подпитки теплового излучения? Ответ на этот вопрос вскоре нашелся. Излучаемое черной дырой тепло обеспечивается не энергией, выходящей из дыры, а отрицательной энергией, входящей в нее.
Простыми словами, отрицательное энергетическое состояние представляет собой состояние с меньшим количеством энергии, чем состояние с нулевым гравитационным полем. Но как можно обладать меньшей массой, или энергией, чем абсолютно пустое пространство? Секрет кроется в квантовой механике – или, точнее, в квантовой теории поля. Согласно этой теории, кажущееся пустым пространство на самом деле пустым не является – в нем кишат всевозможные «виртуальные» частицы, которые существуют лишь мимолетно. Так называемое состояние квантового вакуума невозможно освободить от этих бесчисленных призрачных сущностей, хотя они и не обладают измеряемой энергией, а следовательно, совсем не имеют силы притяжения. И действительно, виртуальные частицы обнаруживают себя, только когда что-то нарушает квантовый вакуум.
Простой пример нарушения квантового вакуума дает знаменитый эффект Казимира, открытый в 1948 году. Два поставленных друг напротив друга зеркала заключают между собой некоторый объем квантового вакуума. Зеркала отражают реальные фотоны света, но также отражают и призрачные виртуальные фотоны. Это нарушает энергетический бюджет квантового вакуума, и при сведении баланса обнаруживается, что общее количество энергии модифицированного вакуумного состояния между зеркалами меньше, чем количество энергии немодифицированного состояния, где не задействованы зеркала, то есть пустого пространства. Таким образом, наличие параллельных зеркал опускает уровень энергии ниже уровня энергии пустого пространства, делая его отрицательным в понимании большинства людей. Эта отрицательная энергия проявляет себя в качестве измеримой силы притяжения между зеркалами. В 1970-х годах мы со Стивеном Фуллингом, используя квантовую теорию поля, открыли, что отрицательные энергетические состояния можно создавать и с помощью одного зеркала, если двигать его особым образом. Более того, наши расчеты показали, что отрицательная энергия будет удаляться от зеркала на скорости света, давая возможность появления пучка отрицательной энергии – в противоположность статической отрицательной энергии, связываемой с эффектом Казимира. Вскоре после этого было обнаружено, что смешанные лазерные пучки могут создавать краткие вспышки отрицательной энергии из так называемых сжатых состояний. Эти состояния недавно были продемонстрированы в лабораторных условиях.
Как только была открыта возможность течения отрицательной энергии, мы с Фуллингом сумели доказать, что излучение Хокинга подпитывается именно таким образом. На расстоянии излучение тепла представляет собой поток положительной энергии, вытекающей из черной дыры. Однако мы знали, что этот поток энергии нельзя отследить до его истока внутри дыры, поскольку это бы нарушало правило, что ничто не может покинуть дыру. Мы обнаружили, что поток отрицательной энергии постоянно втекает в дыру из окружающей ее области. В результате непрерывного накопления отрицательной энергии внутри дыры ее масса уменьшается. Наши расчеты подтвердили, что черная дыра теряет массу-энергию именно с той скоростью, которая необходима для поддержания теплового излучения. Черные дыры, а на самом деле и все сферические объекты, создают рядом с собой отрицательную энергию квантового вакуума, поскольку искривление пространства-времени под действием их гравитационного поля нарушает активность виртуальных частиц. По одному из этих удачных совпадений, создаваемая при превращении звезды в черную дыру деформация пространства, как выяснилось, оказывает на квантовый вакуум математически идентичный акселерационному зеркалу эффект.
Теоретическая возможность создания потока отрицательной энергии – на практике пучка холода и тьмы вместо тепла и света – привела к появлению целого ряда странных и запутанных сценариев. Допустим, этот пучок направлен на горячий объект, отличный от черной дыры, например на печь, топка которой закрыта заслонкой. Казалось бы, содержимое печи должно потерять энергию и остыть. Однако это было бы явным нарушением прославленного второго закона термодинамики, поскольку потеря тепла печью была бы равносильна потере энтропии [62], а второй закон запрещает снижение энтропии закрытой системы. (Сам пучок имеет нулевую энтропию.) Второй закон представляет собой основу термодинамики, и любое его нарушение приводит к появлению вечного двигателя, существование которого считается невозможным.
Еще один сценарий с участием отрицательной энергии тоже ведет к парадоксу – а именно, к существованию в пространстве кротовых нор, которые прославила Джоди Фостер в фильме «Контакт». Кротовые норы представляют собой гипотетические тоннели, или трубки, в пространстве, которые связывают отдаленные точки коротким путем. Если бы они действительно существовали, их можно было бы использовать в качестве машин времени. При определенных обстоятельствах астронавт, который прошел сквозь кротовую нору, вышел в отдаленной точке пространства и пошел обратно обычным путем, может вернуться домой еще до своего ухода! Следовательно, само существование кротовых нор ведет к парадоксу. Математические модели Кипа Торна и его коллег из Калифорнийского технологического института показали, что теоретически существование кротовых нор возможно, однако проходить по ним можно, только если возле их горловин будет создано некоторое отрицательное энергетическое состояние. Это необходимо, поскольку гравитация угрожает уничтожить кротовую нору, прежде чем через нее пройдет хоть что-то. Так как отрицательная энергия обладает отрицательной массой, она дает отрицательную гравитацию, противостоит пинч-эффекту и оставляет горловину открытой. Таким образом, неограниченная отрицательная энергия снова ведет к нефизичному парадоксу.
Хотя описанные парадоксы не по душе физикам-теоретикам, никто еще не доказал невозможность непрерывных потоков или ванн отрицательной энергии. Вопрос о том, могут ли, скажем, в квантовом вакууме храниться неограниченные запасы энергии, остается открытым.
Глава 9. Применение кванта
Надеюсь, теперь я убедил вас, насколько фундаментальна квантовая механика, которая лежит в основе столь многих областей современной физики и химии. Само собой, вы можете упрямиться и утверждать, что все это очень интересно, однако не имеет почти никакого отношения к повседневной жизни. В конце концов, мир наших ощущений и чувств слишком далек от всей квантовой странности, происходящей на микроскопическом уровне; вряд ли она может оказывать непосредственное влияние на нас. Так что в этой главе мы узнаем, как некоторые идеи квантовой физики, описанные на этих страницах, в последние полвека были использованы для разработки технологий, которые мы сегодня принимаем как должное.
К примеру, определенное свойство волновых функций электрона – а именно, их подчинение принципу исключения Паули – объяснило, как электроны располагаются на энергетических «оболочках» атомов, а это привело к пониманию электропроводности металлов. Это, в свою очередь, подтолкнуло физиков к изучению полупроводниковых материалов и изобретению транзистора, на основании которого впоследствии появились микрочип, компьютер и Интернет.
Более того, CD – и DVD-плееры используют соответствующее свойство фотонов, подарившее нам лазер – устройство, которое нашло применение во множестве технических, медицинских и научных сфер, не говоря уж о сфере развлечений и отдыха.
Феномен квантового туннелирования дал нам ядерную энергию и однажды, надеюсь, приведет к появлению более чистого источника бесконечной энергии – ядерного синтеза.
Еще одно странное квантовое свойство определенных материалов, охлажденных почти до абсолютного ноля, дало
