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.
ЧЕМ ГРОЗИТ КОСМИЧЕСКОМУ ПУТЕШЕСТВЕННИКУ ПАДЕНИЕ В ЧЕРНУЮ ДЫРУ?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
