Помоги проекту - поделись книгой:
То, что мы обычно понимаем как «жизнь», основано на цепочках атомов углерода с вкраплением некоторых других атомов, например азота или фосфора. Можно допустить существование жизни на какой-то иной химической основе, например кремния, но углерод представляется наиболее подходящим, потому что обладает высочайшей способностью образовывать химические связи различного типа. То, что атомы углерода должны присутствовать всюду, со свойствами, которыми они обладают, требует тонкой настройки ряда физических констант, таких как шкала квантовой хромодинамики, электрический заряд и даже количество измерений пространства-времени.
Если эти константы будут иметь существенно различающиеся значения, то либо ядра атомов углерода окажутся нестабильными, либо электроны обрушатся на ядро.
На первый взгляд, прекрасно, что наша Вселенная так тонко настроена. Может, это свидетельствует о том, что данная Вселенная специально создана для возникновения человеческой расы. Однако надо быть осторожнее с такого рода аргументами из-за антропного принципа, суть которого в том, что наши теоретические представления о Вселенной должны быть совместимы с нашим собственным существованием. Это основано на самоочевидной истине: если бы Вселенная не была приспособлена для жизни, мы бы не спрашивали, почему она так тонко настроена.
Часто разделяют сильный и слабый антропный принципы. Сильный антропный принцип предполагает существование множества различных Вселенных, каждой с различными значениями физических констант. При небольших показателях эти значения допускают существование таких объектов, как атомы углерода, которые действуют как строительные блоки для живых существ. Поскольку мы должны жить в одной из таких Вселенных, не следует удивляться, что физические константы так тонко настроены. В ином случае нас бы здесь не было. Таким образом, сильный антропный принцип не очень годится, потому что какое практическое значение в таком случае имеет существование всех остальных Вселенных? А если они отделены от нашей Вселенной, каким образом они могут оказывать влияние на нашу? Я лично предпочитаю слабый антропный принцип. Я принимаю значения физических констант как данность. Но хочу понять, какие выводы можно сделать из того факта, что жизнь существует на данной планете на данном этапе истории Вселенной.
13,8 миллиарда лет назад, когда произошел Большой взрыв и родилась Вселенная, углерода не существовало. Тогда было так жарко, что всё вещество должно было существовать в виде частиц, которые мы называем протонами и нейтронами. Изначально протонов и нейтронов было поровну. Однако по мере расширения Вселенная остывала. Примерно через минуту после Большого взрыва температура должна была упасть приблизительно до миллиарда градусов, что в сто раз выше температуры в недрах Солнца. При такой температуре нейтроны начинают распадаться, образуя больше протонов.
Если бы происходило только это, то всё вещество Вселенной в итоге оказалось бы состоящим из простого элемента – водорода, ядро которого содержит единственный протон. Однако некоторые нейтроны сталкивались с протонами, сливались и образовывали другой простейший элемент – гелий, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Но в молодой Вселенной не могли образовываться более тяжелые элементы, типа углерода и кислорода. Трудно представить, что какая-то живая структура может состоять только из водорода и гелия. В любом случае, молодая Вселенная все равно оставалась еще слишком горячей для того, чтобы атомы могли создавать молекулы.
Вселенная продолжала расширяться и остывать. Но в некоторых ее участках плотность оказывалась несколько выше, чем в других, и в них гравитационное притяжение дополнительной материи замедляло расширение вплоть до полного прекращения этого процесса. Коллапс вещества стал приводить к образованию звезд и галактик. Это началось примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва. Некоторые из первых звезд должны были быть массивнее нашего Солнца, температура их тоже была выше и способствовала превращению первоначальных гелия и водорода в более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и железо. Это могло происходить в течение нескольких сотен миллионов лет. В результате некоторые звезды взрывались, превращаясь в сверхновые, и рассеивали тяжелые элементы в космическом пространстве, что стало сырьем для новых поколений звезд.
Другие звезды слишком далеки от нас, и мы не в состоянии непосредственно увидеть, есть ли у них планетные системы. Однако есть два способа, позволяющих обнаружить наличие планет у звезд. Первый – следить за звездой и наблюдать, остается ли неизменным поток исходящего от нее света. Если планета оказывается между звездой и земным наблюдателем, то она слегка затмевает свет звезды. Если это происходит регулярно, значит, планета обращается на околозвездной орбите. Второй способ – точное измерение положения звезды. Если вокруг звезды обращается планета, она вызывает слабое колебание положения звезды. Если колебания происходят неоднократно и регулярно, можно сделать вывод, что у звезды есть как минимум одна планета.
Эти способы впервые были применены около двадцати лет назад. К настоящему времени благодаря им у далеких звезд обнаружено несколько тысяч планет. По некоторым расчетам, в среднем каждая пятая звезда обладает планетой, похожей на Землю, которая находится от звезды на расстоянии, приемлемом для существования жизни в том виде, как мы ее знаем.
Наша Солнечная система образовалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, или чуть меньше 9 миллиардов лет после Большого взрыва, из газа, содержащего остатки ранних звезд. Земля сформировалась преимущественно из тяжелых элементов, в том числе из углерода и кислорода. Каким-то образом отдельные атомы смогли объединиться в виде молекул ДНК. Это та самая знаменитая двойная спираль, обнаруженная в 1950-е годы Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Две цепочки спирали связываются парой нуклеотидов. Известны четыре нуклеатида: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Аденин в одной цепочке всегда связывается с тимином в другой, а гуанин – с цитозином. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет уникальную комплементарную последовательность в другой. Две цепочки могут отдаляться, и каждая действует как образец для создания последующих цепочек. Молекулы ДНК способны воспроизводить генетическую информацию, закодированную в последовательности нуклеотидов. Части последовательности могут использоваться для производства протеинов и других химических соединений, которые способны нести инструкции, закодированные в последовательности, и собирать сырье для ДНК для самовоспроизводства.
Как я уже говорил, мы не знаем, каким образом появились молекулы ДНК. Поскольку шансы возникновения молекул ДНК благодаря случайным комбинациям чрезвычайно малы, многие склонны предполагать, что жизнь на Земле появилась откуда-то извне, например, благодаря обломкам, оторвавшимся от Марса в тот период, когда планеты находились еще в нестабильном состоянии, или что в Галактике летают семена жизни. Впрочем, маловероятно, что ДНК способна выжить, долгое время подвергаясь космической радиации.
Если зарождение жизни на конкретной планете очень и очень маловероятно, но все же возможно, то для этого потребуется весьма длительное время. И еще должно хватить времени на последующую эволюцию таких разумных существ, как мы с вами, прежде чем Солнце распухнет и поглотит Землю. Временно́е окно, в которое это может произойти, определяется продолжительностью жизни Солнца, а она составляет около 10 миллиардов лет. За это время разумная форма жизни должна потенциально освоить космические путешествия, чтобы иметь возможность перебраться к другой звезде. Но если побег окажется невозможным, жизнь на Земле будет обречена.
Ископаемые останки свидетельствуют, что некоторые формы жизни появились на Земле примерно 3,5 миллиарда лет назад. Это произошло спустя всего 500 миллионов лет после того, как Земля стала стабильной и достаточно остыла, чтобы на ней могла формироваться жизнь. Но у Вселенной на формирование жизни было примерно 7 миллиардов лет, следовало предусмотреть достаточный запас времени на то, чтобы появились такие существа, как мы, способные задаться вопросом о происхождении жизни. Если вероятность образования жизни на конкретной планете чрезвычайно мала, почему это произошло на Земле примерно в 1/14 от доступного временно́го окна? Раннее возникновение жизни на Земле предполагает, что существуют высокие шансы спонтанного зарождения жизни в подходящих условиях. Возможно, сначала были более простые формы организации, из которых образовалась ДНК. Появившаяся ДНК оказалась настолько успешной, что могла полностью вытеснить ранее существовавшие формы. Мы не знаем, каковы были эти формы, но одним из вариантов представляется РНК.
РНК похожа на ДНК, только гораздо проще и без двойной спиральной структуры. Короткие отрезки РНК могут самовоспроизводиться, как ДНК, и постепенно складываться в ДНК. Мы не в состоянии создать нуклеотиды, не говоря уж о РНК, в лабораторных условиях из неживого материала[22]. Но на протяжении 500 миллионов лет, когда океаны покрывали почти всю поверхность планеты, не исключена возможность того, что РНК возникла случайно.
По мере самовоспроизводства ДНК не исключена вероятность случайных ошибок, многие из которых оказывались вредными и вели к гибели видов. Некоторые оказывались нейтральными и никак не влияли на функционирование генов. А отдельные ошибки оказывались благотворными для выживания видов – и попадали в ряд дарвиновского естественного отбора.
Поначалу процесс биологической эволюции шел очень медленно. Потребовалось 2,5 миллиарда лет для того, чтобы первые клетки эволюционировали до многоклеточных организмов. За последующий миллиард лет некоторые из них развились до рыб, а некоторые рыбы, в свою очередь, превратились в млекопитающих. С тех пор скорость эволюции неизменно возрастала. На эволюцию первых млекопитающих до нас ушло всего 100 миллионов лет. Дело в том, что первые млекопитающие уже имели свои версии жизненно важных органов, которыми обладаем мы. Следовательно, для эволюции ранних млекопитающих до человека потребовалась лишь тонкая настройка.
Но эволюция человеческой расы вышла на критическую стадию, сопоставимую по значимости с развитием ДНК. Речь идет о формировании речи, в особенности – письменной речи. После этого передача информации от поколения к поколению стала возможна не только генетически, через ДНК, но и иным способом. За 10 000 лет письменной истории можно выявить несколько различимых изменений в человеческой ДНК, обусловленных биологической эволюцией. Но объем знаний, передаваемых от поколения к поколению, вырос несоизмеримо. Я пишу книги, чтобы рассказать вам, что я узнал о Вселенной за свою долгую карьеру ученого, и, занимаясь этим, переношу знания из своего мозга на бумагу, чтобы вы могли прочитать их.
ДНК в человеческой яйцеклетке или сперматозоиде содержит примерно 3 миллиарда пар нуклеотидов. Однако бо́льшая часть информации, закодированной в этих последовательностях, кажется излишней или неактивной. Можно сказать, общий объем полезной информации в наших генах составляет приблизительно 100 миллионов бит. Один бит информации – это ответ «да/нет». А роман в бумажной обложке может содержать до 2 миллионов бит информации. Таким образом, человек представляет собой эквивалент 50 томам «Гарри Поттера». Фонд крупной национальной библиотеки составляет примерно 5 миллионов томов – или 10 триллионов бит. Объем информации, передаваемой книгами или через интернет, в 100 000 раз превышает объем информации, заложенной в ДНК.
Еще важнее то, что информацию, заложенную в книгах, можно изменять и обновлять гораздо быстрее. Наша эволюция от первых человекообразных обезьян заняла несколько миллионов лет. За это время полезная информация, содержащаяся в ДНК, изменилась, скорее всего, на несколько миллионов бит. То есть скорость биологической эволюции человека составила один бит в год. Для сравнения: каждый год только на английском языке публикуется примерно 50 000 книг, содержащих в целом около 100 миллиардов бит информации. Разумеется, подавляющая часть этой информации – мусор и не имеет никакой пользы для любой формы жизни. Но даже при этом скорость добавления полезной информации в миллионы, если не в миллиарды раз больше, чем в ДНК.
Это означает, что мы вступили в новую эволюционную фазу. Сначала эволюция происходила благодаря естественному отбору, в результате случайных мутаций. Эта дарвиновская фаза длилась примерно 3,5 миллиарда лет, в результате чего появились мы, существа, сформировавшие язык для обмена информацией. Но последние 10 000 лет мы находимся в так называемой фазе внешней передачи данных. За этот период
Некоторые пользуются термином «эволюция» только применительно к внутренне передаваемому генетическому материалу и возражают против его применения к информации, передаваемой внешними способами. На мой взгляд, это слишком узкая точка зрения. Мы больше, чем только наши гены. Мы можем быть не сильнее или, в основе, не намного разумнее наших пещерных предков. Но кардинально нас отличает от них сумма знаний, которые мы накопили за последние 10 000 лет, а в особенности за последние три столетия. Думаю, вполне законно принять более широкую точку зрения и включить внешне передаваемую информацию наряду с ДНК в эволюцию человеческой расы. Временна́я шкала эволюции в период внешней передачи информации – это временна́я шкала накопления информации. Некогда она составляла сотни, даже тысячи лет. Сейчас она сократилась до пятидесяти лет, а может, и того меньше. С другой стороны, мозг, который обрабатывает эту информацию, эволюционирует только в дарвиновской шкале времени, а ее диапазон – сотни тысяч лет. И это начинает создавать проблемы.
А есть ли разумная жизнь на Земле? Говоря серьезно, если где-то и существует разумная жизнь, то, видимо, очень далеко от нас, иначе она уже проявила бы себя на Земле. Думаю, мы узнали бы о визите; он мог бы выглядеть как в фильме «День независимости».
В XVIII веке, по некоторым сведениям, жил человек, который прочитал все написанные книги. Но в наши дни, если читать по одной книге в день, вам потребуются сотни тысяч лет, чтобы прочитать все книги из Национальной библиотеки. А будет написано и опубликовано еще большее количество книг.
Это означает, что ни один человек не может считать себя специалистом более чем в одной узкой области человеческих знаний. Сейчас приходится специализироваться во все более узких областях. Вероятно, это станет серьезной проблемой в будущем. Мы, безусловно, не сможем долго продолжать семимильными шагами наращивать знания, как это происходило в последние триста лет. Еще бо́льшим ограничением и опасностью для грядущих поколений является то, что в нас сохраняются инстинкты, и в особенности агрессивные, характерные для пещерного человека. Агрессия в форме порабощения или убийства, захвата людей и по сей день дает определенные преимущества в борьбе за выживание. Но теперь она способна уничтожить все человечество и большинство всей остальной жизни на Земле. До сих пор самая непосредственная опасность – ядерная война, но есть и другие, например распространение генетически модифицированного вируса. Или нестабильное влияние парникового эффекта.
У нас нет времени ждать, пока дарвиновская эволюция сделает нас разумнее и добропорядочнее. Но мы вступаем в новую фазу, которую можно назвать искусственной эволюцией, в ходе которой будем в состоянии изменять и совершенствовать наши ДНК. У нас уже есть карта ДНК. Это означает, что мы способны читать «книгу жизни» и, следовательно, вносить в нее поправки. Сначала эти изменения будут касаться исправления генетических дефектов – типа фиброзно-кистозной дегенерации и мышечной дистрофии, которые контролируются отдельными генами, поэтому их легко идентифицировать и исправить. Другие качества, например умственные способности, скорее всего, контролируются бо́льшим количеством генов, и найти их и обнаружить взаимосвязи будет гораздо труднее. Тем не менее я уверен, что в течение этого столетия люди поймут, как видоизменять и умственные способности, и даже такие инстинкты, как агрессия.
Вероятно, будут приниматься законы против применения генной инженерии на человеке. Но всегда найдутся люди, которые не смогут устоять перед искушением улучшить человеческие характеристики, такие как, например, объем памяти, сопротивляемость заболеваниям и продолжительность жизни. Как только появятся такие сверхчеловеческие существа, возникнут серьезные проблемы политического свойства, связанные с неусовершенствованными людьми. Предположительно, они либо вымрут, либо не будут иметь никакого значения. Вместо них появится раса самоконтролируемых существ, совершенствующих себя со все возрастающей скоростью.
Если человеческая раса сумеет переконструировать себя, сократить или ликвидировать риск самоуничтожения, вероятно, она сможет распространиться и колонизировать другие планеты и звезды. Однако дальние космические перелеты будут представлять значительную сложность для жизненных форм, основанных на химических процессах (основанных на ДНК, то есть таких, как мы). Естественная продолжительность жизни таких существ значительно короче времени путешествий. Согласно теории относительности, ничто не может перемещаться быстрее света, поэтому полет до ближайшей звезды и обратно потребует как минимум восьми лет, а в центр Галактики – около пятидесяти тысяч лет. В научной фантастике эти проблемы решаются за счет искривления пространства или путешествия через дополнительные измерения. Но я не думаю, что это когда-либо станет реальностью, как бы ни усовершенствовались наши интеллектуальные способности. Согласно теории относительности, если возможно перемещение быстрее света, то возможно и путешествие во времени, а это создаст проблемы с людьми, возвращающимися в прошлое и пытающимися его изменить. В таком случае уже сейчас можно ожидать появления большого количества любопытных туристов из будущего, жаждущих поглазеть на нашу причудливую старомодную жизнь.
В принципе, генная инженерия может продлить существование жизненных форм, основанных на ДНК, на неопределенно долгое время, по крайней мере на 100 000 лет. Но гораздо проще и уже почти в наших современных возможностях отправить в космос механизмы. Можно спроектировать срок их действия на время, достаточное для межзвездных путешествий. Прибывая к новой звезде, они смогут совершить посадку на подходящей планете и добыть минералы, необходимые для создания новых механизмов, которые могут быть отправлены к еще более далеким звездам. Эти механизмы могут стать новой формой жизни, только основанной не на макромолекулах, а на механических и электронных компонентах. Со временем они могут заменить жизнь, основанную на ДНК, – так же как ДНК, возможно, заменила более ранние формы жизни.
Каковы шансы на то, что в процессе исследования Галактики мы можем столкнуться с инопланетной формой жизни? Если аргумент насчет временно́й шкалы для возникновения жизни на Земле корректен, то должно быть довольно много звезд, на планетах которых есть жизнь. Отдельные из этих звездных систем сформировались за миллиарды лет до образования Земли – так почему бы галактике не кишеть самоконтролируемыми механическими или биологическими формами жизни? Почему Землю никто не колонизирует и даже не посещает? Кстати сказать, я отрицательно отношусь к предположениям о том, что в НЛО находятся инопланетные существа. Думаю, любой визит инопланетян должен был бы стать более очевидным и, вероятно, заодно и весьма малоприятным.
Так почему нас никто не посещает? Не исключено, что вероятность спонтанного зарождения жизни настолько мала, что Земля оказалась единственной планетой в Галактике – или в наблюдаемой Вселенной, – на которой это оказалось возможно. Есть иной вариант: существует реальная вероятность формирования самовоспроизводящихся систем типа клеток, но большинство таких форм жизни не эволюционировало до уровня разумных существ. Мы привыкли считать разумную жизнь неизбежным следствием эволюции, но так ли это? Антропный принцип напоминает, что следует с осторожностью относиться к подобным утверждениям. Более вероятно, что эволюция – это хаотический процесс и что формирование разума – лишь один из множества возможных результатов.
Даже совсем не обязательно, что разум каким-то образом полезен для выживаемости в долгосрочной перспективе. Бактерии и другие одноклеточные организмы могут остаться, даже если в результате человеческой деятельности вся остальная жизнь на Земле окажется уничтожена. Возможно, разум был неперспективным направлением для формирования жизни на Земле, поскольку потребовалось очень много времени – 2,5 миллиарда лет, – чтобы пройти путь от отдельных клеток до многоклеточных организмов, необходимых предшественников разумной жизни. Это довольно большой отрезок доступного времени до момента гибели Солнца, что вполне согласуется с гипотезой о том, что вероятность формирования разума у жизненных форм чрезвычайно мала. В таком случае мы можем обнаружить в Галактике множество других форм жизни, но маловероятно, что найдем разумных существ.
Жизнь может не проэволюционировать до разумных форм и по другой причине: например, планета столкнется с астероидом или кометой. В 1994 году мы наблюдали столкновение кометы Шумейкеров – Леви с Юпитером. В результате возникло несколько гигантских огненных вспышек. Считается, что столкновение относительно более мелкого тела с Землей, произошедшее 66 миллионов лет назад, привело к исчезновению динозавров. Несколько видов мелких ранних млекопитающих выжили, но все живое размером с человека и крупнее почти наверняка было уничтожено. Трудно сказать, как часто происходят такие столкновения, но с определенной долей вероятности можно утверждать, что их периодичность составляет приблизительно 20 миллионов лет. Если так, то это означает, что разумная жизнь на Земле сформировалась лишь благодаря той счастливой случайности, что в последние 66 миллионов лет ничего подобного не происходило. Другие планеты в Галактике, на которых формировалась жизнь, могли не иметь столь длительного периода существования без глобальных потрясений, достаточного для эволюции разумных существ.
Третий вариант состоит в том, что существует немалая вероятность для жизни сформироваться и развиться до разумных существ, но затем система становится нестабильной, и разумная жизнь уничтожает себя. Это очень пессимистический вариант, и я надеюсь, что он исключен.
Я предпочитаю четвертый: в космосе существуют другие формы разумной жизни, но мы их не замечаем.
В 2015 году меня пригласили на ланч в связи с проектами Breakthrough Listen Initiatives,[14] целью которых является поиск разумной внеземной жизни. В рамках проекта Breakthrough Listen проводятся наблюдения за звездным небом на двух радиотелескопах. Используется самое совершенное оборудование, проект имеет очень щедрое финансирование и обеспечен тысячами часов рабочего времени телескопов. В настоящее время это крупнейшая в мире научная программа, направленная на поиск свидетельств существования внеземных цивилизаций. Проект Breakthrough Message[15] – это международный конкурс по созданию посланий, которые могут быть прочтены развитой цивилизацией. Но пока мы сами не продвинулись несколько дальше, надо с осторожностью относиться к возможным ответам. На нашей нынешней стадии встреча с более развитой цивилизацией может оказаться похожей на встречу американских аборигенов с Колумбом, и я сомневаюсь, что аборигены были от этой встречи очень счастливы.
4
Можно ли предсказать будущее?
В древние времена мир, наверное, казался очень капризным. Наводнения, эпидемии, землетрясения, извержения вулканов происходили без предупреждения и без видимых причин. Примитивные общества относили природные явления к делу рук пантеона богов и богинь, поведение которых отличалось раздражительностью и эксцентричностью. Совершенно невозможно было предсказать, что у них на уме, и оставалось только надеяться заслужить их благосклонность дарами или поступками. Многие до сих пор отчасти придерживаются таких верований и пытаются договариваться с фортуной. Они обещают вести себя лучше или стать добрее, если сдадут сессию на отлично или пройдут экзамен на получение водительских прав.
Однако постепенно люди научились обращать внимание на некоторые закономерности в поведении природы. Эти закономерности были наиболее очевидны в наблюдениях за движением небесных тел. Так что астрономию можно считать первой и древнейшей наукой. Более трехсот лет назад Ньютон подвел под нее строгий математический базис. С тех пор мы пользуемся его теорией гравитации для предсказания движения почти всех небесных тел. Затем выяснилось, что и другие природные явления тоже подчиняются определенным научным законам. Это привело к появлению идеи научного детерминизма, которую, судя по всему, впервые публично озвучил французский ученый Пьер-Симон Лаплас. Мне бы хотелось процитировать его высказывания по этому поводу, но Лаплас сходен с Прустом в умении писать предложения бесконечной длины и сложности. Поэтому я лучше перефразирую его мысль. В принципе, он сказал, что если в конкретный момент мы знаем положение и скорость всех частиц во Вселенной, то можно вычислить их поведение в любой момент прошлого и будущего. Известна история, скорее всего апокрифичная, о том, что Наполеон спросил у Лапласа, как в его систему вписывается Бог. Лаплас ответил: «Сир, я не нуждаюсь в этой гипотезе». Не думаю, что этой фразой Лаплас хотел сказать, что Бога нет. Все проще: Бог не вмешивается и не нарушает законы природы. Это позиция любого серьезного ученого. Научный закон – не закон, если он соблюдается лишь в тех случаях, когда некая сверхъестественная сила предпочитает не реагировать и пустить все на самотек.
Идея о том, что состояние Вселенной в конкретный момент определяет состояние во все иные моменты, со времен Лапласа была главной научной доктриной. Она утверждает, что мы можем предсказать будущее, по крайней мере, в принципе. Впрочем, на практике наша способность предсказывать будущее строго лимитирована сложностью уравнений и тем фактом, что они часто обладают качеством под названием «хаос». Как известно всем, кто смотрел «Парк Юрского периода», это означает, что мелкое нарушение в одном месте может привести к глобальным изменениям в другом. От взмахов крыльев бабочки в Австралии может пролиться дождь в Центральном парке Нью-Йорка. Проблема в том, что это не повторяется. В следующий раз взмахи крыльев бабочки могут стать причиной явлений другого характера, которые тоже окажут свое влияние на погоду. Этот фактор хаоса и делает метеопрогнозы такими ненадежными.
Несмотря на практические сложности, научный детерминизм оставался официальной догмой на протяжении всего XIX столетия. И только в ХХ веке были сделаны два открытия, которые показали, что идея Лапласа о полноценном предсказании будущего не может быть реализована. Первое связано с квантовой механикой. В 1900 году немецкий физик Макс Планк, размышляя над поразительным парадоксом, выдвинул удивительную гипотезу. Согласно классическим идеям, восходящим к Лапласу, любое горячее тело, например раскаленный до красноты металлический брусок, должно испускать излучение. Оно должно терять энергию в радиодиапазоне, в диапазоне инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света, рентгеновского и гамма-излучения – всюду в равной степени. Это означает не только то, что мы все давно должны были умереть от рака кожи, но и то, что всё во Вселенной должно быть одинаковой температуры, а это очевидно не так.
Планк показал, что катастрофы можно избежать, если отказаться от идеи о том, что количество излучения может иметь любое значение. Он заявил, что излучение распространяется исключительно пакетами, или квантами определенного размера. Это все равно что сказать: нельзя приобрести в супермаркете сахар на развес, он должен быть расфасован в килограммовые пакеты. Энергия в пакетах, или квантах ультрафиолетового или рентгеновского излучения, выше, чем в квантах инфракрасного или видимого спектра света. А это означает, что если тело не такое раскаленное, как, например, Солнце, то ему не хватит энергии испустить даже единый квант ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Поэтому мы не получаем солнечные ожоги от чашки кофе.
Планк рассматривал идею квантов как математический трюк, не имеющий отношения к физической реальности, что бы это ни значило. Однако физики стали обнаруживать и другие явления, объяснить которые можно было только в количественных терминах, имеющих не бесконечно разнообразные, а дискретные, или квантованные, значения. Например, выяснилось, что элементарные частицы ведут себя как маленькие волчки, вращающиеся вокруг своей оси. Но количество вращения не может быть любым, оно должно быть каким-то целым количеством базовых единиц. Поскольку эта единица очень мала, невозможно заметить, что замедление вращения нормального волчка – это не гладкий процесс, а быстрая последовательность дискретных шагов. Для волчков размером с атом дискретный характер вращения имеет большое значение.
Прошло некоторое время, пока обратили внимание на значение этого квантового поведения для детерминизма. Только в 1927 году другой немецкий физик, Вернер Гейзенберг, указал, что невозможно одновременно точно определить положение и скорость частицы. Чтобы увидеть, где частица находится, на нее надо направить луч света. Но, согласно теории Планка, нельзя использовать произвольно малое количество света. Необходимо использовать как минимум один квант. Он окажет влияние на частицу и изменит ее скорость непредсказуемым образом. Для точного определения положения частицы нужен свет с короткой длиной волны – например, ультрафиолет, рентгеновские или гамма-лучи. Но опять, согласно Планку, кванты этих форм света обладают большей энергией, чем кванты света видимого спектра. Поэтому они сильнее будут влиять на скорость частицы. Возникает патовая ситуация: чем точнее ты пытаешься определить положение частицы, тем с меньшей точностью можешь узнать ее скорость и наоборот. Это и отражено в сформулированном Гейзенбергом принципе неопределенности: неопределенность положения частицы, умноженная на неопределенность ее скорости, всегда больше, чем величина постоянной Планка, поделенная на удвоенную массу частицы.
Научный детерминизм Лапласа подразумевает точное определение положения и скорости частиц во Вселенной в любой конкретный момент времени. Принцип неопределенности Гейзенберга сильно подрывает эту теорию. Как можно предсказывать будущее, если невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частиц даже в настоящее время? Каким бы мощным ни был ваш компьютер, если вы заложите в него некачественные данные, вы получите некачественные предсказания.
Эйнштейну крайне не нравилась эта неопределенность в природе. Свое отношение к этому он выразил в знаменитой фразе: «Бог не играет в кости». Похоже, ему казалось, что неопределенность эта условная и что существует фундаментальная реальность, в которой частицы обладают четко определенным положением и скоростью согласно детерминистским законам в духе Лапласа. Эта реальность может быть известна Богу, но квантовая природа света не дает нам возможности увидеть ее, кроме как сквозь мутное стекло.
Позиция Эйнштейна соответствует тому, что позже получило название «теории скрытых параметров».
Теории скрытых параметров кажутся наиболее очевидным способом примирить принцип неопределенности с физикой как наукой. Они образуют основу мысленной картины Вселенной, которой придерживаются многие ученые и почти все философы науки. Но они ошибочны. Британский физик Джон Белл доказал, что можно провести эксперимент, подтверждающий ложность теорий скрытых параметров. Если эксперимент проводить достаточно тщательно, результаты окажутся несовместимы со скрытыми параметрами. Таким образом, получается, что даже Бог подчиняется принципу неопределенности и не может знать одновременно положение и скорость частицы. Все свидетельствует о том, что Бог – закоренелый игрок, бросающий кости при каждом удобном случае.
Другие ученые оказались более, чем Эйнштейн, готовы модифицировать взгляды XIX века на детерминизм. Вернер Гейзенберг, австриец Эрвин Шрёдингер и британский физик Поль Дирак выдвинули теорию квантовой механики. Дирак был одним из моих предшественников на должности Лукасовского профессора в Кембридже. Квантовая механика существует уже более семидесяти лет, но до сих пор не получила широкого понимания и поддержки – даже у тех, кто пользуется ею для своих расчетов. Однако она имеет отношение ко всем нам, поскольку принципиально отличается от классической картины физической Вселенной и самой реальности. В квантовой механике частицы не обладают четко определенными положением и скоростью. Они представлены в виде так называемой волновой функции. Это – число в каждой точке пространства. Значение волновой функции указывает на вероятность нахождения частицы в конкретном месте. Интенсивность, с которой значение волновой функции варьируется от точки к точке, дает скорость частицы. Есть ситуация, при которой волновая функция имеет четко выраженные пики в небольшой области. Это будет означать, что неопределенность положения мала. Но волновая функция очень быстро варьируется близ пика – идя вверх с одной стороны и вниз – с другой. В таком случае будет очень велика неопределенность скорости. Аналогичным образом, могут быть волновые функции, при которых неопределенность скорости мала, а неопределенность положения – велика.
Волновая функция содержит все, что можно знать о частицах в плане их положения и скорости. Если известна волновая функция в конкретный момент времени, тогда ее значения в другие моменты времени определяются с помощью уравнения Шрёдингера. Оно обладает известной степенью детерминизма, но это не тот детерминизм, который представлял себе Лаплас. Мы не можем предсказать положение и скорость частиц; мы можем предсказать только волновую функцию. Это означает, что мы в состоянии предсказать лишь половину того, что могли бы в соответствии с классическими представлениями XIX века.
Когда мы пытаемся предсказать и положение и скорость, квантовая механика ведет к неопределенности; но она с высокой долей определенности позволяет предсказать комбинацию положения и скорости. Однако новейшие исследования ставят под сомнение и эту степень определенности. Проблема возникает потому, что гравитация может искривлять пространство-время до такой степени, что мы просто не в состоянии наблюдать некоторые области пространства.
Короткий ответ – и да, и нет. В принципе, законы позволяют нам предсказывать будущее. Но на практике расчеты зачастую слишком сложны.
К таким областям относятся внутренности черных дыр. Это означает, что мы не в состоянии – даже в принципе – наблюдать частицы внутри черной дыры. То есть мы вообще не можем измерить их положение или скорость. В связи с этим возникает вопрос: не появляется ли еще новая непредсказуемость помимо той, которую показывает квантовая механика.
Подводя итог, можно сказать так. Классическая теория, выдвинутая Лапласом, говорит о том, что если известны положение и скорость частиц в конкретный момент времени, то последующие их движения четко предопределены. Эта идея получила новое толкование после того, как Гейзенберг предложил принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно указать положение и скорость частицы. Тем не менее остается возможность предсказать комбинацию положения и скорости. Не исключено, что и эта ограниченная предсказуемость исчезнет, если принимать во внимание черные дыры.
5
Что внутри черных дыр?
Говорят, что факты порой причудливей вымысла, и нигде это не оправдывается в большей степени, чем в черных дырах. Черные дыры необычнее всех выдумок писателей-фантастов, и при этом их существование – доказанный научный факт.
Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Его идея заключалась в следующем. Если выстрелить частицу, например пушечное ядро, вертикально вверх, сила гравитации будет замедлять ее движение. Постепенно частица перестанет двигаться вверх и начнет падать обратно. Однако если первоначальная вертикальная скорость будет выше определенного критического значения, так называемой скорости убегания, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить частицу, и она улетит. Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду, а для Солнца – примерно 617 километров в секунду. И та и другая значительно выше скорости реального пушечного ядра. Но они невысоки по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 километров в секунду. Таким образом, свет без особого труда может покинуть и Землю, и Солнце. Однако Мичелл отметил, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость убегания будет превышать скорость света. Мы не в состоянии их увидеть, потому что свет, испускаемый ими, притягивается обратно благодаря силе гравитации. Мичелл назвал их «темными звездами». Сейчас мы называем их черными дырами.
Чтобы понять их, нужно начать с гравитации. Гравитация описана в общей теории относительности Эйнштейна, которая также является теорией пространства и времени. Поведение пространства и времени определяется рядом уравнений, которые Эйнштейн вывел в 1915 году. С тех пор они так и называются – уравнения Эйнштейна. Хотя гравитация считается самой слабой из известных сил природы, у нее есть два существенных преимущества перед ними. Во-первых, она действует на большом расстоянии. Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, до которого 150 миллионов километров. Солнце вращается по орбите вокруг центра Галактики, до которого примерно 25 000 световых лет. Второе преимущество заключается в том, что гравитация всегда положительная, в отличие от электрических сил, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Эти две характеристики означают, что у достаточно крупной звезды гравитационное притяжение между частицами доминирует над всеми остальными силами и приводит к гравитационному коллапсу. Несмотря на эти факты, научное сообщество долго шло к пониманию, что массивные звезды под воздействием собственной гравитации могут обрушиваться внутрь себя, и не могло представить, как будут вести себя возникшие в результате объекты. Альберт Эйнштейн в 1939 году даже опубликовал статью, в которой утверждал, что гравитация не может привести к коллапсу звезды, потому что материя не может сжиматься плотнее определенных величин. Многие ученые соглашались с интуитивной догадкой Эйнштейна. Главным исключением стал американский ученый Джон Уилер, которого во многом можно считать главным героем истории о черных дырах. В работах 1950–1960-х годов он доказывал, что многие звезды должны со временем переживать коллапс, и исследовал проблемы, которые в связи с этим могут возникнуть для теоретической физики. Он также предсказал многие свойства объектов, в которые превращаются звезды после гравитационного коллапса, то есть черных дыр.
На протяжении основной части жизни обычной звезды, длящейся много миллиардов лет, она противостоит собственной гравитации за счет теплового давления, создаваемого термоядерным процессом, в ходе которого водород превращается в гелий. Но постепенно ядерное топливо звезды заканчивается. Звезда начинает сжиматься. В некоторых случаях она может сохраниться как белый карлик – плотные остатки звездного ядра. Однако в 1930 году Субраманьян Чандрасекар доказал, что максимальная масса звезды – белого карлика не может более чем в 1,4 раза превышать массу Солнца. Аналогичную предельную массу рассчитал советский физик Лев Ландау для нейтронной звезды.
Как же складывается судьба бесконечного количества звезд с массой, превышающей предельную массу белого карлика или нейтронной звезды, у которых заканчивается ядерное горючее? Проблему изучал Роберт Оппенгеймер, которого часто называют «отцом атомной бомбы». В паре статей 1939 года, написанных в соавторстве со своими учениками Джорджем Волковым и Хартлендом Снайдером, Оппенгеймер показал, что такие звезды не в состоянии сохранять необходимое давление. А при отсутствии давления однородная сферически-симметричная звезда должна сжаться до точки, обладающей бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью. Все наши теории пространства опираются на предположение, что пространство-время ровное и практически плоское, поэтому в точке сингулярности, где искривление становится бесконечным, оно прерывается. То есть сингулярность – это конец пространства и времени.
Это вызывало сильные возражения у Эйнштейна.
Затем вмешалась Вторая мировая война. Большинство ученых, включая Роберта Оппенгеймера, переключили внимание на ядерную физику, и тема гравитационного коллапса оказалась практически заброшена. Интерес к предмету возродился с открытием удаленных объектов, которые назвали квазарами. Первый квазар, получивший номер 3С 273, был обнаружен в 1963 году. Вскоре нашли много других. Они были очень яркими, несмотря на огромную удаленность от Земли. Такое излучение нельзя было объяснить ядерными процессами, поскольку на выделение энергии в них тратится лишь незначительная часть массы покоя. Единственной альтернативой могла считаться гравитационная энергия, испускаемая вследствие гравитационного коллапса.
Таким образом был вторично обнаружен гравитационный коллапс.
Когда подобное происходит, сила гравитации притягивает к объекту всю окружающую материю. Было понятно, что унифицированная сферическая звезда должна сжаться до точки бесконечной плотности, до сингулярности. А что может произойти, если звезда не однородная и не сферическая? Может ли неравномерное распределение звездного вещества стать причиной неоднородного коллапса, тем самым позволив избежать сингулярности? В замечательной статье 1965 года Роджер Пенроуз, опираясь исключительно на тот факт, что гравитация – сила притяжения, показал, что и в таком случае возникает сингулярность.
В сингулярности уравнения Эйнштейна перестают действовать. Это означает, что в точке бесконечной плотности невозможно предсказать будущее. Из этого следует, что при коллапсе звезды должно происходить нечто странное. На нас никак не может повлиять нарушение предсказуемости, если сингулярность не обнажена – то есть не защищена извне. Пенроуз выдвинул принцип космической цензуры: все сингулярности, образованные в результате коллапса звезд или иных объектов, скрыты от наблюдателя внутри черных дыр. Черная дыра – область, где гравитация настолько сильна, что свет не может ее покинуть. Принцип космической цензуры почти наверняка верен, поскольку множественные попытки опровергнуть его успехом не увенчались.
В 1967 году Джон Уилер предложил термин «черная дыра» вместо существовавшего раньше термина «застывшая звезда». Выражение Уилера подчеркивает, что остатки коллапсировавших звезд существуют сами по себе вне зависимости от того, как они формировались. Новый термин быстро прижился.
Извне невозможно понять, что происходит внутри черной дыры. Что бы в нее ни попадало, каким бы образом она ни сформировалась, черная дыра выглядит одинаково. Джон Уилер выразился по этому поводу так: «У черных дыр нет волос».
Черная дыра имеет границу, которая называется горизонтом событий. В этой области сила гравитации достаточно сильна, чтобы удерживать свет и не дать ему покинуть черную дыру. А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, то и все остальное тоже постоянно затягивается назад и не может ее покинуть. Падение сквозь горизонт событий можно сравнить с катанием на каноэ у Ниагарского водопада. Если вы достаточно далеко от края, вы можете отплыть от него, если грести очень быстро. Но рядом с обрывом вам уже ничто не поможет. Течение ускоряется. Нос каноэ тянет вперед сильнее, чем корму. Есть опасность, что лодку унесет течением. То же самое с черными дырами. Если вы падаете в черную дыру ногами вперед, гравитация будет действовать сильнее на ноги, чем на голову, потому что ноги ближе к черной дыре. В результате вас будет растягивать в длину и сжимать по бокам. Если черная дыра обладает массой в несколько раз больше солнечной, вы будете разорваны и превращены в спагетти прежде, чем достигнете горизонта. Но если черная дыра обладает массой в миллион раз больше солнечной, то сила гравитации будет действовать равномерно на все тело и вы без проблем достигнете горизонта. Так что если соберетесь исследовать внутренности черной дыр, постарайтесь выбрать объект покрупнее. Например, в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца.
Падая в черную дыру, вы ничего не заметите. Стороннему наблюдателю ни за что не удастся увидеть, как ваше тело проходит сквозь горизонт событий. Падение будет замедляться, и тело зависнет снаружи. Только силуэт будет становиться все более размытым, обретать красный цвет, а потом просто исчезнет из виду. С точки зрения внешнего мира, вы исчезнете навсегда.
Вскоре после рождения моей дочери Люси меня посетило озарение. Я открыл теорему площади. Если общая теория относительности верна и плотность энергии материи положительна, как это обычно бывает, тогда площадь горизонта событий, или граница черной дыры, должна обладать свойством обязательно увеличиваться при попадании в черную дыру нового вещества или излучения. Более того, если две черные дыры столкнутся и сольются в одну, площадь горизонта событий новой дыры должна быть больше суммы площадей горизонтов событий двух исходных объектов. Теорему площади оказалось возможным экспериментально проверить в лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Четырнадцатого сентября 2015 года LIGO зафиксировала гравитационные волны от столкновения и слияния двух черных дыр. По форме гравитационной волны можно вычислить массу и момент импульса черных дыр, а теорема об «отсутствии волос» дает возможность вычислить площади горизонтов.
Эти характеристики предполагают, что существует сходство между площадью горизонта событий черной дыры и одним из терминов традиционной классической физики, а именно энтропией в термодинамике. Энтропию можно рассматривать как меру неопределенности (хаотичности) некой системы или, что эквивалентно, отсутствия знания о ее точном состоянии. Знаменитый второй закон термодинамики гласит, что энтропия нарастает со временем. Это открытие стало первым намеком на сущствующее сходство.
Аналогии между характеристиками черной дыры и законами термодинамики можно расширить. Первый закон термодинамики гласит, что небольшое изменение в энтропии системы сопровождается пропорциональным изменением в энергии системы. Нам с Брэндоном Картером и Джимом Бардином удалось обнаружить сходный закон, связывающий изменение массы черной дыры с изменением площади горизонта событий. Здесь коэффициент пропорциональности включает величину, которая называется поверхностной гравитацией, то есть мерой силы гравитационного поля на горизонте событий. Если допустить, что площадь горизонта событий является аналогом энтропии, тогда получится, что поверхностная гравитация – аналог температуры. Сходство усиливается тем, что поверхностная гравитация одинакова во всех точках горизонта событий, так же как температура во всех точках тела в состоянии теплового равновесия.
Но если сходство между энтропией и площадью горизонта событий очевидно, пока не ясно, как эта площадь может стать энтропией самой черной дыры. Вообще, что такое энтропия черной дыры? Важнейшее предположение высказал в 1972 году Яаков Бекенштейн, который в это время был докторантом в Принстонском университете. Выглядит оно так. Когда в результате гравитационного коллапса образуется черная дыра, она быстро переходит в стационарное состояние, определяемое тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом.
Таким образом, получается, что окончательное состояние черной дыры не зависит ни от вещества, из которого она образовалась (вещество или антивещество), ни от предыдущей формы (сферическая или крайне несимметричная). Иными словами, черная дыра, имеющая определенную массу, момент импульса и электрический заряд, может образоваться при коллапсе большого количества различных конфигураций вещества. Так что внешне одинаковые черные дыры могут образовываться при коллапсе различных типов звезд. Если пренебречь квантовым эффектом, количество таких конфигураций может быть бесконечным, поскольку черная дыра может возникнуть при коллапсе облака, состоящего из неопределенно большого количества частиц неопределенно малой массы. Но неужели количество конфигураций действительно бесконечно?
Квантовая механика отлично согласуется с принципом неопределенности. А он утверждает, что у любого объекта невозможно одновременно измерить положение и скорость. Если точно определить положение, останется неизвестной скорость. Если измерять скорость, не получится определить положение. На практике это означает, что ничего локализовать невозможно. Допустим, вам нужно определить размеры движущегося объекта. Для этого нужно установить, где находятся его границы. Но точно это сделать никак не получится, потому что для этого нужно одновременно определять и положение границ объекта, и его скорость. Следовательно, размеры объекта определить не удастся. Все, что вам остается, – заявить, что из-за принципа неопределенности невозможно точно установить реальные размеры чего бы то ни было. Оказывается, что принцип неопределенности устанавливает предел на размер объектов. После несложных вычислений оказывается, что для конкретной массы объекта существует минимальный размер. Минимальный размер меньше для тяжелых объектов. Чем легче объект, тем больше должен быть его минимальный размер. Этот минимальный размер можно считать следствием того факта, что в квантовой механике объекты могут быть представлены либо как волна, либо как частица. Чем легче объект, тем больше у него длина волны, поэтому он больше распространяется. Чем массивнее объект, тем меньше длина волны, поэтому он видится более компактным. Если эти идеи соединить с общей теорией относительности, окажется, что черные дыры могут образовывать только объекты массивнее определенного предела, который примерно равен массе крупицы соли. Другим следствием этих представлений является то, что количество конфигураций, которые могут формировать черную дыру с конкретными массой, моментом импульса и электрическим зарядом, пусть и очень большое, но все-таки конечное. Яаков Бекенштейн предположил, что исходя из этого конечного числа можно объяснить энтропию черной дыры. Это может быть мерой количества информации, которая оказалась безвозвратно утраченной в процессе коллапса, приведшего к образованию черной дыры.
Несомненно, фатальная ошибка в рассуждениях Бекенштейна заключается в следующем. Если черная дыра обладает конечной энтропией, которая пропорциональна площади горизонта событий, то она должна иметь температуру, отличную от нуля и пропорциональную поверхностной гравитации. Из этого следует, что черная дыра должна находиться в равновесии с тепловым излучением при некой температуре, отличной от нуля. Однако согласно классической концепции такое равновесие невозможно, поскольку черная дыра поглощает любое тепловое излучение, воздействующее на нее, но по определению не может ничего излучать в ответ. Она не излучает ничего, и не излучает тепло.
В этом заключается парадокс природы черных дыр – невероятно плотных объектов, возникающих в результате звездного коллапса. Согласно одной теории, черные дыры с идентичными качествами могут быть образованы из бесконечного количества различных типов звезд. Другая утверждает, что количество может быть конечным. Это проблема информации: считается, что каждая частица и каждая сила во Вселенной содержат информацию.
Поскольку у черных дыр «нет волос», как выразился Джон Уилер, сторонний наблюдатель не может увидеть, что происходит внутри черной дыры. Можно определить только ее массу, заряд и вращение. Это означает, что черная дыра должна хранить множество информации, скрытой от внешнего мира. Но существует предел объема информации, которую можно поместить в отдельной области пространства. Информации требуется энергия, а энергия обладает массой согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc2. Соответственно, если в какой-то области пространства скапливается слишком много информации, она свалится в черную дыру, и размер этой дыры будет отражать количество информации. Это все равно что натаскивать все больше и больше книг в библиотеку. Постепенно полки прогнутся, и библиотека коллапсирует в черную дыру.
Если объем скрытой информации в черной дыре зависит от размера дыры, можно на основании общих принципов полагать, что у черной дыры есть температура и дыра должна светиться, как кусок раскаленного металла. Но невозможно, потому что ничто не может покинуть черную дыру. Или все думали, что не может.
Проблема оставалась нерешенной до начала 1974 года. Я в это время исследовал, как будет вести себя материя поблизости от черной дыры согласно законам квантовой механики. К моему великому изумлению, я выяснил, что черная дыра, судя по всему, все-таки с равномерной интенсивностью излучает частицы. Как все остальные в то время, я принимал как данность, что черная дыра не может ничего излучать. Поэтому я приложил немало усилий, чтобы разубедиться в этой дурацкой идее. Но чем больше я думал, тем упорнее она отказывалась исчезать, и в конце концов мне пришлось с ней смириться. Вот что окончательно убедило меня в том, что это реальный физический процесс: излучаемые частицы обладали четким тепловым спектром. Мои расчеты показывали, что черная дыра создает и испускает частицы и излучение, словно обычное раскаленное тело, при температуре, прямо пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Таким образом, спорная гипотеза Яакова Бекенштейна о том, что черная дыра обладает конечной энтропией, оказалась вполне убедительной, поскольку она предполагает, что черная дыра может находиться в тепловом равновесии при некой определенной температуре, отличной от нуля.
Большими неприятностями. Если это дыра звездной массы, он превратится в спагетти, даже не достигнув горизонта. Если это сверхмассивная черная дыра, он без проблем пройдет сквозь горизонт, но в сингулярности будет выдавлен из бытия.
С тех пор математические доказательства наличия теплового излучения у черной дыры были подтверждены многими учеными, применявшими различные научные подходы. Один способ понять излучение заключается в следующем. Квантовая механика предполагает, что все пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц, которые постоянно материализуются в пары, разделяются и вновь соединяются или уничтожают друг друга. Эти частицы называются виртуальными, потому что, в отличие от реальных, их невозможно непосредственно наблюдать с помощью детектора частиц. Тем не менее косвенное влияние можно измерить, и их существование подтверждается небольшими колебаниями, или Лэмбовским сдвигом,[16] которые они производят в спектре световой энергии, излучаемой возбужденными атомами водорода. При наличии черной дыры один член пары виртуальных частиц может упасть в дыру, оставив второго без партнера, с которым должна была произойти взаимная аннигиляция. Оставшаяся частица или античастица может упасть в черную дыру вслед за партнером, а может и улететь в бесконечность, где проявит себя как излучение, испускаемое черной дырой.
Другой способ посмотреть на этот процесс – представить члена пары частиц, который попадает в черную дыру – допустим, античастицу, – как реальную частицу, но перемещающуюся назад, в прошлое. В таком случае античастицу, попадающую в черную дыру, можно рассматривать как частицу, вылетающую из черной дыры, но перемещающуюся назад, в прошлое. Когда эта частица достигает точки, в которой первоначально материализовалась пара частица – античастица, ее размазывает гравитационное поле, и она перемещается вперед, в будущее.
Черная дыра с массой Солнца должна терять частицы в таком малом темпе, что их невозможно обнаружить. Однако возможно существование гораздо более мелких, миниатюрных черных дыр, массой, скажем, с гору. Они могли образоваться в очень молодой Вселенной, если бы она была хаотичной и несимметричной. Черная дыра с массой горы должна испускать рентгеновские и гамма-лучи с интенсивностью примерно в 10 миллионов мегаватт, чего хватило бы для обеспечения энергией нашей планеты. Впрочем, использовать такую миниатюрную черную дыру будет непростым делом. Ее нельзя поместить в электростанцию, потому что она проткнет пол и провалится в центр Земли. Если бы у нас была такая черная дыра, мы могли бы ей воспользоваться, только поместив ее на околоземную орбиту.
Поиски миниатюрных черных дыр такой массы ведутся, но пока ни к чему не привели. Жаль, потому что в случае удачи я получил бы Нобелевскую премию. Впрочем, другая возможность заключается в создании миниатюрных черных дыр в дополнительных измерениях пространства-времени. Согласно некоторым теориям, Вселенная, в которой мы находимся, всего лишь четырехмерная поверхность в десяти- или одиннадцатимерном пространстве. Фильм «Интерстеллар» (2014) дает некоторое представление о том, на что это похоже. Мы не можем видеть эти дополнительные измерения, потому что свет в них не распространяется: ему доступны только четыре измерения нашей Вселенной. А вот гравитация может оказывать влияние на дополнительные измерения, и сила ее там может оказаться гораздо больше, чем в нашей Вселенной.
Таким образом, в дополнительных измерениях создать черную дыру окажется гораздо проще. Это можно будет наблюдать на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Коллайдер представляет собой туннель – кольцо протяженностью 27 километров. Два потока частиц перемещаются в этом туннеле в противоположных направлениях и сталкиваются. В результате этих столкновений могут образоваться миниатюрные черные дыры. Они будут излучать частицы с характеристиками, которые легко будет распознать. Так что я, в конце концов, мог бы стать лауреатом Нобелевской премии. («Нобелевская премия не присуждается посмертно, поэтому, к сожалению, этой мечте не суждено сбыться».)
По мере того как частицы покидают черную дыру, она теряет массу и съеживается. Это увеличивает интенсивность испускания частиц. Постепенно черная дыра потеряет всю свою массу и исчезнет. А что тогда произойдет со всеми частицами и неудачливыми астронавтами, которые в нее упали? После исчезновения черной дыры они не могут восстановиться. Частицы, покидающие черную дыру, должны быть абсолютно хаотическими и не иметь никакого отношения к тому, что когда-то упало в дыру. Получается, что информация о том, что оказалось в черной дыре, помимо общего объема массы и вращения, теряется навсегда. Но если информация исчезает, это вызывает серьезную проблему, которая затрагивает сами основы наших представлений о науке. На протяжении более 200 лет мы верили в научный детерминизм, то есть в то, что научные законы определяют эволюцию Вселенной.
Если информация в черных дырах действительно пропадает, мы не сможем предсказывать будущее, поскольку черная дыра может испускать любой набор частиц. Она может испустить работающий телевизор или том сочинений Шекспира в кожаном переплете, хотя шансы на такие экзотические явления чрезвычайно малы. Более вероятно, что она будет испускать тепловое излучение, подобное свечению раскаленного докрасна куска металла. Может показаться, что наша неспособность предсказать, что будет излучать черная дыра, не имеет большого значения. Рядом с нами нет черных дыр. Но это вопрос принципа. Если детерминизм, предсказуемость Вселенной, перестает действовать в черных дырах, то он может перестать действовать и в других ситуациях. Могут существовать черные дыры, которые возникают как флуктуации из вакуума, поглощают один набор частиц, испускают другие и растворяются в вакууме снова. Хуже того, если не работает детерминизм, мы не можем быть уверены и в нашей прошлой истории. Исторические труды и наши воспоминания могут оказаться иллюзиями. Прошлое объясняет нам, кто мы такие. Без него мы утратим свою идентичность.
Очень важно четко определить, действительно ли в черных дырах вся информация пропадает бесследно или в принципе ее можно восстановить. Многие ученые полагают, что информация не должна исчезать, но на протяжении многих лет еще никто не предложил механизма, с помощью которого ее можно сохранить. Эта очевидная утрата информации, известная как информационный парадокс, беспокоит ученых последние сорок лет и до сих пор остается одной из важнейших нерешенных проблем теоретической физики.
Недавно интерес к возможности разрешения информационного парадокса возродился благодаря новым открытиям в области объединения гравитации и квантовой механики. Центральным для этого научного прорыва является понимание симметричности пространства-времени.
Предположим, гравитации не существует, а пространство-время абсолютно плоское. Это можно сравнить с совершенно безжизненной пустыней. Такое место обладает двумя типами симметрии. Первый называется трансляционной симметрией. Если перемещаться в такой пустыне от одной точки к другой, то вы не заметите никаких изменений. Второй тип – вращательная симметрия. Если встать в какой-то точке пустыни и начать поворачиваться, вы тоже не заметите никаких различий в том, что открывается перед глазами. Такие симметрии также встречаются в «плоском» пространстве-времени, в пространстве-времени, которое существует при отсутствии материи.
Но если что-то поместить в эту пустыню, симметрия будет нарушена. Допустим, в пустыне появились гора, оазис и несколько кактусов: в таком случае в разных точках и различных направлениях она будет выглядеть иначе. Это справедливо и в отношении пространства-времени. Если в пространстве-времени размещены объекты, то и трансляционная, и вращательная симметрии будут нарушены. Введение объектов в пространство-время и создает гравитацию. Черная дыра – это область пространства-времени с сильной гравитацией; пространство-время в ней сильно искажено, и можно ожидать, что симметрия там нарушена. Однако при удалении от черной дыры искривление пространства-времени становится все более слабым. Очень далеко от черной дыры пространство-время выглядит как совершенно плоское.
В далекие 1960-е годы Г. Бонди, A. Метцнер, M. ван дер Бург и Р. Сакс сделали поистине удивительное открытие: пространство-время на большом удалении от материи обладает бесконечным набором симметрий, которые назвали
В 2016 году я вместе со своими соавторами Малкольмом Перри и Эндрю Строминджером пытался применить эти новые результаты с имеющими к ним отношение связанными величинами для разрешения информационного парадокса. Мы знаем, что черная дыра обладает тремя явными параметрами: массой, зарядом и параметром вращения. Это классические заряды, о которых давно известно. Однако черная дыра содержит еще и супертрансляционный заряд. Возможно, черные дыры представляют собой нечто большее, чем мы думаем. На самом деле они не лысые и не с тремя волосками, а обладают большим количеством супертрансляционных волос.
Эти супертрансляционные волоски могут содержать закодированную информацию о том, что находится внутри черной дыры. Вероятно, супертрансляционные заряды содержат не всю информацию, но остальную можно получить благодаря дополнительным сохраняющимся величинам, суперротационным зарядам, ассоциированным с некими дополнительными связанными симметриями – суперротациями, о которых пока мало что известно. Если это верно и всю информацию о черной дыре можно понять в показателях ее «волос», то, возможно, потери информации и не происходит. Эта идея недавно получила подтверждение в новейших исследованиях. Строминджер, Перри, я и аспирантка Саша Хако выяснили, что эти суперротационные заряды могут отвечать за всю энтропию любой черной дыры. Квантовая механика остается в силе, и информация хранится на горизонте, на поверхности черной дыры.
Известными характеристиками черной дыры по-прежнему остаются ее общая масса, электрический заряд и вращение снаружи горизонта событий, но сам горизонт событий содержит информацию, дополняющую эти три характеристики, необходимую для того, чтобы понять, что упало в черную дыру. Процесс познания продолжается, но информационный парадокс остается неразрешимым. Впрочем, я оптимист и надеюсь, что мы движемся в правильном направлении. Следите за новостями.
6
Возможно ли путешествие во времени?
В научной фантастике искривление пространства и времени – обычное дело. Его используют для быстрого перемещения по Галактике или для путешествий во времени, но научная фантастика сегодняшнего дня зачастую становится научным фактом дня завтрашнего. Так каковы шансы путешествий во времени?
Идея о том, что пространство и время могут искривляться, или искажаться, возникла совсем недавно. Более двух тысяч лет аксиомы эвклидовой геометрии считались самоочевидными. Те из вас, кому приходилось учить геометрию в школе, могут помнить одно из следствий этих аксиом: сумма углов треугольника равна 180 градусам.
Тем не менее в прошлом веке люди начали понимать, что возможны и другие представления о геометрии и что сумма углов треугольника не обязательно должна составлять 180 градусов. Возьмем, к примеру, поверхность Земли. Максимально приближенная к прямой линия на поверхности Земли называется «большим кругом». Это кратчайший путь между двумя точками, поэтому именно так прокладывают дальние маршруты пассажирских авиалайнеров. Представим теперь треугольник на поверхности Земли, сторонами которого будут экватор, нулевой меридиан, проходящий через Лондон, и меридиан в 90 градусов восточной долготы, проходящий через Бангладеш. Эти два меридиана пересекают экватор под прямым углом в 90 градусов. На Северном полюсе они тоже встречаются под углом в 90 градусов. Таким образом, получается треугольник с тремя прямыми углами. Сумма их составляет, как нетрудно посчитать, 270 градусов, что гораздо больше суммы углов треугольника, прочерченного на плоскости. А если нарисовать треугольник на седлообразной поверхности, может оказаться, что сумма его углов будет меньше 180 градусов.
Поделиться книгой: