Стрела черной дыры. Стрела излучения

Стрела черной дыры

Многие объекты в нашей Вселенной воспринимаются как уже существующие или почти сформировавшиеся черные дыры. Они включают в себя «небольшие» объекты, которые в этом контексте, как считается, всего лишь в несколько раз тяжелее Солнца (такие размеры приняты как малые только в астрономии), и довольно большие объекты – массивные черные дыры в центрах галактик, которые весят (разумеется, этот глагол используется здесь метафорически) как миллион, а то и миллиард солнечных масс.

Бросьте что‑ нибудь в черную дыру, и этот предмет никогда не вернется. Вещи падают туда, а не обратно. Недавнее теоретическое предсказание, что черные дыры могут испускать какое‑ то излучение, не изменяет этой асимметрии. Для большинства массивных черных дыр такое излучение настолько незначительно, что им просто можно пренебречь. К тому же оно исходит не с поверхности самой черной дыры, а из районов, которые несколько отстоят от нее. Так что, наблюдая падение объектов в черные дыры, можно определять направление стрелы времени.

В течение многих лет Стивен Хокинг считал, что падение объектов в черную дыру нарушало второй закон (начало) термодинамики. Причиной было то, что любой объект, оказывающийся там, фактически исчезает из Вселенной, унося с собой свою энтропию и заставляя энтропию Вселенной казаться уменьшающейся. Я никогда не находил этот аргумент убедительным: для него не нужен пример черной дыры, поскольку если фотон улетает в бесконечность, это тоже приводит к потере энтропии в наблюдаемой Вселенной. (Вы больше никогда с этим фотоном не встретитесь. ) В конце концов Хокинг изменил свою точку зрения. Его ученик Яаков Бекенштейн убедил учителя, что черные дыры сами содержат энтропию и, когда в них нечто попадает, их энтропия увеличивается. Таким образом (когда вы включаете этот компонент в рассуждения), энтропия Вселенной все‑ таки увеличивается, и второй закон оказывается спасенным.

Так что же все‑ таки относительно стрелы черной дыры? Она не выдерживает тщательного анализа. Главная причина в том, что любой объект, измеренный в системе отсчета Земли, а не черной дыры, никогда ее не достигнет. Я говорил об этом в главе 7. Так что в пределах любого конечного промежутка времени (измеренного в системе отсчета Земли) объект, падающий в черную дыру, скорее всего, может вернуться.

Такая возможность избежать падения формализуется постулированием существования белых дыр. Это повернутая во времени вспять дыра черная. Согласно уравнениям общей теории относительности, они действительно могут существовать. Но существуют ли? Насколько мы знаем, нет. Но возможность их реальности показывает, что в уравнениях черных дыр нет изначальной асимметрии времени – во всяком случае, в нашей собственной СО. И эта система отсчета остается такой, в которой направление стрелы времени – загадка.

Стрела излучения

Небольшая нестыковка, случившаяся в классической теории электромагнетизма, в начале 1900‑ х годов послужила причиной спора между Вальтером Ритцем[156], видным швейцарским физиком, и Альбертом Эйнштейном. Спор возник по поводу известного факта, что колебания электрона порождают электромагнитные волны. Это то, что мы делаем с радиоантенной: заставляем электроны передвигаться взад‑ вперед по куску проволоки, и в процессе этого движения возникают радиоволны. Если смотреть на микроскопическом уровне, то любой горячий объект (например, разогретая вольфрамовая нить в электрической лампочке) наполнен горячими электронами, которые колеблются с большой частотой. Этим и объясняется то, что объекты светятся ярко‑ красным или даже белым светом. Колеблющиеся электроны генерируют высокочастотные электромагнитные волны, которые мы называем видимым светом.

Эмиссия такого излучения может быть рассчитана с использованием классических уравнений Максвелла, однако для этого нужно иметь представление о направлении времени. Именно отсюда родилась идея, что излучение может определять направление времени. Посмотрите разделы об электромагнетизме в сегодняшних учебниках физики для старших школ и колледжей. Уравнение, описывающее излучение, названо в честь человека, который впервые вывел его в 1897 году, ирландского физика Джозефа Лармора[157]. Утверждается, что для его выведения необходим ввод принципа причинности, то есть требуется (так написано в большинстве учебников, которые я видел) признать, что колебания электронов происходят до возникновения излучения. Причинность открыто вводится включением в уравнение того, что называется запаздывающим потенциалом и пренебрежением опережающего потенциала.

Именно это заставило многих ученых уверовать, что явление классического излучения, присутствующее в физике (не только свет, но и водяные волны, звуковые и волны землетрясений), определяет направление стрелы времени. Действительно, в приведенных мной примерах уменьшения локальной энтропии (например, при изготовлении чашки или строительстве здания) эмитированное излучение тоже отвечает за уменьшение энтропии, унося ее больше, чем восстанавливая. Таким образом, излучение задает направление стреле.

Ритц понимал, что уравнения электромагнетизма, в особенности ясные примеры расчета излучения, содержали «встроенное» направление времени. Эйнштейн утверждал, что это не так. Кажется странным, что спор разгорелся вокруг математики. На самом деле проблема была не в математике, а в том, как ее интерпретировать. Спор между двумя учеными приобрел общественный характер. Он выплеснулся на страницы нескольких статей в очень известном научном журнале Physikalische Zeitschrift[158]. Редактор попросил обоих физиков опубликовать совместное письмо, поясняющее суть спора. Ритц и Эйнштейн написали статью, которая была расценена публикой как их «согласие в несогласии друг с другом». Дискуссия шла вокруг включения в уравнения опережающего потенциала – той их части, которая, казалось, предсказывала излучению, что собирался делать колеблющийся электрон. Ритц сказал, что такое включение «не физично»; Эйнштейн же утверждал, что в качестве теории опережающий потенциал должен быть включен.

Когда я размышляю над этим спором двух ученых в ретроспективе, мне кажется, Ритц был движим прежде всего теми выводами, к которым он хотел прийти, а не убедительными математическими фактами. Он не был тогда еще убежден, что сравнительно новая по тем временам теория относительности была правильной, а имя ее автора не стало пока синонимом гениальности. До этого было еще несколько лет. Эйнштейн же оставался объективным. Кажется странным, что он не разработал математику этого вопроса. Она оставалась нетронутой до тех пор, пока молодой студент Ричард Фейнман не представил соответствующую работу Эйнштейну.