Гениальный израильский физик, соблюдавший религиозные заповеди, который твердо отстаивал свою концепцию перед ее противниками, прежде всего перед астрофизиком профессором Стивеном Хокингом, и доказал, что его теория черных дыр верна и обоснованна.

Энтропия, время и расширяющаяся Вселенная

В серии новаторских работ Яаков Давид Бекенштейн предложил прямую, глубокую и неожиданную связь между геометрией горизонта событий черной дыры, понятием термодинамической энтропии и теорией информации. Если на этом этапе вы просите объяснить это по-русски или ищете запасной выход, вы принадлежите к 99,9 % населения Земли. Моя задача - сделать так, чтобы к концу чтения статьи эти туманные строки стали понятны на уровне «А-а-а...»

Начнем с понятия, которое будет сопровождать нас на всем пути, - «энтропия», или, простыми словами, «естественный беспорядок». В природе есть неписаное правило: все стремится к максимальному беспорядку. Представьте свою комнату: если не наводить в ней порядок, она превратится в полный хаос. В физике этот хаос называют энтропией. Когда в комнате полный беспорядок и устроить еще больший уже невозможно, она достигает «пика беспорядка». Ученые называют такое состояние «термодинамическим равновесием».

Согласно теории «Большого взрыва», Вселенная возникла в плотном и горячем состоянии, и вся содержащаяся в ней материя сразу перемешалась и достигла пика беспорядка уже в первую секунду после взрыва. Здесь и возникла проблема (парадокс): если Вселенная с самого начала пребывала в состоянии максимального беспорядка, как она могла продолжать развиваться? Ведь согласно законам природы время движется вперед только тогда, когда беспорядок растет. Если пик был достигнут уже в самом начале, время должно было «остановиться», и никакого порядка не должно было возникнуть: ни звезд, ни галактик, ни нас.

Решение парадокса, предложенное Яаковом Бекенштейном, заключалось в том, что Вселенная расширяется. Та самая беспорядочная комната, превратившись в огромный зал, уже не находится на «пике беспорядка», потому что появилось пространство, позволяющее материи заново упорядочиваться и создавать звезды и целые системы. Поэтому чем больше становится Вселенная, тем больше и потенциал беспорядка. Это позволяет Вселенной продолжать развиваться и создает «стрелу времени» - наше ясное ощущение, что есть прошлое (когда Вселенная была меньше и плотнее) и будущее (в котором она продолжает расширяться). Нам естественно кажется, что время движется из прошлого в будущее: мы помним прошлое и тревожимся о будущем. Но не так обстоят дела у странного сообщества под названием физики. С их точки зрения, направление времени можно обратить, и между прошлым и будущим нет разницы. Можно сказать, что предложенное Яаковом Бекенштейном решение позволяет даже физикам тревожиться о ходе времени.

Горизонт событий и чёрные дыры

Яаков занимался и другой областью, в которой направление времени было очевидным, - черными дырами. Черная дыра - это место в космосе, где сила притяжения настолько велика, что ничто не может из нее вырваться, даже свет. Представьте лодку, плывущую по реке к огромному водопаду. Чем ближе она к нему, тем сильнее течение. Есть точка, после которой даже работающий на полную мощность мотор не поможет: течение слишком сильное, и лодку затянет вниз. В черной дыре есть похожая «точка невозврата». Ведь даже свет, самое быстрое во Вселенной, не может двигаться достаточно быстро, чтобы оттуда выбраться.

Эту точку невозврата называют «горизонтом событий» (Event Horizon) - невидимой линией на море, за которую мы не можем заглянуть, потому что Земля круглая; это и есть горизонт. А события - это все, что происходит: например, загорается фонарь, движется космический корабль или просто падает материя. Горизонт событий - это граница, за которой доступная нам Вселенная просто заканчивается. Это место кажется нам абсолютно темным - черной дырой. Такие дыры образуются, когда массивная звезда (намного больше нашего Солнца) заканчивает свою жизнь и коллапсирует под действием собственной гравитации. Всё вещество огромной звезды сжимается и спрессовывается в одну крошечную точку, что и создает невероятно сильное притяжение. По сути, это самый мощный пылесос во Вселенной, окруженный абсолютной тьмой, потому что он не выпускает наружу даже свет, который мог бы рассказать нам, что находится внутри. В начале семидесятых годов научное сообщество считало черные дыры простыми и совершенно холодными объектами, которые даже называли «замерзшими звездами» (Frozen Stars). Принято было считать, что энтропия (беспорядок) к этим гравитационным объектам неприменима, поскольку для их полного описания достаточно было трех наблюдаемых геометрических параметров.

Поначалу Бекенштейн встретил решительное сопротивление со стороны светил своего поколения, прежде всего со стороны рок-звезды среди физиков Стивена Хокинга. Но он доказал, что черные дыры задают стрелу времени, поскольку их будущее лежит в направлении, в котором они становятся все больше.

Академический путь Бекенштейна

Яаков Давид Бекенштейн родился в мае 1947 года в Мехико. Его родители, Йосеф и Эстер (урожденная Владеславоцки), были польскими евреями-беженцами, которые накануне Второй мировой войны бежали из охваченной огнем Европы и нашли убежище в Латинской Америке. В начале шестидесятых годов XX века семья переехала в США. Сначала они поселились в штате Техас, а затем перебрались в Нью-Йорк, где Бекенштейн получил строгое образование в области точных наук. Учебу на бакалавриате он начал в Бруклинском политехническом институте, а в 1969 году получил степень магистра наук (M.Sc) по физике. Докторскую диссертацию он защитил в Принстонском университете под руководством знаменитого физика Джона Арчибальда Уилера, известного своим нестандартным мышлением и введением научных терминов, ставших классическими, в том числе термина «черная дыра». Уилер сразу распознал талант молодого студента и направил его к исследованию теоретических основ экстремальной гравитационной физики. В 1972 году Бекенштейн завершил работу над докторской диссертацией об энтропии черных дыр и представил миру три свои самые влиятельные работы, написанные в этот период.

Получив докторскую степень, Бекенштейн переехал в Техасский университет в Остине, где в 1972-1974 годах был постдокторантом в Центре теории относительности. В эти годы он углубил свои исследования в области гравитационной физики и изучал взаимодействие квантовых полей с искривленным пространством-временем. В 1974 году, движимый чувством национальной принадлежности и глубокими сионистскими убеждениями, Бекенштейн решил воплотить свою мечту и репатриироваться в Израиль. Он сразу же вошел в состав сотрудников кафедры физики Университета Бен-Гуриона в Негеве в Беэр-Шеве. Его репатриация и работа в Негеве внесли значительный вклад в становление исследований по общей теории относительности и астрофизике в Израиле, где эти области тогда только зарождались. В 1978 году, всего в 31 год, он стал полным профессором, а в 1983 году был назначен заведующим кафедрой астрофизики университета. До 1990 года он также занимал престижную кафедру астрофизики имени Роберта и Жанны Арно.

В 1990 году Бекенштейн перешел в Еврейский университет в Иерусалиме, где стал профессором Института физики Ракаха и стал одним из ведущих ученых университета. В 1993 году его назначили заведующим кафедрой теоретической физики университета, а позднее он занимал кафедру теоретической физики имени Майкла Поллака. Работая в Иерусалиме, Бекенштейн уделял огромные усилия преподаванию и вызывал восхищение благодаря умению объяснять своим студентам самые сложные темы простым и доступным языком. В 2010-2009 годах он был приглашенным исследователем в Институте перспективных исследований (IAS) в Принстоне, где вновь сотрудничал с ведущими теоретическими физиками мира.

Профессор Бекенштейн, подобно профессору Иешаягу Лейбовичу, умел сочетать науку и религию и не видел противоречия между научным мировоззрением и верой в Бога. Его часто цитировали: «Я смотрю на мир как на результат деяний Всевышнего. Он установил вполне определенные законы, и нам доставляет большое удовольствие открывать их в ходе научной работы и видеть, как все сочетается друг с другом». Яаков был женат на Билхе, у них родились трое детей: Йехонадав, Урия и Ривка. Все они пошли по стопам отца и выбрали научную карьеру. Его сын Йехонадав Бекенштейн впоследствии стал сотрудником факультета материаловедения и инженерии Техниона в Хайфе.

Летом 2015 года во время научной поездки в Хельсинки профессор Бекенштейн неожиданно скончался от сердечного приступа. Его смерть оставила огромную пустоту в международном и израильском научном сообществе.