До Хокинга черные дыры были просто статическими точками на фоне космоса. Его величайшее научное наследие показало нам, насколько они динамичны.
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, заменив наше старое ньютоновское мировоззрение единой концепцией пространства-времени. С одной стороны уравнений Эйнштейна материя и энергия во Вселенной указывают пространству-времени, как искривляться; с другой стороны, искривленная ткань пространства-времени указывала материи и энергии, как двигаться. Из-за сложной природы этих уравнений было трудно найти точные решения, поскольку сам Эйнштейн нашел только два: одно для совершенно пустого пространства и одно для одной массы в пределе слабого поля. В следующем году Карл Шварцшильд нашел первое интересное решение для точечной массы во всем пространстве. Теперь мы признаем, что это решение для черной дыры, одно из немногих точных решений, известных даже сегодня. В то время как в формулировке Шварцшильда черные дыры были статическими объектами, Хокинг первым доказал, что это не так. Черные дыры со временем излучают и поэтому даже не полностью черные.
Давно известно, что существует всего несколько свойств, которыми можно описать черную дыру. В случае Шварцшильда он просто присвоил ей массу и нашел кривизну пространства-времени. Другие показали, что можно добавить заряд (черные дыры Рейснера-Нордстрёма) или спин (черные дыры Керра), но не более того. Чего вы не могли сделать, так это добавить информацию в черную дыру: электрически нейтральное, невращающееся человеческое существо содержало столько же информации, сколько эквивалентное облако газообразного водорода после того, как оно попало в черную дыру. С термодинамической точки зрения это была катастрофа. Вы можете бросить облако газообразного водорода с температурой абсолютного нуля и, следовательно, с нулевой энтропией в черную дыру, и это окажет на черную дыру такой же эффект, как если бы вы бросили туда человека с эквивалентной энергией. Это просто не имело смысла.
Это означало, что, вопреки второму закону термодинамики, это означало, что у нас внезапно появился способ произвольно уменьшить энтропию Вселенной. Черная дыра в классическом понимании должна иметь нулевую энтропию. Если бы вы могли бросать в черную дыру объекты с реальной, положительной и большой энтропией, у вас был бы способ нарушить этот закон. Насколько нам известно, энтропия всегда увеличивается, и это было одной из вещей, о которых думал Хокинг, когда размышлял о том, что загадочно в черных дырах. Должен быть какой-то способ определить его для черных дыр, и это значение должно быть как положительным, так и большим. Увеличение энтропии с течением времени должно быть допустимым, но уменьшение ее должно быть запрещено. Единственный способ гарантировать это - принудительно увеличить массу черной дыры, чтобы вызвать увеличение энтропии, по крайней мере, на максимальное значение, которое вы можете себе представить.
Люди, работавшие над этой проблемой , включая Хокинга , присвоили ответ, заключались в том, чтобы сделать энтропию пропорциональной площади поверхности черной дыры. Чем больше квантовых битов информации вы можете уместить в черной дыре, тем больше будет ее энтропия. Но это породило новую проблему: если у вас есть энтропия, значит, у вас есть и температура. И если у вас есть температура, вы должны излучать энергию. Первоначально названный «черным», потому что ничто, даже свет, не может ускользнуть, теперь стало ясно, что он все-таки должен что-то излучать. Внезапно черная дыра перестала быть статичной системой; это то, что меняется со временем.
Итак, если черная дыра не такая уж черная и если она излучает, то теперь возникает большой вопрос, как. Как излучает черная дыра? Поиск ответа на эту загадку был самым большим вкладом Хокинга в физику. Мы знаем, как рассчитать в квантовой теории поля, как ведет себя вакуум пустого пространства, когда пространство плоское. То есть мы можем сказать вам свойства пустого пространства, когда вы находитесь очень далеко от каких-либо масс, как черная дыра. Хокинг впервые показал, как это сделать в искривленном пространстве: в пределах нескольких радиусов от горизонта событий. И он обнаружил, что существует заметная разница в поведении квантового вакуума, когда рядом находится масса.
Пробежав по математике, он обнаружил следующие свойства:
- Когда вы находитесь далеко от черной дыры, похоже, что вы получаете тепловое излучение излучения черного тела.
- Температура излучения зависит от массы черной дыры: чем меньше масса, тем выше температура.
- По мере того, как черная дыра испускает излучение, ее масса уменьшается в точном соответствии с формулой Эйнштейна E=mc². Чем выше скорость излучения, тем быстрее происходит потеря массы.
- И поскольку черная дыра теряет массу, она сжимается и излучает быстрее. Время жизни черной дыры пропорционально кубу ее массы: черная дыра в центре Млечного Пути будет жить примерно в 10²⁰ раз дольше, чем черная дыра с массой Солнца.
Первоначально Хокинг представлял себе это как пары частица/античастица, возникающие и исчезающие, аннигилирующие и производящие излучение. Эта упрощенная картина была качественно достаточно хороша для описания излучения вдали от черной дыры, но вблизи горизонта событий она оказывается неверной. Правильнее думать об изменении вакуума и об излучении как об испускаемом там, где кривизна пространства относительно велика: в пределах нескольких радиусов самой черной дыры. Однако, как только вы уходите далеко, все кажется просто тепловым излучением черного тела.
Внезапно произошла революция в черных дырах и в понимании того, как квантовые поля ведут себя в сильно искривленном пространстве. Это открыло информационный парадокс черной дыры, поскольку теперь мы спрашиваем, куда уходит информация, закодированная на горизонте событий черной дыры, когда черная дыра испаряется? Это открывает (связанную) проблему брандмауэров черных дыр, задавая вопрос, почему объекты не поджариваются под действием излучения, когда они пересекают горизонт событий, и действительно ли они это делают? Это говорит нам о наличии связи между тем, что происходит внутри объема (в пространстве, окруженном горизонтом событий), и поверхностью, заключающей его в себе (сам горизонт событий), что является потенциальным примером голографического принципа в реальной жизни. И это открывает двери для дополнительных тонкостей, которые могут позволить нам впервые исследовать эффекты квантовой гравитации, если есть какие-либо отклонения от предсказаний общей теории относительности.
Доклад, который привел ко всему этому, назывался просто «Взрывы черной дыры? и была опубликована в журнале Nature еще в 1974 году. Это было бы венцом исследований всей жизни, и Хокинг опубликовал ее, когда ему было всего 32 года. Он много лет исследовал сингулярности, черные дыры, детские вселенные и Большой взрыв, сотрудничая с такими титанами, как Гэри Гиббонс, Джордж Эллис, Деннис Шиама, Джим Бардин, Роджер Пенроуз, Бернард Карр и Брэндон Картер. немного. Его блестящие работы возникли не из ниоткуда, а в результате сочетания блестящего ума, процветающего в благодатной академической среде. Это урок для всех нас о том, насколько важно, если мы хотим иметь эти титанические теоретические достижения, создавать (и финансировать) эти качественные среды, в которых подобные исследования могут воплотиться в жизнь.
Почти полвека спустя мир оплакивает его кончину, но наследие его исследований живет. Возможно, это будет столетие, когда будут разрешены парадоксы и сделан следующий титанический скачок вперед в физике. Независимо от того, что готовит будущее, наследие Хокинга в безопасности, и самое большее, на что может надеяться любой теоретик, - это на то, что его теории со временем будут улучшены. Как заявил сам Хокинг:
Любая физическая теория всегда условна, в том смысле, что это всего лишь гипотеза: ее никогда нельзя доказать. Сколько бы раз результаты экспериментов ни согласовывались с какой-то теорией, никогда нельзя быть уверенным, что в следующий раз результат не будет противоречить теории.
Хотя со смертью Хокинга мир, возможно, потерял одного из своих великих научных светил, его влияние на наши знания, понимание и любопытство будет отдаваться эхом на протяжении веков.