Кто такой Стивен Хокинг? Часть вторая: излучение Хокинга

Часть первая: восхождение легенды

Стивен Хокинг — странный, на первый взгляд, человек, не встающий с инвалидного кресла и потерявший способность говорить, двигаться, улыбаться (только глазами), и тем не менее автор грандиозных научно-популярных книг, революционных идей в науке… легенда, одним словом. В прошлый раз мы остановились, сказав, что Хокинг издал совместно с Bantam Books «Краткую историю времени», ставшую бестселлером.

Дальнейшая работа Хокинга в области стрел времени привела к публикации в 1985 году теории, что если его предположение об отсутствии границы (у черной дыры — как отсутствие границы у северного полюса: это пересечение линий) верно, то когда Вселенная прекратит расширяться и коллапсирует, время пойдет вспять. Позже он отказался от этой теории после того, как независимые вычисления ее оспорили, но она обеспечила ценный взгляд на возможную связь времени и расширения космоса.

В 1990-х годах Хокинг продолжал публиковать и читать лекции о своих теориях относительно физики, черных дыр и Большого Взрыва. В 1993 году он стал одним из редакторов книги по евклидовой квантовой гравитации вместе с Гари Гиббонсом, над этой теорией они работал в конце 70-х. Согласной этой теории, гравитационное поле черной дыры можно оценить с помощью функционального интегрального подхода, таким образом, избежав сингулярностей.

В том же году был опубликован сборник популярных эссе, интервью и бесед под названием «Черные дыры и молодые вселенные». В 1994 году Хокинг и Пенроуз прочитали серию из шести лекций в Институте Ньютона в Кембридже, которые позже были опубликованы под названием «Природа пространства и времени».

В 90-х в личной жизни Хокинга тоже произошли серьезные изменения. В 1990 он и Джейн Хокинг начали бракоразводный процесс после множества лет напряженных отношений, связанных с его инвалидностью, постоянным присутствием опекунов и его статусом знаменитости. В 1995 году Хокинг женился на Элейн Мейсон, которая много лет была его сиделкой.

В 2000-х Хокинг выпустил много новых книг и переизданий старых. Среди них «Мир в ореховой скорлупке» (2001), «Кратчайшая история времени» (2005) и «Бог создал целые числа» (2006). Вместе с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и ЦЕРН Хокинг начал разработку новых космологических теорий.

Одной из самых интересных стала «космология сверху-вниз», согласно которой Вселенная имела не одно, а много уникальных изначальных состояний, а значит пытаться вывести современное состояние Вселенной из единого изначального состояния нецелесообразно. В соответствии с квантовой механикой, такая космология подразумевает, что настоящее «выбирает» прошлое из суперпозиции множества возможных историй.

При этом теория также предложила возможное решение «вопроса тонкой настройки», который адресован к возможности существования жизни лишь при определенным образом сложившихся физических ограничениях. Предлагая эту новую модель космологии, Хокинг открыл возможность того, что жизнь может быть намного более разнообразной, чем думали раньше.

В 2006 году Хокинг и его вторая жена Элейн Мейсон тихо развелись, а Хокинг возобновил тесные отношения с его первой женой Джейн, его детьми (Робертом, Люси и Тимоти) и внуками. В 2009 году он ушел с поста Лукасовского профессора математики, поскольку того требовали правила Кембриджского университета. Хокинг продолжил работу в качестве научного директора отделения прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета, где и работает до сих пор, не собираясь на пенсию.

Излучение Хокинга и информационный парадокс черных дыр

В начале 70-х Хокинг начал работу над «теоремой об отсутствии волос». Основываясь на уравнениях гравитации и электромагнетизма Эйнштейна — Максвелла в общей теории относительности, теория утверждала, что все черные дыры можно полностью охарактеризовать тремя наблюдаемыми извне классическими параметрами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом.

Хокинг и микрогравитация (Vomit Comet)

По такому сценарию, вся другая информация о материи, которая образовала черную дыру или падает в нее (для которой используются «волосы» как метафора), «исчезает» за горизонтом событий черной дыры и, следовательно, сохраняется, но будет недоступна для внешних наблюдателей.

В 1973 году Хокинг ездил в Москву и виделся с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. В ходе дискуссий с ними об их работе, они показали ему, как принцип неопределенности приводит к тому, что черные дыры должны излучать частицы. Это поставило под вопрос второй закон термодинамики черной дыры Хокинга (то есть черные дыры не могут становиться меньше), поскольку за счет энергии они должны терять и массу.

Более того, это поддерживало теорию, выдвинутую Якобом Бекенштейном, аспирантом Университета Джона Уилера, что черные дыры должны иметь конечную ненулевую температуру и энтропию. Все это противоречило «теореме об отсутствии волос». Хокинг вскоре пересмотрел свою теорему, показав, что когда учитываются квантово-механические эффекты, оказывается, что черные дыры испускают тепловое излучение определенной температуры.

В 1974 году Хокинг представил свои выводы и показал, что черные дыры излучают радиацию. Этот эффект стал известен как «излучение Хокинга» и сначала был противоречивым. Но к концу 70-х и после публикации дальнейших исследований открытие было признано в качестве существенного прорыва в области теоретической физики.

Тем не менее одним из следствий такой теории было то, что черные дыры постепенно теряют массу и энергию. Из-за этого черные дыры, которые теряют больше массы, чем приобретают, должны сжиматься и в конечном счете исчезать — сейчас это явление известно как «испарение» черной дыры.

В 1981 году Хокинг предположил, что информация в черной дыре необратимо теряется, когда черная дыра испаряется, что стало известно как «информационный парадокс черной дыры». Он утверждал, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черной дыре, позволяя множеству физических состояний приходить к единому.

Теория оказалась спорной, поскольку нарушала два фундаментальных принципа квантовой физики. Квантовая физики утверждает, что полная информация физической системы — состояние ее материи (масса, положение, спин, температура и т. п.) — закодирована в ее волновой функции до тех пор, пока функция не коллапсирует. Это, в свою очередь, приводит к двум другим принципам.

Первый — квантовый детерминизм — утверждает, что — учитывая настоящую волновую функцию — будущие изменения уникально определяются оператором эволюции. Второй — обратимость — утверждает, что оператор эволюции имеет обратную сторону, а значит прошлые волновые функции также уникальны. Сочетание этих принципов приводит к тому, что информация о квантовом состоянии материи всегда должна сохраняться.

Хокинг в Белом доме на вручении Медали свободы

Предположив, что информация исчезает после испарения черной дыры, Хокинг по сути создал фундаментальный парадокс. Если черная дыра может испаряться, тем самым приводя к исчезновению всей информации о квантовой волновой функции, тогда информация может быть в принципе утрачена навсегда. Этот вопрос стал предметом дискуссий среди ученых и остается практически нерешенным по сей день.

И все же к 2003 году среди физики сложился определенный консенсус на тему того, что Хокинг был неправ о потере информации в черной дыре. На лекции в Дублине в 2004 году он признал, что проиграл пари на эту тему Джону Прескиллу из Калтеха (которое заключил в 1997 году), но описал собственное и несколько спорное решение проблемы парадокса: возможно, черные дыры могут иметь больше чем одну топологию.

В работе 2005 года, которую он опубликовал на эту тему — «Потеря информации в черных дырах», — он утверждал, что информационный парадокс объясняется изучением всех альтернативных историй вселенных, когда информационная потеря в одной с черными дырами компенсируется в другой без них. В итоге в январе 2014 года Хокинг назвал информационный парадокс черной дыры своей «крупнейшей ошибкой».

Хокинг и Питер Хиггс на Большом адронном коллайдере

В дополнение к расширению нашего понимания черных дыр и космологии с применением ОТО и квантовой механики, Стивен Хокинг также сыграл важную роль в привлечении к науке широкой аудитории. За свою долгую научную карьеру он также опубликовал много популярных книг, много путешествовал и читал лекции, появлялся на телешоу и в фильмах.

За время своей карьеры Хокинг также стал заслуженным педагогом, лично выпустив 39 успешных студентов с докторской степенью. Его имя останется и в истории поиска внеземного разума, и развитии робототехники и искусственного интеллекта. 20 июля 2015 года Стивен Хокинг помог запустить Breakthrough Initiatives, инициативу поиска внеземной жизни во Вселенной.

Вне всяких сомнений, Стивен Хокинг — один из самых известных ученых, живущих сегодня. Его работа в области астрофизики и квантовой механики привела к прорыву в нашем понимании пространства и времени, а также породила множество споров среди ученых. Едва ли кто-нибудь из живущих ныне ученых сделал столько для привлечения внимания широкой публики к науке.

Есть в Хокинге что-то от его предшественника Альберта Эйнштейна — другого влиятельного и знаменитого ученого, который сделал все для борьбы с невежеством и развития науки. Но особенно впечатляет то, что все, что Хокинг делал в своей жизни (с определенного момента), происходило в упорной борьбе с дегенеративным заболеванием. (Почитайте, например, историю его знаменитого голоса и как он умудряется писать книги, оставаясь совершенно недвижимым).

Больше 52 лет Хокинг прожил с болезнью, которая, по мнению врачей, должна была унести его жизнь за 2 года. И когда наступит день, когда Хокинга уже не будет с нами, время, несомненно, поместит его рядом с такими людьми, как Эйнштейн, Ньютон, Галилей и Кюри, в качестве одного из величайших ученых в истории человечества.