Говоря простыми словами, энтропия – это закон, гласящий, что все на свете портится. Горячее со временем остужается, из него уходит тепло. Здания рушатся и рассыпаются в прах, все живое стареет и умирает. Эти изменения связаны с течением времени и отмечают переход от прошлого к будущему. Дело в том, что во Вселенной растет беспорядок. Энтропия и есть мера этого беспорядка. Течение времени от прошлого к будущему означает, что энтропия во Вселенной постоянно растет. То же самое касается любой замкнутой системы: энтропия может только расти (в лучшем случае – оставаться постоянной), она никогда не убывает. Очевидно, что наличие на Земле живых существ противоречит этому принципу. Мы создаем порядок из беспорядка – строим дома и тому подобное. Но ведь Земля – не замкнутая система. Она питается энергией Солнца, и это перевешивает энтропию. Если взять Солнечную систему в целом и считать, что это замкнутая система, окажется, что энтропия в ней все же возрастает – в полном соответствии с законами термодинамики.
А следовательно, озарение, случившееся у Хокинга тем ноябрьским вечером, наталкивало на мысль, что закон, гласящий, что площадь черной дыры может лишь оставаться прежней или увеличиваться, – это эквивалент закона, гласящего, что энтропия замкнутой системы может лишь оставаться прежней или увеличиваться. Но даже сам Хокинг не сразу провел эту параллель.
Подобные шаги в науке очень часто совершают молодые исследователи, еще не закосневшие под гнетом традиций. Мысль, что можно найти связь между гравитационной физикой черных дыр и термодинамической физикой викторианских паровых двигателей, отпугнула бы даже гения масштаба Хокинга. Но скромный аспирант, только начинающий свой путь в науке и столкнувшийся с двумя фактами, явно говорящими об одном и том же с разных сторон, решил, что такое сходство достойно внимания. Разумеется, аспиранты сплошь и рядом находят странные совпадения и сходства, и почти всегда оказывается, что это никакое не открытие. Но когда студент Принстонского университета Яаков Бекенштейн предположил, что размер горизонта вокруг сингулярности в буквальном смысле может быть мерой энтропии черной дыры, это спровоцировало лавину исследований, которые, в свою очередь, и натолкнули Хокинга на открытие, что черные дыры на самом деле не такие уж и черные – они взрываются.
Аспирантам положено высказывать безумные идеи (большинство из которых оказываются бесплодными), это в порядке вещей. И точно так же в порядке вещей в науке, когда кто-то делает важное открытие просто потому, что попытался доказать, что кто-то другой ошибается. Именно это ко всеобщему благу и произошло в 1950-е – начале 1960-х годов, когда Фред Хойл выдвинул свою теорию стационарной вселенной в противовес теории Большого Взрыва и стал ее самым страстным поборником. Астрономы, решив, что гипотезу Хойла необходимо срочно опровергнуть, взялись за дело с таким рвением, что подтвердили точность модели Большого Взрыва гораздо лучше и быстрее, чем в отсутствие на арене противника. Однако иногда неизбежна отдача.
Предположение Бекенштейна очень раздосадовало Хокинга. Даже аспирант должен был бы понимать, что существует прямая связь между энтропией и температурой, поэтому, если поверхность черной дыры и в самом деле мера энтропии, это должна быть еще и мера температуры. А если у черной дыры есть температура, она должна излучать тепло в холод Вселенной (–270 °C). Черная дыра должна излучать энергию, а это противоречит основному принципу существования черных дыр: из черной дыры не может вырваться ничего, даже электромагнитное излучение. Хокинг вместе с Брендоном Картером и Джимом Бардином написал статью о фатальном на первый взгляд недочете в работе Бекенштейна, вышедшую в 1973 году в журнале «Communications in Mathematical Physics». В статье приводится формула расчета температуры черной дыры в соответствии с нелепым предположением юного ученого, после чего авторы замечают: «Но на самом деле эффективная температура черной дыры равна абсолютному нулю… черная дыра не может излучать».
[44]
Однако не прошло и года, как Хокинг передумал. Причиной стало новое направление исследований черных дыр, которое привлекло его внимание: высказанное в 1971 году предположение, что при Большом Взрыве, вероятно, возникли очень маленькие «минидыры», меньше ядра атома, которые до сих пор в изобилии представлены во Вселенной.
Критическая масса, необходимая для создания черной дыры из объекта, коллапсирующего под собственным весом, как мы уже упоминали, составляет приблизительно три массы Солнца, и сама Земля превратилась бы в черную дыру, если сжать ее до размеров около сантиметра. Однако черную дыру можно сделать абсолютно из чего угодно, если сжать это как следует: из пакета сахарного песка, из монетки, из книги, которую вы читаете, – из чего угодно. Просто чем легче предмет, который вы хотите превратить в черную дыру, тем сильнее придется его сжимать.
Хокинг рассудил, что если заглянуть в прошлое, вернуться к началу времен, то чем ближе к Большому Взрыву, тем выше плотность и давление. Значит, если заглянуть достаточно далеко, мы попадем в момент, когда давление было до того высоко, что его хватало, чтобы сжать в черную дыру любое количество вещества, какое хочешь, даже несколько граммов. Единственный недостаток подобной линии рассуждений состоит в том, что если Вселенная была в тот момент абсолютно однородной, никаких минидыр не могло образоваться, и единственной черной дырой была бы Вселенная как таковая. Но если в ней были какие-то неправильности, колебания плотности в разных местах, то на соответствующей стадии Большого Взрыва несколько граммов вещества – любая область, случайно оказавшаяся чуть плотнее среднего – и в самом деле могла быть вырвана из остального пространства-времени и превращена в крошечную черную дыру, которая сохранилась бы навечно (по крайней мере, так думал Хокинг в 1971 году) и осталась бы во Вселенной и посейчас.
Мы знаем, что при Большом Взрыве Вселенная никак не могла быть идеально однородной, иначе при ее расширении не могли бы образоваться неправильности вроде галактик. В ней должны были быть своего рода семена – крошечные неправильности, на которых впоследствии благодаря гравитации наросли галактики. Поэтому гипотеза Хокинга о первобытных минидырах представлялась вполне правдоподобной, пусть даже ее невозможно было проверить.
Однако минидыра по стандартам повседневной жизни довольно тяжелая, хотя по сравнению с обычными черными дырами, конечно, весит совсем мало. Например, черная дыра массой в миллиард тонн (масса земной горы), имела бы радиус примерно с радиус протона. Не такие массивные черные дыры были бы соответственно меньше. А физики знали, что если имеешь дело с такими маленькими объектами, приходится обращаться к квантовому описанию реальности, чтобы разобраться в происходящем.
Тут события приняли интересный оборот. В 1969 году Роджер Пенроуз показал, что вращающаяся черная дыра в процессе может терять энергию и замедляться. Это происходит примерно так, как исследователи космоса иногда применяют гравитацию планет, чтобы ускорить космический аппарат, движущийся через Солнечную систему. Например, сейчас, когда мы пишем эти строки, зонд «Галилео» только что совершил подобный гравитационный маневр при облете вокруг Земли, а затем, если все пройдет хорошо, окажется на орбите вокруг Юпитера. Но чтобы попасть туда, зонду придется проделать сложный маршрут.
