Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

Было бы здорово создать черные дыры в лабораторных условиях. Они немедленно растворятся обратно в излучении Хокинга.

Поэтому нет никакой опасности, что они случайно поглотят землю! Но для этого потребуется слишком много энергии.

Кстати, даже космос должен производить излучение Хокинга, если он расширяется все быстрее. А именно это он и делает, как показали астрономические измерения с 1998 года. Но Хокинг не мог этого знать, когда он и Гэри Гиббонс вычисляли безумный квантовый эффект в 1977 году. Это была мысленная аналогия: если Вселенная быстро расширяется, у нее есть горизонт событий – как если бы она была обращенной внутрь черной дырой. И тогда излучение было бы очень слабым (примерно 10 29 Кельвина). Поэтому даже за бесконечное время Вселенная не сможет остыть до абсолютного нуля.

Несмотря на то, что прямое измерение излучения Хокинга пока еще только дело будущего, косвенные указания на него имеются уже сегодня. Эффект должен быть заметен и в системах со «звуковым горизонтом», а не только со световым, например, на краю черной дыры. Подобные звуковые горизонты могут быть созданы в сверххолодных квантовых системах, состоящих из нескольких атомов, так называемых конденсатах Бозе-Эйнштейна, и даже в потоках воды в ванне. На самом деле уже имеются первые экспериментальные доказательства того, что такие горизонты имеют слабое излучение. Однако не совсем ясно, что именно означают подобные эффекты в системах «аналоговой гравитации», как их называют ученые.

Быстрые течения могут генерировать своего рода излучение Хокинга без какой-либо гравитации, в принципе, даже в ванне. Уже имеются первые экспериментальные доказательства такого эффекта.

Формула на могиле Хокинга и игральные кости Бога

Открытие Хокинга, что черные дыры испаряются, имеет важное значение для нашего понимания природы: Вселенная гораздо более хаотична, чем считалось раньше. Это означает, что случайность царит в мире в еще более шокирующей степени, чем это уже допускает обычная интерпретация квантовой физики (например, в случае радиоактивного распада, не имеющего причины). Альберт Эйнштейн сопротивлялся этому до конца своей жизни, утверждая, что Бог не играет в кости. Поэтому Хокинг довел остроумное высказывание Эйнштейна до крайности, применив его к черным дырам:

В своих тонких шутках Хокинг ссылается не только на Эйнштейна, но и на Людвига Больцмана. Согласно его собственному желанию, его надгробие на Центральном кладбище Вены украшено открытой им формулой энтропии: S = k log W. Больцман открыл, как можно вычислить энтропию S. Эта термодинамическая величина является мерой степени беспорядка в большой группе частиц, например, молекул в газе или бутылке шампанского. S получается из постоянной Больцмана к, умноженной на натуральный логарифм числа W возможностей расположить эти частицы, не меняя макроскопического вида.

Революционное открытие Хокингом квантовой аннигиляции черных дыр основано на определении Больцмана, поскольку Хокинг доказал (на основе работы Яакова Бекенштейна), что каждая черная дыра также имеет энтропию S, а значит, и температуру. Величина S пропорциональна «площади поверхности» черной дыры, а точнее, площади A ее горизонта событий; в противном случае S зависит только от естественных констант: постоянной Больцмана к, скорости света с, постоянной Планка h и гравитационной постоянной G. Энтропия черной дыры равна S = Akc3/4hG, как открыл Хокинг. И именно об этом говорил его тонкий юмор, поскольку по случаю своего 60-летия в 2002 году он заявил:

Мир как игра в кости: черные дыры создают новый вид случайности во Вселенной.

К сожалению, желание Хокинга уже пришлось исполнить. 15 июня 2018 года его прах был захоронен в почетной могиле в Вестминстерском аббатстве в Лондоне. Надгробие было изготовлено из темного сланца Кейтнесс из северной Шотландии, его размеры составляют 99,5 на 85,5 сантиметров. Оно призвано символизировать глубины космоса. Гравюра на камне выполнена Джоном Мэйном и Джиллиан Форбс. На краю нарисованной черной дыры находится величайшее открытие Хокинга. Вместо формулы для энтропии на табличке была выгравирована непосредственно связанная с ней температура T – температура Хокинга невращающейся черной дыры с массой M: T=ħc3/8πGMk.

В марте 2019 года формула энтропии Хокинга появилась на памятной монете достоинством 50 пенсов, разработанной Эдвиной Эллис, с именем Хокинга и стилизованной черной дырой.

Уравнения существуют вечно и даже могут украшать надгробия, например, знаменитая формула энтропии Людвига Больцмана. Хокинг тоже пожелал себе такой памятник физике.

Бесследное исчезновение?

Согласно «гипотезе об отсутствии волос», гравитационный коллапс, приводящий к образованию черной дыры, является универсальным уравнителем: черная дыра никому не позволяет узнать, что происходит внутри нее. Таким образом, нет возможности узнать что-либо о ее прошлом – например, как выглядело магнитное поле коллапсировавшей звезды, какова была ее температура и поверхностная структура, состояла ли она из материи или антиматерии, что еще попало в черную дыру после ее коллапса и так далее.

Если у черных дыр нет «волос», то нет способа узнать, что находится у них внутри.

И этот объем информации огромен! Черные дыры в определенном смысле являются лучшими устройствами для хранения информации. Энтропия черной дыры намного больше, чем у ее звезды-прародительницы. Энтропия Солнца составляет около 1057 (измеряется в единицах постоянной Больцмана k[11]), но у Солнца как черной дыры она составляла бы 1077. Галактическая черная дыра с массой в несколько миллионов солнечных масс содержит только 1090, что в 100 раз превышает энтропию всей наблюдаемой Вселенной без черных дыр. (Для компьютерных гиков: если указать емкость хранилища в гигабайтах, k = 10-9/ 3 log2. Все данные Google поместились бы в черную дыру размером всего 10-25 сантиметров. Стрелец А*, черная дыра в центре Млечного Пути с массой около четырех миллионов солнечных масс, содержит 1080 гигабайт.) Поэтому эту проблему нельзя