Обманула ли смерть Стивена Хокинга в получении Нобелевской премии?

Обманула ли смерть Стивена Хокинга Нобелевскую премию?

Когда культовый физик умер 14 марта 2018 года, уже были получены данные, которые могли подтвердить зловещее и далеко идущее предсказание, сделанное им более четырех десятилетий назад. Доктор Хокинг утверждал, что черные дыры, эти пасти гравитационной гибели, могут только увеличиваться, но никогда не уменьшаться, заглатывая информацию по мере ее поступления и угрожая нашей способности проследить историю Вселенной.

Эти данные были получены в 2015 году, когда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, или LIGO, зарегистрировала сигналы от двух массивных черных дыр, которые столкнулись и создали еще более массивную черную дыру.

Предсказание доктора Хокинга стало первым решающим шагом в серии открытий о черных дырах, которые изменили современную физику. Речь идет о том, действует ли эйнштейновская гравитация, которая формирует большую Вселенную, по тем же правилам, что и квантовая механика - парадоксальные правила, которые преобладают внутри атома.

Подтверждение предсказания доктора Хокинга было опубликовано этим летом в журнале Physical Review Letters. Команда под руководством Максимилиано Иси, физика из Массачусетского технологического института, и его коллег потратила годы на изучение деталей результатов LIGO, и в июле они наконец объявили, что доктор Хокинг был прав, по крайней мере, для этого конкретного столкновения черных дыр.

"Это захватывающий тест, потому что это долгожданный результат, который невозможно получить в лаборатории на Земле", - сказал в электронном письме Мэтью Гислер, исследователь из Корнельского университета и член команды доктора Иси. "Этот тест требовал изучения слияния двух черных дыр на расстоянии более миллиарда световых лет и просто не мог быть выполнен без LIGO и его беспрецедентных детекторов".

Никто не утверждает, что знает мысли комитета по Нобелевской премии, а имена людей, номинированных на премию, держатся в секрете еще 50 лет. Но многие ученые согласны с тем, что подтверждение доктором Иси предсказания доктора Хокинга могло бы сделать доктора Хокинга - и его соавторов по окончательной статье об этом - претендентами на Нобелевскую премию.

Но Нобелевская премия не может быть присуждена посмертно. Результат, полученный доктором Иси, пришел слишком поздно.

Неделя Нобелевских премий вернулась в понедельник, когда некоторые ученые надеются, что им позвонят и объявят их лауреатами и пригласят на пышную церемонию в Стокгольм 10 декабря (в этом году из-за пандемии премии будут вручаться на родине лауреатов).

Доктор Хокинг, пожалуй, один из самых знаменитых и заслуженных исследователей, никогда не получал Нобелевскую премию и теперь никогда не получит. Его история - напоминание о том, как высшая награда престижа подвержена переменчивости судьбы.

Отупение Вселенной

История началась в 1970 году, когда доктор Хокинг готовился ко сну - нелегкая задача для человека, уже наполовину парализованного боковым амиотрофическим склерозом, или болезнью Лу Герига.

Он думал о черных дырах - объектах с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть, согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Они являются иллюминаторами в бесконечность.

Каждая черная дыра окружена горизонтом событий, невидимым пузырем, отмечающим границу невозврата; что бы ни вошло в нее, оно никогда не выйдет. Доктор Хокинг понял, что теория Эйнштейна также означает, что горизонт событий черной дыры никогда не может уменьшиться. Черная дыра только набирает массу, поэтому общая площадь поверхности ее горизонта событий только увеличивается.

Это была смелая идея. Природа не должна была работать таким образом. Что если бы черные дыры могли разделиться на две части, или разлететься друг от друга и исчезнуть, как мыльные пузыри?

Эта мысль доктора Хокинга стала ключевой в работе 1973 года "Четыре закона механики черных дыр", которую он написал вместе с Джеймсом Бардином, ныне работающим в Вашингтонском университете, и Брэндоном Картером, ныне работающим во Французском национальном центре научных исследований.

Эти законы также содержали тревожный для физики вывод, названный теоремой "без волос". Площадь поверхности горизонта событий является мерой всей информации, проглоченной черной дырой. Для черной дыры все равно, поглощает ли она материю или антиматерию, Tesla или Volkswagen, страуса или кита. У черных дыр есть только три свойства: масса, спин и электрический заряд. Никакие другие детали, или "волосы", не регистрируются.

Эта теорема означала, что по мере старения черной дыры и увеличения ее горизонта событий, количество потерянной информации о том, что находится внутри, также будет расти. Вселенная будет становиться все тупее и тупее, скрывая все больше деталей своего прошлого, включая, возможно, и ваше существование. Загадка углубилась в 1974 году, когда доктор Хокинг рассчитал, что квантовые эффекты приведут к медленной утечке и взрыву черной дыры.

Стремление понять, что происходит с информацией в черной дыре, изменило фундаментальную физику и вдохновило целое поколение молодых теоретиков. На карту поставлен вопрос о том, играют ли эйнштейновская гравитация, управляющая космосом, и квантовая механика, управляющая микромиром, по одним и тем же правилам.

"Все началось с того, что Хокинг понял, что общая площадь горизонта черных дыр никогда не может уменьшиться", - говорит доктор Иси.

Но в отсутствие черных дыр для экспериментов идеи доктора Хокинга не могли быть проверены.

LIGO на помощь

LIGO изменит ситуацию. Это обещание Кип Торн, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института и один из основателей LIGO, дал доктору Хокингу в 2003 году. Новый массив сможет разобраться в свойствах черных дыр к тому времени, когда доктору Хокингу исполнится 70 лет в 2012 году.

"Ваш подарок заключается в том, что наши детекторы гравитационных волн - LIGO, GEO, Virgo и LISA - проверят ваши предсказания о черных дырах "золотого века", и они начнут делать это задолго до вашего 70-летия", - недавно сказал ему доктор Торн.

Потребовалось больше времени - до 14 сентября 2015 года - чтобы LIGO смог наблюдать первое эпохальное событие: две сталкивающиеся черные дыры. Сопоставив обнаруженные волновые картины с компьютерным моделированием, команда LIGO пришла к выводу, что одна из черных дыр была в 36 раз массивнее нашего Солнца, а другая - в 29 раз массивнее, что равнялось 65 Солнцам. В результате столкновения образовалась новая черная дыра с массой около 62 солнечных. Энергия, равная трем солнцам, исчезла в гравитационных волнах, которые потрясли Вселенную.

Это наблюдение не только подтвердило существование гравитационных волн, как предсказывал Эйнштейн 100 лет назад, но и предоставило первое прямое доказательство существования черных дыр.

За несколько дней до официального объявления о результатах исследования доктору Хокингу попала в руки просочившаяся копия документа об открытии. Он был поражен, не найдя упоминания о четырех законах механики черных дыр или о том, что это открытие может их проверить. Он связался по скайпу с доктором Торном, автором статьи.

"Стивен весьма удивлен, - написал доктор Торн своим коллегам.

Никому не пришло в голову проверить законы механики черных дыр, и было уже слишком поздно что-либо добавлять к статье. Более того, как недавно объяснил доктор Торн, данные были слишком шумными, чтобы измерить размер вновь образовавшейся черной дыры достаточно хорошо для подтверждения теории доктора Хокинга.

В 2017 году доктор Гислер, тогда аспирант Калтеха, и его коллеги использовали численное моделирование сталкивающихся черных дыр, чтобы глубже изучить вихрь судного дня.

Когда образуется новая слившаяся черная дыра, она вибрирует. Подобно барабану, она генерирует основной тон, а также гармоники - обертоны или полутоны. Доктор Гислер обнаружил, что на ранних стадиях процесса слияния обертоны оказываются удивительно громкими. Используя эти обертоны, в 2019 году он и его коллеги доказали теорему "без волос", которая гласит, что черные дыры могут быть описаны только тремя параметрами.

Этим летом они смогли расширить свой анализ, используя обертон новой черной дыры для измерения ее размера. Они пришли к выводу, что площадь горизонта событий новой черной дыры увеличилась, как и предсказывал доктор Хокинг.

Нобелевские мечты

Получил бы доктор Хокинг Нобелевскую премию, если бы был жив?

"Я не чувствую себя комфортно, рассуждая об этом", - сказал доктор Торн, который в 2017 году разделил Нобелевскую премию по физике за участие в разработке LIGO.

Эндрю Строминджер из Гарварда, давний сотрудник доктора Хокинга, сказал: "Я не посвящен в обсуждения Нобелевского комитета, но Хокинг уже мог бы быть включен в эту премию, если бы он был жив. Конечно, эти последние эксперименты сделали бы это дело еще более весомым".

Дэниел Хольц, астрофизик из Чикагского университета, который является членом коллаборации LIGO, но не входит в команду доктора Иси, назвал результат "безумно крутым".

"Возможно, это наблюдательное подтверждение одного из его предсказаний", - сказал он. "Я надеюсь, что Нобелевский комитет осознает это".

Премия по физике всегда тяготела к практическим и экспериментальным открытиям; даже Эйнштейн получил премию за объяснение фотоэлектрического эффекта, а не за теорию относительности. В последнее время дальше всего Нобелевский комитет продвинулся в теоретической астрофизике в 2020 году, когда Роджер Пенроуз из Оксфордского университета был удостоен премии за доказательство того, что во Вселенной возможны черные дыры.

Но он разделил премию с двумя астрономами - Райнхардом Гензелем из Института внеземной физики имени Макса Планка и Андреа Гез из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которые изучали сверхмассивную черную дыру в центре Млечного Пути.

Даже если бы доктор Хокинг был еще жив, когда была доказана его теорема о площади черной дыры, его было бы трудно вписать - Нобелевскую премию могут получить не более трех человек. А как же доктор Бардин и доктор Картер, соавторы доктора Хокинга? А команда доктора Изи?

Доктор Хокинг был бы не первым ученым, который умер слишком рано для возможной Нобелевской премии.

"Мне говорили, что Нобелевский комитет сожалел, что не дал премию Хабблу", - написал Майкл Тернер, выдающийся космолог, работающий сейчас в Фонде Кавли в Лос-Анджелесе, в электронном письме, имея в виду астронома Эдвина Хаббла, который открыл расширение Вселенной. "Но он умер первым".

Роберт Броут, физик-теоретик из Брюссельского университета, вероятно, был бы включен в Нобелевскую премию 2013 года за предсказание существования бозона Хиггса вместе со своим коллегой Франсуа Энглером и Питером Хиггсом из Эдинбургского университета, если бы он не умер в 2011 году.

Рональд Древер из Университета Глазго, один из основателей LIGO, вполне мог бы разделить Нобелевскую премию 2017 года с доктором Торном и Райнером Вайсом из Массачусетского технологического института, если бы не умер в начале 2017 года. Его место занял Барри К. Бэриш из Калифорнийского технологического института.

Доктор Хокинг покоится рядом с Исааком Ньютоном и Чарльзом Дарвином в Вестминстерском аббатстве. Возможно, это лучше, чем провести зиму в Стокгольме.