрее скорости света. О том, чтобы провести выходные на Альфа Центавра, даже и не мечтайте! С другой стороны, если пройти через черную дыру, то можно вынырнуть где угодно. Маршрут вашего путешествия будет весьма неопределенным: вы можете направиться на каникулы в созвездие Девы, а попадете в Крабовидную туманность.

Я прошу прощения, но мне придется расстроить будущих галактических туристов: этот сценарий не работает. Если вы прыгнете в черную дыру, вас тут же разорвет на части. Есть, правда, вероятность того, что частицы, из которых состоит ваше тело, выживут и попадут в другую вселенную. Не знаю, насколько это послужит утешением путешественнику, который в этой дыре превратится в спагетти.

Несмотря на довольно легкомысленный тон, с которым я начал эту главу, то, что я скажу дальше, основано на строгих научных данных. С недавних пор мою точку зрения разделяют и другие ученые, работающие в этой области. Конец этой главы, однако, посвящен проблеме, вокруг которой все еще ведутся споры. И интерес к ней постоянно растет.

Идея объекта, который мы сейчас называем черной