[Перевод] Научное наследие Стивена Хокинга
Стивен Хокинг ушёл от нас в середине марта 2018 в возрасте 76 лет. О нём написано уже множество статей, не исключая и мои недавние работы:
Начав писать упомянутые статьи, я наткнулся на следующий материал, написанный мною несколько лет назад, где описывается научное наследие Стивена Хокинга. Её у меня затребовал один журнал, когда Хокинг заболел, и все думали, что он умрёт — такое было уже не в первый раз, и каждый раз все ошибались. Уверен, что статью эту так и не выпустили, так что вот она!
Научное наследие Стивена Хокинга
Стивен Хокинг — редкий пример учёного, одновременно являющегося знаменитостью и культурным феноменом. Однако он ещё и редкий пример культурного феномена с заслуженной славой. Его вклады можно охарактеризовать очень просто: Хокинг сделал больше вкладов в наше понимание гравитации, чем любой физик со времён Альберта Эйнштейна.
И слово «гравитация» тут очень важно. Большую часть карьеры Хокинга физики-теоретики в целом больше интересовались физикой частиц и другими силами природы — электромагнетизмом и сильным и слабым ядерными взаимодействиями. «Классическая» гравитация, игнорировавшая сложности квантовой механики, была полностью описана Эйнштейном в его общей теории относительности, а «квантовая» гравитация (квантовая версия общей теории относительности) казалась слишком сложной. Применив свой поразительный интеллект к наиболее хорошо известной силе природы, Хокинг смог выдать несколько результатов, очень удививших всё сообщество.
Без сомнения, самым главным результатом работы Хокинга стало понимание того, что чёрные дыры черны не полностью — они излучают, как и обычные объекты. До этой работы он доказал важные теоремы по поводу ЧД и сингулярностей, а после — изучал Вселенную в целом. В каждой фазе карьеры он делал те или иные ключевые вклады в науку.
Классический период
Работая над докторской диссертацией в Кембридже в середине 1960-х, Хокинг стал интересоваться вопросами происхождения и итоговой судьбы Вселенной. Подходящим инструментом для исследований этой проблемы была ОТО, теория Эйнштейна, описывающая пространство, время и гравитацию. Согласно ОТО, то, что мы ощущаем, как гравитацию, является отражением кривизны пространства-времени. Понимая, как кривизна создаётся материей и энергией, мы можем предсказать эволюцию Вселенной. Об этом можно говорить, как о «классическом» периоде Хокинга, чтобы противопоставить классическую ОТО и его более поздние исследования в области квантовой теории поля и квантовой гравитации.
Примерно в то же время Роджер Пенроуз из Оксфорда провёл примечательное доказательство: согласно ОТО, при очень широком спектре условий, пространство и время обрушатся внутрь себя и сформируют сингулярность. Если гравитация — это кривизна пространства-времени, то сингулярность — это такой момент времени, в который эта кривизна становится бесконечно большой. Теорема показала, что сингулярности не были просто какими-то диковинками; они являются важным свойством ОТО.
Результат Пенроуза применили к чёрным дырам — участкам пространства-времени, в которых гравитационное поле оказывается настолько сильным, что оттуда не может убежать даже свет. Внутри чёрной дыры в будущем таится сингулярность. Хокинг взял идею Пенроуза и вывернул её наизнанку, направив в прошлое Вселенной. Он показал, что при таких же общих условиях пространство должно было появиться из сингулярности: Большого взрыва. Современные космологи говорят (и запутывают всех) как о модели Большого взрыва, которая является очень успешной теорией, описывающей эволюцию расширяющейся Вселенной за миллиарды лет, так и о сингулярности Большого взрыва, пониманием которой мы пока не можем похвастаться.
Затем Хокинг обратил своё внимание на чёрные дыры. Ещё одним интересным результатом расчётов Пенроуза стало то, что из вращающейся чёрной дыры можно извлечь энергию, по сути, добывая энергию из её вращения, пока она не остановится. Хокинг сумел показать, что, хотя и возможно извлечь энергию, область горизонта событий, окружающего ЧД, в любых физических процессах будет увеличиваться. Эта «теорема площади» была важной как сама по себе, так и в отношении совершенно другой области физики: термодинамики, изучающей передачу тепла.
Термодинамика подчиняется набору знаменитых законов. К примеру, первый закон говорит о том, что энергия сохраняется, а второй, что энтропия — мера беспорядка Вселенной — у замкнутой системы никогда не уменьшается. Работая с Джеймсом Бардином и Брэндоном Картером, Хокинг предложил набор законов «механики чёрных дыр», аналогичных термодинамике. Как и в термодинамике, первый закон механики ЧД гарантирует сохранение энергии. Второй закон — теорема площади Хокинга, говорит о том, что площадь горизонта событий никогда не уменьшается. Иначе говоря, площадь горизонта событий ЧД очень похожа на энтропию термодинамической системы — со временем они увеличиваются.
Испарение чёрных дыр
Хокинг и его коллеги по праву гордились законами механики ЧД, но они считали их просто формальной аналогией, а не буквальной связью гравитации и термодинамики. В 1972 году выпускник Принстонского университета, Яаков Бекенштейн, предположил, что здесь кроется нечто большее. На базе гениальных мысленных экспериментов он предположил, что поведение ЧД не просто похоже на термодинамику, это термодинамика и есть. В частности, у ЧД есть энтропия.
Как многие смелые идеи, эта идея встретила сопротивление экспертов –, а в тот момент мировым экспертом по ЧД был Стивен Хокинг. Хокинг скептически отнёсся к ней, и не зря. Если бы механика ЧД оказалась формой термодинамики, это означало бы, что у ЧД есть температура. А объекты, обладающие температурой, излучают — знаменитое «излучение чёрного тела», игравшее центральную роль в разработке квантовой механики. Так что, если Бекенштейн был прав, это означало бы, что ЧД на самом деле не чёрные (хотя сам Бекенштейн так далеко в своих утверждениях не заходил).
Чтобы серьёзно подойти к этой проблеме, необходимо расширить внимание за пределы самой ОТО, поскольку теория Эйнштейна чисто «классическая» — она не включает в себя идеи квантовой механики. Хокинг знал, что русские физики Алексей Старобинский и Яков Зельдович занимались изучением квантовых эффектов вблизи чёрных дыр и предсказали такой эффект, как «суперизлучение». Точно так же, как Пенроуз показал, что из вращающейся чёрной дыры можно извлечь энергию, Старобинский и Зельдович показали, что вращающиеся чёрные дыры могут спонтанно испускать излучение благодаря эффектам квантовой механики. Хокинг не был экспертом по техникам квантовой теории поля, поскольку в то время в этой области разбирались специалисты по физике частиц, а не по ОТО. Но он быстро учился, и набросился на сложную задачу понимания квантовых аспектов ЧД, чтобы найти ошибку у Бекенштейна.
Вместо этого он удивил сам себя и в процессе перевернул теоретическую физику с ног на голову. Он обнаружил, что Бекенштейн был прав — у ЧД имеется энтропия — и что невероятные следствия этой идеи также были верны — чёрные дыры не полностью чёрные. Сегодня мы называем это свойство ЧД «энтропией Бекенштейна-Хокинга», и они испускают «излучение Хокинга» при их «температуре Хокинга».
«На пальцах» можно понять излучение Хокинга следующим образом. Квантовая механика говорит (кроме прочего), что систему нельзя насильно привести к определённому классическому состоянию; всегда существует внутренняя неопределённость в том, что вы увидите, взглянув на неё. Это верно даже для пустого пространства — если смотреть достаточно пристально, то, что казалось пустым пространством, окажется наполненным «виртуальными частицами», постоянно возникающими и исчезающими. Хокинг показал, что вблизи ЧД пара виртуальных частиц может разлучиться, и одна из них упадёт в ЧД, а другая убежит в качестве излучения. Удивительно, что с точки зрения внешнего наблюдателя падающая внутрь частица будет обладать отрицательной энергией. В результате излучение постепенно забирает массу у ЧД — и та испаряется.
Результат Хокинга оказал очевидное и выдающееся влияние на наше понимание ЧД. Вместо того, чтобы стать космическим тупиком, в котором материя и энергия навсегда исчезают, они оказались динамическими объектами, которые рано или поздно полностью исчезнут. Что более важно для теоретической физики, это открытие подняло вопрос, на который у нас до сих пор нет ответа: когда материя падает в ЧД, а затем ЧД полностью исчезает, куда девается информация?
Если взять энциклопедию и бросить её в огонь, вы можете посчитать, что содержащаяся в ней информация исчезла навсегда. Но по законам квантовой механики она никуда не пропадала; если бы вы смогли уловить все частички света и пепла, появившиеся из огня, в принципе можно было бы в точности воссоздать всё, что попало в огонь — даже страницы книги. Но ЧД, если принять результат Хокинга, как есть, полностью уничтожают информацию — по крайней мере, с точки зрения внешнего мира. Эта загадка называется «информационным парадоксом», и она мучает физиков уже несколько десятилетий.
В последние годы прогресс в понимании квантовой гравитации (на уровне мысленных экспериментов) убеждает всё большее количество людей, что информация сохраняется. В 1997 году Хокинг поспорил с американскими физиками Кипом Торном и Джоном Прескилом; Хокинг и Торн говорили, что информация уничтожается, Прескил говорил, что информация сохраняется. В 2007 Хокинг уступил, и признал, что ЧД на самом деле не уничтожают информацию. Однако Торн не сдался, да и сам Прескил считает, что этот вывод был преждевременным. Излучение и энтропия ЧД остаются центральными направлениями поисков на пути улучшения понимания квантовой гравитации.
Квантовая космология
Работа Хокинга над излучением ЧД основывалась на смеси квантовых и классических идей. В его модели ЧД оценивается с классической точки зрения, по правилам ОТО. При этом виртуальные частицы вблизи ЧД оцениваются по правилам квантовой механики. Конечная цель многих физиков-теоретиков — построить истинную теорию квантовой гравитации, в которой само пространство-время было бы частью квантовой системы.
И если есть место, в котором квантовая механика и гравитация играют важнейшую роль, так это начало Вселенной. И именно этому вопросу, что неудивительно, Хокинг посветил последнюю часть своей карьеры. И этим он утвердил план работ по амбициозному физическому проекту понимания истоков возникновения Вселенной.
В квантовой механике у системы нет местоположения или скорости; её состояние описывается «волновой функцией», которая сообщает нам вероятность того, при измерении системы мы получим определённое местоположение или скорость. В 1983 году Хокинг и Джеймс Хартл опубликовали работу под простым названием: «Волновая функция Вселенной». Они предложили простую процедуру, исходя из которой — в принципе! — можно было бы подсчитать состояние всей Вселенной. Нам неизвестно, является ли волновая функция Хартла-Хокинга на самом деле правильным описанием Вселенной. Поскольку у нас нет полной теории квантовой гравитации, мы даже не знаем, осмыслена ли такая процедура. Но их работа показала, что можно говорить о самом начале существования Вселенной в научных терминах.
Изучение истоков Вселенной предлагает возможности объединения квантовой гравитации с наблюдаемыми особенностями Вселенной. Космологи считают, крохотные изменения плотности материи с самых ранних времён постепенно выросли в распределение звёзд и галактик, наблюдаемых нами сегодня. Полная теория происхождения Вселенной могла бы предсказать эти изменения, и выполнение этой программы является одним из основных занятий современных физиков. Хокинг сделал несколько вкладов в эту программу, как со стороны своей волновой функции Вселенной, так и в контексте модели «инфляционной Вселенной», предложенной Аланом Гутом.
Просто рассуждать о происхождении Вселенной — действие провокационное. Из него вытекает надежда на то, что наука сможет предоставить полное и самодостаточное описание реальности –, а такая надежда выходит за рамки науки и оказывается в области философии и теологии. Хокинг, всегда любивший провокации, никогда не стеснялся таких последствий. Ему нравилось вспоминать конференцию по космологии, проходившую в Ватикане, на которой папа Иоанн Павел II якобы попросил собравшихся учёных не углубляться в происхождение Вселенной, «поскольку это был момент творения, и, следовательно, дело рук Бога». Но подобные предупреждения никогда не останавливали Хокинга; он жил свою жизнь в неустанном поиске ответов на самые фундаментальные из научных вопросов.
