МАКС ТЕГМАРК Жизнь 3.0

09 апреля 2019
ИЗДАНИЕ

В издательстве CORPUS вышла книга физика и космолога, профессора Массачусетского технологического института Макса Тегмарка Жизнь 3.0. Быть человеком в эпоху искусственного интеллекта. В ней он рассматривает возможные сценарии развития событий в случае появления на Земле сверхразумного искусственного интеллекта, связанные с этим положительные и отрицательные последствия, пытается представить, каким может стать жизнь человечества в будущем.

«Сможем ли мы управлять мыслящими машинами, или это они скорее начнут управлять нами? Заменят ли думающие машины нас, будем ли мы сосуществовать друг с другом или объединимся в некое единое целое? Что значит оставаться людьми в эпоху искусственного интеллекта? Какой ответ на этот вопрос вам представляется желательным, и как вы представляете себе возможность реализации этого ответа в нашей будущей жизни? Цель этой книги — помочь вам присоединиться к нашему разговору. В нем разворачиваются увлекательнейшие контроверзы, о которых я уже упоминал и в которых величайшие мировые умы придерживаются противоположных позиций», – говорит автор.

Мы публикуем отрывок из книги, где автор рассматривает возможное направление энергетики будущего – использование энергии черных дыр.

Испарение черных дыр

В своей книге A Brief History of Time1 Стивен Хокинг описал электростанцию, работающую на черных дырах2. Это, возможно, звучит парадоксом, если вспомнить, что в черной дыре, как считалось долгое время, все, однажды туда попавшее, застревает навеки, и даже свет не может ее покинуть. Однако, как известно, Хокинг сумел рассчитать квантово-гравитационный эффект, благодаря которому черная дыра ведет себя как горячее тело, — причем чем меньше, тем горячее. Это излучение так и стали называть излучением Хокинга. Излучая, черная дыра теряет свою энергию, пока не испарится совсем. Другими словами, какое бы вещество вы ни засунули внутрь черной дыры, оно со временем вылезет обратно в виде теплового излучения, и к тому моменту, когда черная дыра испарится окончательно, все ваше вещество превратится в излучение практически со 100-процентной эффективностью3.

Проблема с использованием черных дыр в качестве источников энергии, однако же, такова: пока размер дыры не сравняется с размером атома или даже не станет значительно меньше его, на что уйдет больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, а пока этого не случится, излучение очень слабое: энергии выделяется не больше, чем от обычной свечки. При уменьшении размера черной дыры излучение растет пропорционально его квадрату, поэтому физики Луис Крейн и Шон Вестмореланд предложили использовать дыры примерно в тысячу раз меньшего размера, чем протон, и по весу примерно равные самому большому океанскому лайнеру. Главное для них заключалось в том, чтобы использовать энергию такой дыры для космического корабля (сюжет, к которому мы еще вернемся), поэтому их интересовала не столько эффективность, сколько портативность, и они предлагали кормить дыру лазерным лучом, исключая всякую возможность превращения энергии в вещество. Но даже если вы будете кормить ее веществом, а не излучением, гарантировать высокую эффективность трудно: чтобы заставлять протоны проваливаться в черную дыру размером в одну тысячную от их собственного, нужна машина вроде Большого адронного коллайдера, увеличивающая их энергию mc2 хотя бы в тысячу раз за счет кинетической энергии (энергии движения). А так как по меньшей мере 10 % этой кинетической энергии потеряется с гравитонами, когда черная дыра испарится, то окажется, что нам приходилось вкладывать в нее гораздо больше энергии, чем мы получим в конце, то есть ее эффективность и вовсе будет отрицательной. Более подробное изучение возможностей использования черной дыры в качестве источника энергии упирается в то, что для этого нам нужна квантовая теория гравитации, которая так до сих пор и не создана, — но эта неопределенность означает также то, что в ней может скрываться полезный квантово-гравитационный эффект, который нам пока неизвестен.

Вращающаяся черная дыра

К счастью, есть другие способы получения энергии из черных дыр, которыми можно воспользоваться, не прибегая к квантовой гравитации или какой-нибудь другой, пока еще не очень понятной, физике. Например, многие известные черные дыры очень быстро вращаются, горизонт событий у них закручивается почти до скорости света, вот эту-то энергию и можно извлечь. Горизонт событий черной дыры — это та самая область пространства, где силы гравитации так велики, что даже свет не может ее покинуть. Рис. 6.4 показывает, что над горизонтом событий у вращающейся черной дыры есть так называемая эргосфера — область, где вращающаяся дыра захватывает окружающее ее пространство, а вместе с ним и любую попавшую туда частицу, у которой теперь нет возможности оказаться в состоянии покоя. Если вы забросите какой-нибудь объект в эргосферу, он немедленно будет подхвачен и закружится вокруг дыры. К сожалению, он вскоре будет поглощен черной дырой, навсегда сгинув под ее горизонтом событий, и пользы от него в смысле получения энергии никакой не будет. Однако Роджер Пенроуз показал, что если вы кинете его под правильным углом и при этом расколете на два, как показано на рис. 6.4, то поглощен будет только один осколок, в то время как другой вырвется на свободу с энергией больше той, которую вы ему изначально сообщили. Иными словами, вы успешно превратите часть энергии вращения черной дыры во что-то полезное, что можно будет потом потратить на совершение работы. Проделывая этот фокус много раз, вы можете выдоить из черной дыры всю ее энергию вращения, в результате чего она остановится, а эргосфера у нее пропадет. Если черная дыра вращается так быстро, как только ей позволяют законы природы, и ее горизонт событий фактически движется со скоростью света, то такая стратегия позволит вам превратить в энергию до 27 % ее массы. Тут все еще есть некоторая неопределенность, связанная с нашим незнанием того, насколько быстро вращаются черные дыры в нашем ночном небе, но некоторые наиболее изученные из них, кажется, должны вращаться довольно быстро — от 30 % до 100 % от допустимого максимума скорости. Монструозная черная дыра в центре нашей галактики (она весит в четыре миллиона раз больше нашего Солнца), по всей видимости, вращается так, что если даже превратить в энергию всего 10 % ее массы, получится то же самое, что при превращении в энергию массы 400 тысяч солнц со 100-процентной эффективностью, или примерно столько же энергии, сколько можно получить с помощью сфер Дайсона вокруг 500 миллионов солнц за миллиард лет.

Квазары

Еще одна интересная стратегия заключается в том, чтобы извлекать энергию не из самих черных дыр, а из вещества, в них падающего. Природа уже и сама нашла способ это делать — это квазары. По мере того как газ, закручиваясь, все больше приближается к черной дыре — при этом возникает что-то похожее на гигантскую пиццу, внутренняя часть которой дырой постепенно заглатывается, — он разогревается и исторгает колоссальное излучение. Проваливаясь в дыру, частицы газа разгоняются, поскольку энергия сил притяжения превращается в энергию движения, как у парашютистов. Само движение становится все более беспорядочным, возникающая турбулентность нарушает координированное движение газовых слоев, разбивая его на быстрые и не зависящие друг от друга колебания все меньших частей, пока, наконец, дробление не доходит до отдельных атомов, которые принимаются биться друг о друга со страшной скоростью — собственно, эти беспорядочные столкновения быстро движущихся частиц и означают, что газ сильно разогрелся, и теперь уже энергия столкновений превращается в энергию излучения. Построив сферу Дайсона на безопасном расстоянии от черной дыры, все это излучение можно будет собрать и пустить в дело. Чем быстрее крутится черная дыра, тем на большую эффективность процесса можно рассчитывать, а для черных дыр, вращающихся с максимальной скоростью, эффективность достигает аж целых 42 %4. У черных дыр с массой как у звезд большая часть энергии излучается в виде рентгеновских лучей, а у супермассивных звезд, находящихся в центрах галактик, максимум приходится на инфракрасный, видимый или ультрафиолетовый диапазон.

Если горючего, чтобы топить вашу черную звезду, у вас больше нет, вы можете начинать откачивать ее вращательную энергию, как мы описывали выше5. В самом деле, природа уже

1 См.: Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр / пер. с англ. Н. Я. Смородинская. СПб.: “Амфора”, 2001. — Прим. перев.

2 Если поблизости в космическом пространстве не окажется никакой подходящей черной дыры, созданной самой природой, ее можно создать самим, засунув очень много материи в какое-нибудь достаточно маленькое место.

3 Здесь у нас опять некоторое чрезмерное упрощение, поскольку излучение Хокинга включает в себя и некоторые частицы, которые трудно пустить в дело. Большая черная дыра только 90 % своей массы излучает в доступном для использования виде, а остальные 10 % — в виде гравитонов. Это исключительно деликатные частицы: их почти невозможно обнаружить, не говоря уж о том, чтобы как-то использовать. По мере того как черная дыра все больше излучает и все больше сжимается, в ее излучении появляется все больше нейтрино и других массивных частиц.

4 Если тут случится оказаться поклонникам Дугласа Адамса, то специально для них я уточню, что это элегантный вопрос, дающий ответ на другой вопрос — о жизни, Вселенной и вообще обо всем. Значение 42 % — приближенное, на намом деле 1 – 1/√3 ≈ 42%.

5 Если вы топите свою черную дыру газовым облаком, медленно вращающимся в ту же сторону, что и дыра, то газ, съедаясь, будет раскручиваться все быстрее, раскручивая и черную дыру, вроде как фигуристка, прижимающая к груди руки во время вращения. Таким образом ее можно раскрутить до максимальной скорости, из-за чего ей придется отдать 42 % энергии газа, а потом еще нашла способ, как делать это все наиболее эффективно, пропуская радиацию от аккреционного диска через процедуру с магнитным полем, получившую название “процесс Блэнфорда–Знаека”. И тогда, вполне может быть, удастся получить небольшую добавку к нашим 42 %, если использовать магнитные поля и некоторые другие ингредиенты.