Мы еще вернемся в кафе, но прежде я должен еще кое-что рассказать вам о гравитации и квантовой механике.
Вопрос, который я хотел обсудить, относился к влиянию квантовой механики на черные дыры. Общая теория относительности — это классическая теория гравитации. Когда физик использует слово «классический», он не подразумевает, что это связано с Древней Грецией. Это лишь означает, что теория не учитывает эффекты квантовой механики. В том, как квантовая теория влияет на гравитационное поле, очень много непонятного, но то немногое, что известно, связано с небольшими возмущениями, которые распространяются сквозь пространство в виде гравитационных волн. Фейнману мы обязаны большей частью того, что знаем относительно квантовой теории этих возмущений.
В главе 4 мы узнали, что Бог, по-видимому, проигнорировал мнение Эйнштейна относительно игры в кости. Суть в том, что вещи, четко определенные в классической физике, в квантовой становятся неопределенными. Квантовая механика никогда не говорит нам, что случится; она дает нам вероятности того, что случится это или то. Когда именно распадется радиоактивный атом, непредсказуемо, но квантовая механика может сказать нам, что он, вероятно, распадется в ближайшие десять секунд.
Нобелевский лауреат по физике Мюррей Гелл-Манн позаимствовал лозунг из книги «Король былого и грядущего» Т. Уайта[60]: «Все, что не запрещено, — обязательно». В частности, в классической физике множество событий просто не могут случиться. В большинстве случаев, однако, эти события возможны в квантовой теории. Вместо того чтобы быть невозможными, эти события просто крайне маловероятны. Но, несмотря на их невероятность, если подождать достаточно долго, они в конце концов произойдут. Так что все незапрещенное обязательно.
Хорошим примером этого служит явление, называемое туннелированием. Представьте себе автомобиль, припаркованный на холме со впадиной на нем.
Пренебрежем всем, что не относится к делу, вроде трения или сопротивления воздуха. Предположим также, что водитель забыл поставить машину на ручной тормоз, так что она может свободно катиться. Ясно, что, если автомобиль стоит внизу впадины, он сам собой не начнет двигаться. Смещение в любую сторону приведет к подъему по склону, и если автомобиль изначально покоился, у него не будет энергии, чтобы двигаться вверх. Если позднее мы обнаружим этот автомобиль скатывающимся с холма за возвышением, следует предположить, что либо кто-то вытолкнул его, либо он получил откуда-то энергию, чтобы тем или иным способом перевалить через бугор. Спонтанное пер впрыгивание через возвышенность в классической механике невозможно.
Но помните: все, что не запрещено, — обязательно. Если бы автомобиль был квантово-механическим (а таковы на самом деле все автомобили), ничто не мешало бы ему внезапно появиться с другой стороны бугра. Это может быть крайне маловероятно, — для большого тяжелого объекта вроде автомобиля это очень, очень маловероятно, — но это не невозможно. Так что за достаточно большое время это обязательно случится. Если подождать достаточно долго, то мы обнаружим автомобиль скатывающимся вниз с другой стороны от возвышения. Это явление называется туннелированием, поскольку оно выглядит так, будто автомобиль прошел по туннелю под бугром.
Для столь массивного объекта, как автомобиль, вероятность туннелирования так мала, что потребуется невообразимое время (в среднем), чтобы он спонтанно оказался с другой стороны пригорка. Для записи числа, достаточно большого, чтобы выразить это время, потребуется так много цифр, что даже если каждая из них будет не больше протона, они, при плотной упаковке, с большим Избытком заполнят всю Вселенную. Однако тот же самый эффект Может позволить альфа-частице (два протона и два нейтрона) туннелировать из атомного ядра или электрону туннелировать через разрыв в электрической цепи.
В 1972 году я воображал, что, хотя классическая черная дыра имеет строго определенную форму, квантовые флуктуации могут заставить ее горизонт подрагивать. По идее, форма невращающейся черной дыры — это идеальная сфера, но квантовые флуктуации должны быть способны на короткое время деформировать ее, придавая сплюснутый или вытянутый вид. Более того, иногда флуктуации могут быть столь велики, что черная дыра почти превращается в пару сфер меньшего размера, соединенных тонкой перемычкой. Из этого состояния ей легко разделиться. Тяжелые атомные ядра спонтанно распадаются подобным образом, почему бы такому не случиться с черной дырой? В классике этого не может случиться, так же как автомобиль не может спонтанно перепрыгнуть через барьер. Но запрещено ли это абсолютно? Я не видел тому никаких причин. Подождите достаточно долго, рассуждал я, и черная дыра должна разделиться на две дыры поменьше.
Мое представление о распаде черной дыры
Теперь вернемся в кафе «Уэст Энд». Заказав пиво, я ждал Фейнмана около получаса. Чем больше я думал, тем осмысленнее все это мне казалось. Черная дыра может распасться путем квантового туннелирования сначала на две части, затем на четыре, восемь и, в конце концов, на огромное число микроскопических частей. В свете квантовой механики было бессмысленно верить в вечность черных дыр.
Фейнман вошел в кафе за одну-две минуты до срока и подошел к моему столику. Я чувствовал себя хозяином и заказал два пива.
Прежде чем я успел заплатить, он достал бумажник и положил нужную сумму. Не знаю, оставил ли он чаевые. Потягивая пиво, я заметил, что стакан Фейнмана не касается стола. Начав с изложения своих аргументов, я закончил, сказав, что черные дыры должны в конце концов распадаться на крошечные куски. Чем бы они могли быть? Хотя это осталось непроизнесенным, единственным разумным ответом были элементарные частицы, такие как фотоны, электроны и позитроны.
Фейнман согласился, что нет никаких препятствий к тому, чтобы такое происходило, но он считает, что я нарисовал ошибочную картину. Первое деление черной дыры я представил как распад на два более или менее равных фрагмента. Каждый из них снова делился пополам, пока фрагменты не становились микроскопическими.
Проблема в том, что для разделения на части большой черной дыры потребовалась бы гигантская квантовая флуктуация. Фейнман чувствовал, что более правдоподобной была картина, в которой горизонт делится на часть, почти равную исходному горизонту, и вторую микроскопическую часть, которая улетает прочь. По мере повторения этого процесса черная дыра будет постепенно уменьшаться, пока от нее ничего не останется. Это звучало убедительно. Откалывание крошечного кусочка горизонта кажется намного более вероятным, чем распад черной дыры на два крупных фрагмента.
