Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Часто случается, что решающий шаг к научному открытию делается по вдохновению, совершенно неожиданно, и Хокинг любит вспоминать, как ему пришло в голову первое переломное соображение касательно черных дыр. Вскоре после рождения второго ребенка – дочки Люси – в ноябре 1970 года он размышлял о черных дырах перед тем, как ложиться спать. Вот что он рассказывает:

…Однажды вечером в ноябре того года, вскоре после рождения дочери Люси, я задумался о черных дырах, готовясь ко сну. Из-за моей болезни процесс это довольно медленный, поэтому у меня было много времени для размышлений. <…>

Внезапно я понял, что пути этих лучей никогда не сблизятся друг с другом. Если бы это произошло, то рано или поздно они бы пересеклись.[36]

В то время у всех были довольно туманные представления о том, что же такое черная дыра, и Пенроуз и Хокинг работали над четким определением, какие точки пространства-времени находятся вне черной дыры, а какие внутри. И вот перед сном Хокингу пришло в голову очевидное решение. Он утверждает, что ответ на эту задачу уже сформулировал Пенроуз, просто не применил его к ситуации, которую они изучали. Научную сторону дела мы опишем в следующей главе, а пока достаточно сказать, что решение оказалось до того элегантным, что Хокинг той ночью не мог заснуть. А рано утром позвонил Пенроузу.

Хокинг и Пенроуз изучали проблему черных дыр еще два года (о чем мы подробнее расскажем в главе 9). В процессе работы они пришли к выводу, что физика черных дыр далеко не так очевидна, как им виделось поначалу. Чтобы полностью понять ее, нужно было смахнуть ментальную паутину со смутно знакомых физических концепций, о которых ученые не вспоминали со студенческой скамьи. В частности, Хокинга с новой силой заинтересовала термодинамика, которую разработал лорд Кельвин и другие ученые еще в XIX веке.

Никому и в голову не приходило, что термодинамика имеет какое-то отношение к черным дырам. Как выразился Деннис Овербай, «Как будто Хокинг поднял капот “феррари” и обнаружил там раскочегаренный паровой двигатель».[37] Это было просто смешно: термодинамика изучала газы под давлением, теплопередачу и производительность паровых двигателей, а не экзотические космические объекты вроде черных дыр. Тогда Хокинг и не подозревал, какую важную роль предстоит сыграть термодинамике в будущем теории черных дыр, и тем более не догадывался, что из-за этого ему самому вот-вот придется в очередной раз вступить в жаркий научный спор с другим физиком.

К началу 1973 года Хокинг и Пенроуз начали применять термодинамику как аналогию происходящего в черной дыре. Физики часто так делают: модель на основе повседневного опыта помогает им уяснить даже самую сложную картину, например, что происходит в сингулярности. Однако молодой ученый Яаков Бекенштейн, работавший в Принстонском университете, зашел гораздо дальше. Он применил термодинамику не просто как аналогию, а напрямую. И получил очень интересные результаты.

Наткнувшись на работы Бекенштейна, Хокинг прямо загорелся. Он-то опирался на термодинамику лишь как на модель и считал, что делать следующий шаг и буквально решать задачи, связанные с черными дырами, при помощи формул термодинамики было бы нелепо. Вместе со старым кембриджским другом Брендоном Картером и американским релятивистом Джеймсом Бардином Хокинг опубликовал в научном журнале «Communications in Mathematical Physics» статью, где пытался опровергнуть такой подход. Споры в научной прессе по обе стороны Атлантики не утихали несколько месяцев. Хокинг считал идеи Бекенштейна абсурдными, и они раздражали его все сильнее и сильнее. В ответ на очередную статью Бекенштейна Хокинг, Картер и Бардин ответили своей под названием «Четыре закона механики черных дыр» («The Four Laws of Black Hole Mechanics»). Впоследствии оказалось, что в обеих статьях были существенные недочеты.

Большинство физиков было на стороне Хокинга с соавторами, однако убежденности Бекенштейна массированная атака научного сообщества вовсе не поколебала. Годы спустя он вспоминал:

В 1973 году, в те дни, когда мне часто говорили, что я пошел неверным путем, меня несколько утешало мнение Уилера: «Термодинамика черных дыр – безумная идея, до того безумная, что над ней, пожалуй, стоит поработать».[38]