Профессор Стивен Хокинг (1942–2018), физик-теоретик и специалист в области космологии, всю свою профессиональную жизнь провел за обдумыванием странной сверхъестественной природы черных дыр. Одним из его самых важных вкладов в науку космологии является идея о том, что черные дыры постепенно испаряются, благодаря эффекту, известному как излучение Хокинга.
Физики знают, что кажущаяся пустота пространства никогда не бывает на самом деле пустой. Во Вселенной идет беспрерывный процесс превращения энергии в пары частиц, существование которых, однако, является временным. Как и в случае с каретой и лошадьми у Золушки, они очень быстро возвращаются в исходное состояние, в противном случае будут нарушены фундаментальные законы физики.
Хокинг гениально представил этот процесс, происходящий у горизонта событий черной дыры. Если одна частица оказывается внутри черной дыры, тогда как другая – снаружи, они никогда не смогут вернуться в исходное состояние, вновь превратившись в эквивалент тыквы (из сказки о Золушке).
Черная дыра должна постепенно терять свою энергию, по мере того как ее покидают частицы вещества. Это именно те частицы, которые составляют излучение Хокинга. Но постепенно, и в этом слове кроется некоторая недосказанность. Черной дыре, по массе равной Солнцу, потребовалось бы приблизительно 20 миллионов квадриллионов квадриллионов квадриллионов квадриллионов лет для того, что испариться полностью. Это 2 с 67 нулями!
И все же это означает, что черные дыры не совсем черные – благодаря излучению Хокинга им свойственно слабое свечение.
Теория всего
Работа Стивена Хокинга об испарении черных дыр посредством излучения Хокинга основана на двух фундаментальных физических теориях: квантовой механике – законах поведения частиц на сверхмалых масштабах – и общей теории относительности Эйнштейна.
Черные дыры представляют собой уникальную среду, в пределах которой большую роль играют обе эти шкалы. В норме, когда вы рассматриваете вопросы гравитации и вращение планет по орбитам, вы не испытываете никакой необходимости задумываться о квантовой физике. Точно так же вам не стоит беспокоиться о гравитации, когда вы ищете объяснение тому, как функционируют атомы. С черной дырой все обстоит по-другому. Когда звезду настигает коллапс, неимоверно большое количество вещества спрессовывается в очень малое пространство. Неожиданным образом гравитация начинает играть роль на атомарном уровне.
Общая теория относительности объясняет гравитацию как результат искривления пространства-времени, и если следовать ее законам буквально, то окажется, что черная дыра искривляет пространство-время, превращая его в нечто, получившее название «сингулярность» – бесконечно малую и бесконечно тяжелую точку, в которой понятия пространства и времени перестают существовать. Но что в реальности для этого «нечто» означает быть бесконечно малым и бесконечно тяжелым? И что может сказать квантовая физика о законах на масштабах, меньших атомных?
Физики прекрасно осознавали эти проблемы, поэтому стремились найти способ объединения квантовой физики и общей относительности в общую теорию: некое теоретическое построение типа «одна-шкала-подходящая-для-всех» для объяснения всего во всей Вселенной, начиная от мельчайшей субатомной частицы и заканчивая грандиозными галактическими сверхскоплениями. Эта теория получила название теории всего (ТВ).
Однако поиск такой теории обернулся сплошными разочарованиями. Две теории просто не способны работать согласованно, мирно сочетаясь друг с другом. Они продемонстрировали высшую степень несовместимости, а применение положений одной теории к другой создавало неразрешимые противоречия. Эта ситуация вынудила физиков строить крайние предположения, в том числе и предположения о том, что имеется больше измерений, чем три пространственных и одно временное, к которым мы привыкли.
Теория суперструн и петлевая квантовая гравитация
Теория струн в последние годы стала частью популярной культуры благодаря Шелдону Куперу, социально безответственному гению, герою шоу под названием «Теория большого взрыва» компании CBS. Теория струн стала одним из способов, которым физики пытаются объединить квантовую физику и гравитацию в теорию всего.
Базовая предпосылка заключается в том, что все, что мы видим вокруг себя, так или иначе состоит из мельчайших вибрирующих струн. Точно так же, как вы можете играть на струнах музыкальных инструментов разными способами, создавая разные звуки, различные вибрации струн создают разные субатомные частицы. Эта картина событий, будучи соединенной с теорией так называемой суперсимметрии, получила известность как теория суперструн.
Используя эту модель, сторонники данной теории могут математически объединить квантовую физику и общую теорию относительности, однако уравнения теории работают только при условии наличия девяти измерений. В ответ на вопрос о том, почему тогда мы ощущаем только трехмерный мир, физики утверждают, что другие измерения, должно быть, свернулись до таких малых размеров, что остаются за пределами нашей видимости, неосязаемыми. В то же время свидетельств существования этих дополнительных измерений в настоящее время просто не существует, как нет и доказательств того, что теория суперструн является чем-то большим, чем элегантный математический мираж.
В ранних сериях «Теории большого взрыва» немезидой Шелдона является Лесли Уинкл, физик-соперник, работающая в петлевой квантовой гравитации. Она пытается решить проблему соединения квантовой физики и гравитации отталкиваясь от иных принципов.
Эйнштейн утверждал, что пространство-время представляет собой структуру, искривленную массивными объектами что создает эффект гравитации. Однако в квантовой физике нет ничего протяженного.
