Стивен Хокинг
Черные дыры и молодые вселенные

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

   В этой книге собраны эссе, которые я написал в период с 1976 по 1992 год. Самые разные: от автобиографических заметок и размышлений о философии науки до хвалебных слов в адрес Вселенной [1 - Слово «Вселенная» пишут с заглавной буквы, если речь идет о нашей Вселенной – в отличие от многочисленных вселенных, которые могут существовать в других измерениях пространства-времени. – Прим. ред.], к которой я испытываю самые возвышенные чувства. Книга заканчивается стенограммой моего интервью на BBC – в рамках программы «Пластинки для необитаемого острова» [2 - Desert Island Discs – программа на BBC Radio 4. – Прим. ред.]. Это замечательная передача, в которой гостю предлагается вообразить себя отшельником, заброшенным на самый край света, и ответить на вопрос: какие восемь пластинок он взял бы с собой, чтобы скоротать время до своего спасения? Мне повезло: авторы программы позволили мне вернуться в цивилизацию достаточно быстро.
   Эти заметки писались в течение шестнадцати лет, и приведенные рассуждения отражают глубину моих знаний на тот или иной период. Надеюсь, что мои знания значительно приумножились за прошедшие годы. Поэтому я привожу точную дату и обстоятельства, подтолкнувшие к созданию каждого эссе. Поскольку каждое задумывалось как самодостаточный научно-популярный опус, в книге неизбежны повторения. Я старался сократить их число, но некоторые все же остались.
   Ряд эссе предназначались для прочтения перед аудиторией. Моя речь мало приспособлена для полноценного разговора со слушателями. Поэтому обычно лекции зачитывали мои аспиранты, которые понимали меня и могли более внятно декларировать написанный мною текст. К сожалению, в 1985 году я перенес операцию, которая лишила меня способности говорить. Спустя время для меня разработали специальную компьютерную систему с хорошим звуковым синтезатором. Я с удивлением обнаружил, что могу быть прекрасным оратором, способным очаровать большую аудиторию. Я с огромным удовольствием объяснял научные теории и отвечал на вопросы. Однако я точно знаю: мне есть куда стремиться, и надеюсь, что за минувшие годы продвинулся немного в лекторском искусстве. В этом вам и предстоит убедиться.
   Я не согласен с тем, что Вселенная – это тайна, к которой можно прикоснуться, но которую нельзя постичь или предугадать. Отношение ко Вселенной как к тайне идет вразрез с научной революцией, которую почти 400 лет назад провозгласил Галилей и продолжил Ньютон. Они показали, что некоторые области макрокосмоса непроизвольны, что они подчиняются строгим математическим законам. С тех пор мы пытаемся применить подход Галилея и Ньютона к остальным уголкам пространства. И сегодня все рутинные наблюдаемые явления выглядят для нас вполне логичными. Мерилом нашего успеха являются те миллиарды долларов, которые уходят на строительство гигантских умных машин. Они ускоряют частицы до таких высоких энергий, что мы бессильны предположить, что может случиться при их столкновении. В естественных условиях, на Земле, частиц с такими высокими энергиями не бывает, поэтому огромные траты на их изучение могут выглядеть непомерными. Может даже показаться, что все это делается лишь по прихоти ученых. Однако в момент возникновения Вселенной такие частицы были всюду, и мы должны изучать их, если действительно хотим узнать, как зародился наш мир и мы сами.
   Мы по-прежнему очень многого не знаем и не понимаем. Но уровень прогресса, которого мы достигли за последний век, должен внушать нам веру в то, что человеку по силам осознать Вселенную во всей ее сложности. Что наш удел – это вовсе не вечное блуждание в потемках. Мы способны на рывок – к созданию всеобъемлющей теории Вселенной. И в этом случае мы станем ее полновластными хозяевами.
   Эссе, вошедшие в эту книгу, написаны в полной уверенности, что Вселенная подчиняется порядку, который мы пока понимаем лишь отчасти, но в котором сможем полностью разобраться в ближайшем будущем. Возможно, эта надежда всего лишь мираж. Возможно, не существует универсальной теории или, если она и есть, то недоступна для нас. Но, бесспорно, лучше стремиться к полному пониманию, чем сложить руки, утратив веру в силу человеческого разума.
   Стивен Хокинг
   31 марта 1993 года

Глава первая
Детство [3 - Это и следующее за ним эссе основаны на лекции, которую я прочитал в Цюрихе в сентябре 1987 г. в пользу Международного общества по борьбе с нейромоторными заболеваниями. Позднее они были дополнены материалами, написанными в августе 1991 г.]

   Я родился 8 января 1942 года, спустя ровно триста лет со дня смерти Галилея. В этот день на свет появился не только я – по моим оценкам, таких было тысяч двести. Мне доподлинно не известно, интересовался ли кто-либо из них в дальнейшем астрономией. Я родился в Оксфорде, хотя родители мои жили в Лондоне. Во время Второй мировой войны Оксфорд был самым благоприятным местом для появления на свет. У нас было соглашение с немцами: они обещали не бомбить Оксфорд и Кембридж, а мы – Гейдельберг и Гёттинген. Конечно, было бы лучше, если бы это цивилизованное соглашение распространялось и на все остальные города…
   Отец мой – выходец из Йоркшира. Его дедушка – мой прадедушка – был процветающим фермером. Он приобрел слишком много ферм и обанкротился во время сельскохозяйственной депрессии начала XX века. Это было тяжелым испытанием для родителей моего отца, но они сумели изыскать средства и отправили его учиться медицине в Оксфорд. Его специализацией стали исследования в области тропической медицины. В 1937 году он отправился в Восточную Африку. Когда началась война, ему пришлось проехать через весь континент, чтобы попасть на корабль, идущий в Англию. Вернувшись на родину, отец хотел пойти добровольцем на военную службу. Однако ему сказали, что он будет гораздо полезнее на медицинском поприще.
   Моя мама родилась в Шотландии, в Глазго, в семье врача. Всего у ее родителей было семь детей, она была второй. Когда ей исполнилось двенадцать лет, семья переехала на юг, в Девон. Подобно семье моего отца, мамина семья также не была зажиточной. Тем не менее ее родители сумели послать ее учиться в Оксфорд. Окончив университет, мама работала на нескольких должностях, в том числе была налоговым инспектором, что ей не очень нравилось. Из инспекторов она перешла в секретари. Так она и встретила моего отца в первые годы войны.
   Мы жили в Хайгейте, на севере Лондона. Моя сестра Мэри родилась спустя восемнадцать месяцев после меня. Как мне потом рассказали, я не особенно обрадовался ее появлению. Все наше детство между нами сохранялись напряженные отношения, и соперничество подпитывала небольшая разница в возрасте. С возрастом напряженность исчезла, поскольку мы пошли по жизни разными путями. Она стала врачом, что очень нравилось моему отцу. Еще одна моя младшая сестра, Филиппа, родилась, когда мне было почти пять лет и я уже был в состоянии понимать, что происходит. Я помню, что с нетерпением ожидал ее появления. Ведь нас будет трое, а втроем играть куда интереснее! Она была очень впечатлительным и восприимчивым ребенком. Я всегда уважал ее мнения и суждения. Мой брат Эдвард родился гораздо позже, когда мне было четырнадцать. Можно сказать, что мое детство прошло без него. Он очень отличался от нас с сестрами: склонности к наукам и интеллектуальным развлечениям у него не было. Возможно, для нас это было к лучшему. Он был довольно проблемным ребенком, но не любить его было невозможно.
   Мои самые первые воспоминания относятся к яслям Байрон-Хауз в Хайгейте. До сих пор помню те горючие слезы, которые я проливал там. Все дети вокруг меня играли с игрушками, которые казались мне чудесными. Я очень хотел поиграть вместе с ними, но мне было всего лишь два с половиной года и я впервые оказался в компании совершенно незнакомых мне людей. Думаю, что родители были сильно удивлены моей реакцией – я был первым ребенком, и они четко следовали рекомендациям книжек по воспитанию детей: черным по белому там было сказано, что детей нужно приучать к общению с двух лет. Но после того ужасного утра они забрали меня домой и снова отдали в Байрон-Хауз только полтора года спустя.
   Хайгейт во время войны и сразу после нее был прибежищем научных сотрудников и преподавателей. В любой другой стране их бы назвали интеллигенцией, но англичане никогда не претендовали на то, чтобы иметь таковую. Все эти интеллектуалы посылали своих детей в школу Байрон-Хаус, которая в те времена считалась весьма прогрессивной. Помню, как жаловался своим родителям, что там меня ничему не учат. Тамошние учителя не были приверженцами популярной у тогдашних педагогов зубрежки. Иными словами, предполагалось, что ученики могут научиться читать, не осознавая того, что их этому учат. Читать в конце концов я научился, но к тому моменту мне исполнилось восемь лет. Мою сестру Филиппу учили читать более традиционными методами, и она начала читать в четыре года. Откровенно говоря, она с самого рождения была определенно талантливее меня.
   Мы жили в высоком, похожем на башню, доме викторианского стиля, который мои родители весьма дешево купили во время войны, когда все вокруг были уверены, что Лондон разбомбят подчистую. И действительно, «Фау-2» приземлилась буквально в соседнем квартале. Меня, мамы и сестры в этот момент не было дома, а папа находился там. К счастью, его даже не задело, а дом не был сильно поврежден. Но еще много лет на улице оставалась большая воронка от бомбы. В ней мы любили играть с моим другом Говардом, который жил за три дома от нас. Знакомство с Говардом явилось для меня своего рода откровением: его родители не принадлежали к кругу интеллектуалов, в отличие от родителей всех остальных детей, которых я знал. Он ходил не в Байрон-Хаус, а в муниципальную школу и прекрасно разбирался в футболе и боксе, то есть в тех сферах, в которых мои родители вовсе не мечтали меня увидеть.
   Другое детское воспоминание относится к моему первому игрушечному поезду. В годы войны игрушки не производили. Может быть, их делали только на экспорт. Но я питал страстный интерес к моделям поездов. Мой отец попытался сделать для меня деревянный поезд, но он меня не удовлетворил: мне хотелось чего-нибудь, что могло ездить. Тогда отец достал подержанную модель поезда с часовым механизмом, кое-как починил его с помощью паяльника и подарил мне на Рождество. Мне тогда было почти три года. Этот поезд работал не очень хорошо. Сразу после войны отец поехал в Америку, а когда он вернулся назад на «Королеве Мэри», то привез матери нейлон, который в Британии было не достать. Сестре Мэри досталась кукла, которая закрывала глаза, когда ее укладывали спать. А мне он привез из Америки железную дорогу с путями, уложенными в виде восьмерки, и паровозом с путеочистителем. До сих пор помню восторг, охвативший меня, когда я открыл коробку с подарком.
   Поезда с часовым механизмом были, конечно, хороши, но как же мне хотелось иметь электрический поезд! Я часами созерцал модель, выставленную в витрине железнодорожного клуба в Крауч-Энде, возле Хайгейта. Я бредил электрическими поездами. В конце концов, когда родители были в отъезде, я снял со своего счета в Почтовом банке все свои скромные деньги, подаренные мне на знаменательные события моей жизни, такие как крещение. Все эти сбережения ушли на электрическую железную дорогу, но к моему ужасу она работала не очень хорошо. Теперь мы прекрасно знакомы с правами потребителей. Мне нужно было отнести игрушку обратно в магазин и потребовать заменить ее. Но в те дни подход был совсем другой: покупатель имел право лишь на покупку, а уж если с качеством ему не повезло, то это было его личное дело. Поэтому мне пришлось заплатить за ремонт электродвигателя, но все равно он работал плохо.
   Позже, уже будучи подростком, я начал строить модели самолетов и кораблей. Я никогда не был мастером на все руки, но мне помогал мой школьный товарищ Джон Мак Кленахан. Он был гораздо способнее меня в техническом творчестве, а у его отца дома была мастерская. Моей целью всегда было построить управляемую модель. Внешний вид модели меня заботил мало. Стремление к конструированию управляемых моделей привело меня к созданию целой серии весьма сложных игр. Мы придумывали их вместе с Роджером Фернихоу, который тоже был моим школьным другом. Мы придумали игру в промышленное производство, включающее фабрики, на которых производились изделия различных цветов, автомобильные и железные дороги, по которым перевозились эти изделия, и биржу. Мы также придумали военную игру, действие которой происходило на доске из четырех тысяч квадратов. Была даже игра в феодалов, в которой каждый игрок представлял целую династию со своим фамильным древом. Думаю, что все эти игры, поезда, корабли, самолеты возникли из стремления узнать, как это все работает, и из желания всем этим управлять. С тех пор как я начал работать над своей диссертацией, это желание воплотилось в мои занятия космологией. Если вы понимаете, как «работает» Вселенная, вы можете управлять ею в той или иной степени.
   В 1950 году учреждение, где работал отец, переехало из Хэмпстеда, что рядом с Хайгейтом, во вновь организованный Национальный институт медицинских исследований в Милл Хилле в северном пригороде Лондона. Чтобы не ездить на работу из Хайгейта, решено было переселиться из Лондона в предместье. Поэтому мои родители купили дом в Сент-Олбансе, в десяти милях к северу от Милл Хилла (в двадцати милях к северу от Лондона). Это был довольно элегантный большой дом в викторианском стиле. Благосостояние моих родителей оставляло желать лучшего в момент покупки этого дома. Прежде чем мы смогли туда переехать, над домом пришлось немало поработать. Отец мой, как истинный йоркширец, не желал вкладывать в ремонт большие деньги. Он предпочитал делать все сам, в частности, поддерживать его в надлежащем порядке и хорошо окрашенным, но дом был большой, а мастеровой из отца был весьма посредственный. Однако крепкая постройка дома способна была выдержать любые испытания. В 1985 году мои родители продали этот дом. В это время отец был уже тяжело болен (он умер в 1986 году). Недавно мне довелось увидеть наш бывший дом. Он выглядел почти по-прежнему, по-видимому, его так и не коснулись ничьи деятельные руки.
   Дом был спроектирован для семьи с прислугой. В буфетной находился щиток. Глядя на него, прислуга могла понять, из какой комнаты ее вызывают звонком. Конечно, никаких слуг у нас не было. Моя первая спальня, которая по форме напоминала букву Г и была очень маленькой, когда-то, видимо, предназначалась для горничной. Я попросил, чтобы мне ее отдали, потому что так предложила моя кузина Сара. Она была немного старше меня, и я ее обожал. Она сказала, что комната просто восхитительна. Одним из преимуществ спальни было то, что можно было выбраться из окна прямо на крышу велосипедного гаража, а оттуда соскочить на землю.
   Сара была дочерью старшей сестры моей матери, Джанетты, которая получила медицинское образование и была замужем за психоаналитиком. Они жили в Харпендене, в деревушке в пяти милях дальше к северу, в доме, очень похожем на наш. Кстати, это была одна из причин, по которой мы переехали в Сент-Олбанс. Я очень радовался тому, что мы оказались с Сарой соседями, и часто ездил в Харпенден на автобусе. Наш Сент-Олбанс располагался рядом с руинами древнего римского города Веруламиум, который был вторым после Лондона римским поселением в Британии. В Средние века в нем находился самый богатый британский монастырь. Он был построен на месте погребения святого великомученика Албана, римского центуриона, который, по преданию, был первым казнен за веру Христову. От аббатства остались только большая, неуклюжая церковь и старинная надвратная постройка, которая в наши дни стала частью школы в Сент-Олбансе, куда я впоследствии и пошел.
   По сравнению с Хайгейтом или Харпенденом Сент-Олбанс был старомодным и консервативным местом. Моим родителям так и не довелось завести там друзей. Отчасти это была их собственная вина, так как от природы они были довольно замкнутыми людьми, особенно мой отец. Но это также объяснялось особенностью местного населения: никто из родителей моих школьных товарищей в Сент-Олбансе не блистал интеллектуальностью.
   В Хайгейте наша семья выглядела вполне нормальной, но обитателям Сент-Олбанса, я думаю, мы представлялись чудаками. Это впечатление поддерживалось поведением моего отца: он уделял мало внимания своему внешнему виду, который для него был неважен, особенно если на этом внешнем виде можно было сэкономить. Его собственная семья в годы его молодости отличалась крайней бедностью, и это оставило на нем неизгладимый отпечаток. Его рука не поднималась истратить на себя лишний пенс даже тогда, когда он уже мог себе это позволить. Он так и не поставил в доме центральное отопление, несмотря на то, что плохо переносил холод. Вместо этого он предпочитал носить несколько свитеров и халат поверх обычной одежды. Однако это не мешало ему быть щедрым по отношению к другим людям.
   В 50-х годах прошлого века он понял, что мы не можем позволить себе новую машину. Поэтому он купил довоенное лондонское такси, и мы с ним соорудили «хижину Ниссена» [4 - Хижина Ниссена – полукруглое быстровозводимое строение типа эллинга из гофрированной стали, изобретено в 1916 году американцем Питером Норманом Ниссеном. Эти эллинги использовались в том числе как склады и помещения для временного проживания. – Прим. ред.] в качестве гаража. Соседи негодовали, но остановить нас не смогли. Как большинство мальчиков, я хотел жить в мире и согласии с соседями и был смущен поведением родителей. Но это их мало заботило.
   Когда мы приехали в Сент-Олбанс, меня определили в школу для девочек, которая вопреки своему названию принимала мальчиков в возрасте до десяти лет. Однако после первого семестра отец уехал в командировку в Африку, на это раз очень продолжительную – около четырех месяцев. Моей маме не хотелось чувствовать себя одинокой и брошенной, поэтому она взяла меня и двух моих сестер и уехала к своей школьной подруге Берил, которая была замужем за поэтом Робертом Грейвсом. Они жили в Дейе, деревне на испанском острове Майорка. После войны прошло всего пять лет, и в Испании у власти по-прежнему был диктатор Франко, пособник Гитлера и Муссолини. (Ему оставалось править еще двадцать лет.) Несмотря на это, моя мама, которая перед войной состояла в Коммунистическом союзе молодежи, с тремя маленькими детьми проделала путешествие на корабле и на поезде до Майорки. Мы сняли домик в Дейе и прекрасно проводили там время. Наставник Вильяма, сына Роберта, стал также заниматься и со мной. Этот учитель был протеже Роберта, он больше занимался сочинением пьесы для Эдинбургского фестиваля, чем учил нас. Каждый день он усаживал нас за чтение очередной главы из Библии и требовал написать по ней изложение. По идее, таким образом мы должны были приобщиться к красотам английского языка. До моего отъезда мы успели одолеть все Бытие и часть Исхода. Главное, чему я научился за это время – не начинать предложение с союза «и». Я заметил, что большинство предложений в Библии начинались с «и», но мне было сказано, что английский язык сильно изменился со времен короля Якова [5 - Речь идет о Библии короля Якова – классическом переводе священных текстов на английский язык, выполненном под покровительством короля Англии Якова I и опубликованном в 1611 г.]. По этому поводу я открыл дискуссию: зачем тогда заставлять нас читать Библию? Но вопрос повис в воздухе. Роберт Грейвс был о ту пору страстным поклонником библейского символизма и мистицизма.
   Вернувшись с Майорки, я пошел в другую школу и проучился в ней целый год, после чего держал первый в жизни экзамен, так называемый «одиннадцать-плюс». Это был интеллектуальный тест, который в то время сдавали все дети, если они хотели получить государственное образование. Сейчас от него отказались, так как большое количество детей из семей, принадлежавших к среднему классу, не могли его сдать, и их приходилось направлять в школы, не дающие академического образования. Но я ухитрился сдать экзамены гораздо лучше, чем я писал курсовые, и поэтому я сдал «одиннадцать-плюс» и получил «бюджетное» место в школе Сент-Олбанса.
   Когда мне исполнилось тринадцать, отец захотел, чтобы я поступил в Вестминстерскую школу. Это была одна из главных закрытых частных школ в Британии. В то время образование для выходцев из разных социальных классов сильно отличалось. Отец чувствовал, что его положение в обществе и отсутствие связей привели к тому, что его обошли менее способные, но зато умеющие себя держать в обществе ровесники. Из-за того, что родители не могли заплатить за мое обучение, мне нужно было выдержать экзамен для получения именной стипендии. Однако перед экзаменом я заболел и не пошел на него. В результате я остался в школе Сент-Олбанса. Там я получил образование ничуть не хуже, если не лучше, чем если бы учился в Вестминстере. Никогда потом я не ощущал, что отсутствие светского лоска для меня является помехой.
   Образование в Англии в то время было очень иерархическим. Школы разделялись не только на академические и неакадемические, но академические школы подразделялись еще на потоки A, B и C. Самое большое преимущество было у тех, кто учился на потоке A, хуже было учащимся потока B, и уж совсем обескураживающе обстояло дело на потоке C. По результатам экзамена «одиннадцать-плюс» я был взят на поток A. Но после первого года обучения все, кто еще не достиг двенадцатилетнего возраста, были автоматически понижены до потока B. Конечно, это был большой удар по самолюбию подростков, от которого многие не сумели оправиться. Первые два семестра в школе Сент-Олбанс я закончил двадцать четвертым и двадцать третьим по успеваемости, но в третьем семестре я поднялся на восемнадцатое место. Таким образом, я парировал этот удар по моему самолюбию.
   Мои результаты никогда не поднимались выше средних. (В этом классе учились очень способные ребята.) Мои классные работы отличались неряшливостью, а почерк приводил учителей в отчаяние. Однако мои школьные товарищи прозвали меня Эйнштейном. Возможно, они видели, что я способен на нечто большее. Когда мне было двенадцать лет, двое моих друзей заключили из-за меня пари на кулек конфет. Один из них утверждал, что из меня никогда ничего не выйдет. Мне до сих пор неизвестно, чем закончился этот спор и кто из них выиграл.
   У меня было шесть или семь близких друзей. С большинством из них я и сейчас поддерживаю контакт. Мы часами говорили и спорили обо всем на свете, начиная от радиоуправляемых моделей до религии, парапсихологии и физики. Мы обсуждали и проблему возникновения Вселенной, дискутируя о том, могла ли она возникнуть сама собой или потребовался Бог, чтобы ее создать и заставить функционировать. Я уже слышал о том, что свет от далеких галактик смещен к красному концу спектра и что это является свидетельством расширения Вселенной. (Смещение в голубую сторону означало бы, что она сжимается.) Но я был убежден, что имеется другая, не божественная причина красного смещения. Возможно, по дороге к нам свет просто устал и из-за этого покраснел. Вечная и неменяющаяся Вселенная выглядела намного более естественной. Только спустя пару лет после начала работы над диссертацией я понял, что заблуждался.
   За два года до окончания школы я решил более углубленно изучать математику и физику. На это меня вдохновил мистер Тата (Tahta), учитель математики, а в школе как раз открыли новый класс, который стал классной комнатой для занятий математикой. Но отец мой был против этого. Он считал, что математик не сможет найти для себя никакой другой работы, кроме преподавательской. Он бы предпочел, чтобы я занялся медициной, но я не выказывал никакого интереса к биологии, находя ее слишком описательной и недостаточно фундаментальной. Кроме того, биология довольно низко котировалась в школе. Самые способные ребята занимались математикой и физикой, все остальные шли в биологию. Мой отец понимал, что я не буду заниматься биологией, но всячески пытался увлечь меня химией, не возражая против небольших отклонений в математику. Он считал, что таким образом оставляет мне возможность выбора. Сейчас я профессор математики, однако никакого формального математического образования я не знал с тех пор, как в возрасте семнадцати лет окончил школу в Сент-Олбансе. В дальнейшем мне постоянно приходилось пополнять свои знания в этой области. Мне доводилось курировать выпускников Кембриджа, которых я опережал всего лишь на неделю в своих математических познаниях.
   Мой отец занимался изучением тропических болезней и часто приводил меня в свою лабораторию в Милл-Хилле. Мне нравились эти поездки, особенно я любил поглядеть в микроскоп. Он, бывало, пускал меня в инсектарий, где содержались москиты, зараженные тропическими болезнями. Это пугало меня, потому что все время казалось, что некоторые москиты вырвались на свободу. Отец мой был очень трудолюбив и увлечен своими исследованиями. У него был один комплекс: его постоянно подтачивало чувство, что другие люди, наделенные гораздо меньшими способностями, добились гораздо большего за счет своего происхождения и связей. Он предостерегал меня от таких людей. Но физика, по моему убеждению, это не медицина. Здесь не важно, какую школу ты окончил и с кем из сильных мира сего ты знаком. Здесь важно то, что ты реально делаешь.
   Меня всегда интересовало, как устроена та или иная вещь, и я частенько разбирал различные устройства на составные части, чтобы посмотреть, как они работают. А вот со сборкой часто возникали проблемы. Мои практические способности часто отставали от моих теоретических запросов. Отец поощрял мои занятия математикой и иногда даже играл роль учителя до тех пор, пока мой уровень математических знаний не превзошел его уровень. В моей голове скапливалось все больше знаний, и кроме прочего, мой отец серьезно занимался наукой, а потому было само собой разумеющимся, что и мне предстоит посвятить себя научным исследованиям. В детстве я не делал особых различий между областями науки. Но к четырнадцати годам я понял, что хочу заниматься именно физикой, потому что она представлялась мне самой фундаментальной наукой. И это несмотря на то, что физика была самым скучным предметом в школе из-за ее простоты и очевидности. Другое дело – химия. Тут все было гораздо веселее: то что-нибудь вспыхнет, то взорвется. Но физика и астрономия давали надежду понять, откуда мы пришли сюда и зачем мы здесь находимся. Я мечтал взором своего разума пронзить глубины Вселенной. Может быть, я слегка и продвинулся на этом пути. Но остается еще много такого, что я хотел бы узнать.

Глава вторая
Оксфорд и Кембридж

   Мой отец очень хотел, чтобы я поступил в Оксфорд или Кембридж. Сам он окончил Университетский колледж в Оксфорде и полагал, что мне следует стремиться именно туда, потому что у меня куда больше шансов попасть в это, без сомнения, престижное учебное заведение, чем поступить в Кембридж. В то время Университетский колледж не выделял стипендии студентам-математикам, и это была еще одна причина, по которой отец упорно подталкивал меня к выбору химического факультета: я скорее добился бы стипендии как студент-естественник.
   Вся семья в это время уехала на год в Индию, а я остался дома, чтобы сдать экзамены на аттестат зрелости и вступительные в университет. Директор моей школы считал, что я еще слишком юн для Оксфорда. Однако в марте 1959 года вместе с двумя другими мальчиками из старших классов я отправился в этот университетский городок, чтобы добиться своей цели – стипендии. Я был уверен, что экзамены я провалил: во время практического экзамена университетские преподаватели разговаривали с кем угодно, только не со мной. Но через несколько дней после моего возвращения из Оксфорда я получил телеграмму, в которой меня уведомляли о выделении мне стипендии.
   Мне было всего семнадцать лет. Большинство студентов моего курса были куда старше и уже отслужили в армии. В течение первых полутора лет моей учебы я был довольно одинок. И только на третьем курсе я ощутил себя счастливым. В то время в Оксфорде считалось не очень модным учиться. Были две категории студентов: первым все давалось легко и они считались успешными, другие должны были признать, что звезд с неба не хватают и их устраивает диплом бакалавра с невзрачным набором оценок. Усердно работать, чтобы получить диплом с отличием, считалось зазорным, и такого студента считали серостью, что было худшим ругательством в лексиконе оксфордских студентов.
   В те годы курс физики в Оксфорде был устроен таким образом, что его можно было одолеть, не особенно напрягаясь. Я сдал один вступительный экзамен, а затем обходился без них вплоть до выпускных экзаменов в конце третьего курса. Как-то я подсчитал, что за три года учебы я работал порядка тысячи часов, то есть всего около часа в день. Но я вовсе не горжусь таким малым количеством затраченных усилий. Я всего лишь описываю мое – и большинства моих сокурсников – отношение к учебе: ощущение безнадежной скуки и отсутствие всякого желания прилагать дополнительные усилия. Одним из результатов моей болезни стало изменение этой точки зрения: если вы постоянно находитесь под угрозой ранней смерти, вы начинаете понимать, что жизнь – штука стоящая и что существует еще много вещей, которые вам хочется успеть сделать.
   Поскольку мои знания хромали из-за недостаточного усердия, на выпускном экзамене я решил сделать упор на задачи по теоретической физике и избегать вопросов, которые требовали фактологических знаний. Я не спал последнюю ночь перед экзаменом из-за нервного напряжения и не смог хорошо сдать его. Я оказался на тонкой грани между дипломом с отличием первого класса и дипломом с отличием второго класса. Потому мне пришлось отвечать на дополнительные вопросы экзаменаторов. Среди прочего они поинтересовались о моих дальнейших планах. Я ответил, что хочу заниматься исследовательской работой. Отличие первой степени открывало мне дорогу в Кембридж. Отличие второй степени оставляло меня в Оксфорде. Мне присудили первую.
   Мне представлялось, что в теоретической физике есть две фундаментальные области, в которых я мог бы себя попробовать. Одна из них – космология, наука о макромире. Другая – элементарные частицы [6 - Мельчайшие элементы материи. Когда-то, в начале исследования атома, были известны три элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон. В настоящее время известно более 300 элементарных частиц (вместе с античастицами), и физики-ядерщики продолжают открывать новые. – Прим. ред.], наука о микромире. Элементарные частицы меня привлекали меньше. Хотя ученые все время открывали новые, никакой особой теории в физике элементарных частиц не существовало. Все, что удалось сделать в этой области – это разделить частицы по семействам, как в ботанике [7 - Когда Энрико Ферми спросили о названии одной элементарной частицы, он ответил: «Если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником». – Прим. ред.]. С другой стороны, в космологии существовала прекрасно разработанная теория, общая теория относительности Эйнштейна.
   В Оксфорде никто космологией не занимался, тогда как в Кембридже работал Фред Хойл, выдающийся британский астроном. Мне хотелось работать над диссертацией под руководством Хойла, и я письменно попросил об этом. Благодаря моему диплому с отличием первой степени мое прошение о работе в Кембридже было удовлетворено, но, к моему разочарованию, моим руководителем назначили некоего Денниса Сиаму, о котором я ровно ничего не слышал. Правда, со временем оказалось, что это было к лучшему. Хойл все время проводил в заграничных командировках и едва ли смог бы уделять мне внимание. А Сиама всегда был на месте, всегда помогал мне, хотя я не всегда разделял его идеи.
   Поскольку я не слишком прилежно изучал математику в школе и в Оксфорде, вначале общая теория относительности показалась мне очень сложной и успехи мои были весьма скромными. К тому же на последнем курсе Оксфорда я стал замечать, что мне трудно двигаться. Вскоре после того, как я поступил в Кембридж, мне поставили диагноз: боковой амиотрофический склероз (БАС), или болезнь моторных нейронов, как принято говорить в Англии. (В США этот недуг называют болезнью Лу Герига.) К сожалению, врачи не умеют ее лечить.
   Сначала болезнь прогрессировала очень быстро. Мне стало казаться, что нет смысла заниматься своими изысканиями, что мне просто не хватит времени закончить диссертацию. Однако со временем течение болезни замедлилось. Более того, мне стала более понятной общая теория относительности и исследования мои ускорились. Но самые большие изменения в мою жизнь внесла помолвка с девушкой по имени Джейн Уайлд, с которой я познакомился примерно в то же самое время, как мне диагностировали болезнь. У меня появилась цель в жизни.
   Чтобы мы могли пожениться, я должен был найти место, а для этого мне надо было закончить диссертацию. И вот впервые в жизни я по-настоящему взялся за работу. К моему удивлению, я обнаружил, что мне это нравится. Может быть, не совсем справедливо называть это работой. Кто-то когда-то сказал: ученым и публичным женщинам платят за то, что они делают с удовольствием.
   Я подал заявку на исследовательский грант в колледже Гонвилл и Киз. Я надеялся, что Джейн напечатает мою заявку на пишущей машинке, но когда она приехала в Кембридж навестить меня, я увидел гипс на ее руке: это был перелом. Надо признаться, что я не выказал должного сострадания. Поскольку сломана была левая рука, она смогла написать заявку под мою диктовку. А мне пришлось искать другого человека, который смог ее напечатать.
   В своей заявке мне нужно было указать имена двух человек, которые могли бы дать положительные отзывы о моей работе. Мой научный руководитель посоветовал мне обраться за рецензией к Герману Бонди. Бонди был в то время профессором математики в Королевском колледже в Лондоне и считался знатоком общей теории относительности. Я встречался с ним пару раз, и он даже представил мою статью к публикации в журнале Proceedings of the Royal Society [8 - Proceedings of the Royal Society («Труды Королевского общества») – официальный печатный орган британского Королевского общества. – Прим. ред.]. Я изложил ему свою просьбу после лекции, которую он прочел в Кембридже. Он посмотрел на меня рассеянным взором и пообещал, что сделает это. Очевидно, он не запомнил меня, потому что когда колледж запросил у него отзыв, он ответил, что никогда не слышал обо мне. В наши дни, когда столько людей претендуют на стипендии, если один из рецензентов говорит, что понятия не имеет, о ком идет речь, надежды соискателя рушатся. Но те времена были куда более безмятежными. Администрация колледжа сообщила мне о таком, мягко говоря, странном ответе моего рецензента, и мой научный руководитель отправился к Бонди, чтобы освежить его память. После этого Бонди написал обо мне отзыв, который был куда лучше, чем я заслуживал. Я получил стипендию и место и с тех пор являюсь научным сотрудником колледжа Гонвилл и Киз.
   Получение места означало, что мы с Джейн могли пожениться. Что мы и сделали в июле 1965 года. Мы провели медовую неделю в Суффолке – все, что мы могли себе позволить. Затем мы поехали на летнюю школу по общей теории относительности в Корнеллском университете (штат Нью-Йорк). Это была ошибка. Мы остановились в общежитии, которое было переполнено молодыми родителями и кричащими младенцами, что не добавило радости нашим супружеским отношениям. Во всех остальных отношениях летняя школа оказалась весьма полезной для меня, так как я познакомился со многими ведущими учеными.
   До 1970 года я занимался космологией – исследованием бескрайних просторов Вселенной. Основным объектом моих исследований в то время были сингулярности [9 - От англ. singularity – оригинальность, особенность. Слово «сингулярность» появилось в научной литературе после создания Эйнштейном общей теории относительности (ОТО). Эйнштейн, решая уравнения ОТО, показал, что должны существовать особые точки, в которых известные нам физические законы не выполняются. Примером сингулярности является пространство-время под горизонтом событий у черных дыр, которое недоступно для наблюдений извне, потому что никакой посланный внутрь сигнал или объект не возвращается обратно. Таким образом, чтобы исследовать такую сингулярность, надо в буквальном смысле слова пожертвовать собой. – Прим. ред.]. Наблюдения за далекими объектами показывают, что галактики удаляются от нас: Вселенная расширяется. Это означает, что в прошлом галактики должны были быть гораздо ближе друг к другу. Тогда возникает вопрос: был ли такой момент в прошлом, когда галактики «терлись боками», а плотность Вселенной была бесконечной? Была ли перед этим расширением стадия сжатия, при которой галактики умудрились избежать столкновения? Может быть, они пролетели мимо друг друга и стали удаляться друг от друга. Чтобы ответить на этот вопрос, требовались новые математические методы. Эти методы появились в период с 1965 по 1970 год, в основном благодаря Роджеру Пенроузу и мне. Пенроуз работал тогда в Лондоне, в Биркбекском колледже. Теперь он в Оксфорде. Мы использовали эти методы, чтобы показать, что если общая теория относительности верна, в прошлом Вселенная должна была иметь бесконечную плотность.
   Это состояние бесконечной плотности называется сингулярностью Большого взрыва. В принципе, наука не может описать процессы, происходящие при возникновении Вселенной в рамках общей теории относительности (ОТО). Тем не менее одна из моих последних работ показывает, что предсказать возникновение Вселенной можно, если принять во внимание теорию квантовой физики, рассматривающую бесконечно малые величины.
   ОТО также предсказывает, что массивные звезды будут коллапсировать [10 - В астрофизике так называют катастрофически быстрое сжатие звезды под действием собственных сил тяготения, в результате чего разрушаются даже атомные ядра. – Прим. ред.] («падать в себя»), когда они исчерпают запасы своего ядерного топлива. Совместно с Пенроузом мы показали, что они будут коллапсировать, пока не наступит сингулярность с бесконечной плотностью. Эта сингулярность будет концом времени, по крайней мере для этой звезды и всего того, что на ней находится. Гравитационное поле в точке сингулярности будет таким сильным, что свет не сможет преодолеть его тиски и вырваться из окрестности сингулярности. Область, из которой свет не способен выбраться, называется черной дырой, а ее граница называется горизонтом событий. Для всего и вся, что упадет в черную дыру через горизонт событий, время закончится.
   В один из вечеров 1970 года, вскоре после рождения моей дочери Люси, я лег спать, размышляя о черных дырах. Внезапно я понял, что большинство методов, придуманных нами с Пенроузом для объяснения сингулярностей, вполне применимы к черным дырам. В частности, область горизонта событий (граница черной дыры) не может уменьшаться со временем. И когда две черные дыры сталкиваются, превращаясь в одну черную дыру, площадь горизонта событий новой дыры будет больше суммы площадей двух предыдущих дыр. Это ограничивает количество энергии, которое может быть выделено в результате столкновения. Я был так взволнован, что не смог заснуть в ту ночь.
   В период с 1970 по 1974 год я занимался преимущественно черными дырами. А в 1974 году я сделал одно из моих самых удивительных открытий: черные дыры не совсем черные! Если принять во внимание поведение материи на очень малых масштабах, то частицы и излучение могут просачиваться из черной дыры наружу. Черная дыра излучает как нагретое тело.
   Начиная с 1974 года я работаю над объединением ОТО и квантовой механики в одну стройную теорию. Одним из результатов этой работы явился вывод, сформулированный мною в 1983 году вместе с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре: и время, и пространство не бесконечны, но у них нет ни границы, ни края. В этом смысле они похожи на поверхность Земли, но с двумя дополнительными измерениями. Земная поверхность ограничена по площади, но не имеет никаких границ. Ни в одном из своих многочисленных путешествий я не мог зайти за край света. Если этот вывод справедлив, то никаких сингулярностей не существует и законы науки торжествуют везде и всюду, даже в той реальности, в которой зародилась Вселенная. Тогда они и укажут, как это произошло. В этом случае я вполне преуспел бы в выяснении всех обстоятельств этого процесса. Но я до сих пор не знаю, почему этот процесс был запущен.

Глава третья
Я и БАС [11 - Название доклада, сделанного на конференции Британской ассоциации по борьбе с нейромоторными заболеваниями в Бирмингеме, в октябре 1987 г. (БАС – боковой амиотрофический склероз. – Прим. ред.)]

   Меня часто спрашивают: как вы воспринимаете свою болезнь? Ответ такой: воспринимаю, но не очень сильно. Я пытаюсь жить нормальной жизнью, насколько это возможно, не думать о своем состоянии и не сожалеть о тех вещах, которые мне делать не суждено и которых, кстати, не так уж много.
   Конечно, для меня было сильным потрясением узнать, что у меня заболевание двигательных нейронов. Надо сказать, что и в детстве координация моих движений оставляла желать лучшего. Мне не давались игры с мячом. Наверное, поэтому я не очень любил спорт и вообще физическую активность. Но все изменилось, когда я поступил в Оксфорд. Там я увлекся греблей. Конечно, я не стал мастером спорта, но вышел на уровень межуниверситетских соревнований.
   На третьем курсе Оксфорда я заметил, что становлюсь неуклюжим. Я даже несколько раз падал без всякой видимой причины. Но только через год, когда я переехал в Кембридж, моя мама забила тревогу и повела меня к семейному доктору. Он направил меня к специалисту, и вскоре после того, как я отметил свой двадцать первый день рождения, я оказался в госпитале на обследовании. В течение двух недель мне сделали множество различных анализов. У меня брали образцы мышечной ткани из руки, втыкали в меня электроды, вводили в позвоночник рентгеноконтрастную жидкость и с помощью рентгена наблюдали, как она течет туда-сюда при наклонах кровати. В результате всех этих манипуляций мне так ничего толком и не сказали, кроме того, что у меня нет рассеянного склероза и у меня нетипичный случай. Я понял, однако, что они ожидают лишь ухудшения моего состояния и не могут сделать ничего, кроме как давать мне витамины. Причем я видел, что сами они не ожидают от витаминов особого эффекта. Более подробно вникать в состояние своего здоровья я не хотел, так как не ожидал узнать ничего хорошего.
   Понимание того, что я болен неизлечимой болезнью, которая, скорее всего, убьет меня через несколько лет, стало для меня шоком. Как и почему это могло случиться со мной? Когда я был в госпитале, в моей палате умер от лейкемии мальчик, которого я немного знал. Зрелище малоприятное. Я понял, что некоторым людям гораздо хуже, чем мне. В конце концов, я не чувствовал себя откровенно больным. Когда я начинаю себя жалеть, я вспоминаю этого мальчика.
   Не зная, что со мной может случиться и как быстро будет прогрессировать болезнь, я потерял почву под ногами. Врачи советовали мне вернуться в Кембридж и продолжить исследования в области общей теории относительности и космологии, которые я только что начал. Но дела мои в этой области шли не очень успешно, сказывалось отсутствие систематической математической подготовки. Кроме того, отпущенного мне времени могло не хватить на написание диссертации. Я чувствовал себя, как актер-трагик на подмостках театра. Я пристрастился к Вагнеру. Я стал с жадностью читать подряд все статьи в журналах, но это только сбивало с толку. Дело в том, что как только один журнал напечатает что-нибудь сногсшибательное, другие сразу подхватывают новость и раздувают ее до размеров сенсации. А мы начинаем верить печатному слову, тем более многократно повторенному.
   Мои сны в это время были очень беспокойные. Перед тем как мне поставили диагноз, я был весьма утомлен жизнью. Казалось, что в жизни нет ничего такого, ради чего стоило бы жить. Но вскоре после выписки из госпиталя я увидел во сне, что меня собираются казнить. Я внезапно понял, что есть на свете множество вещей, которые я мог бы сделать, если бы смертная казнь была отложена. Несколько раз мне снился сон, в котором я готов был пожертвовать жизнью для спасения других. В конце концов, если мне все равно суждено умереть, пусть это хоть кому-то принесет пользу.
   Но я остался жить. По сути дела, хотя над моим будущим по-прежнему висел туман неизвестности, к моему удивлению я обнаружил, что стал наслаждаться жизнью гораздо сильнее, чем раньше. Моя исследовательская работа пошла на лад, я был помолвлен и женился, я получил грант в колледже Гонвилл и Киз в Кембридже.
   Исследовательский грант в Гонвилл и Киз решил проблему моего трудоустройства. Я был счастлив, что избрал работу в области теоретической физики, одной из тех немногих областей, в которых мое состояние не было серьезной помехой. К счастью, моя научная репутация возрастала по мере того, как наступало ухудшение физического состояния. В частности, это означало, что мне готовы были предложить целый ряд должностей, на которых я мог заниматься чистыми исследованиями, без всякой лекционной деятельности.
   Нам также повезло с жильем. Когда мы поженились, Джейн училась на выпускном курсе в Вестфилдском колледже в Лондоне и ей приходилось ездить в Лондон каждую неделю. Это означало, что нам нужно было найти жилье, в котором я мог бы обходиться без посторонней помощи и которое располагалось бы где-нибудь посередине, потому что ходить далеко я не мог. Я попросил администрацию колледжа о помощи, но заместитель по хозяйственной части разъяснил мне, что не в традициях колледжа помогать сотрудникам с жильем. Поэтому мы подали объявление о том, что хотим снять квартиру в одном из новых домов, которые строили на рыночной площади. (Несколько лет спустя я узнал, что эти квартиры фактически принадлежали колледжу, но они ничего не сказали мне об этом.) Когда мы вернулись в Кембридж после лета, проведенного в Америке, оказалось, что квартиры еще не готовы. В виде исключения и большого одолжения завхоз предложил нам комнату в общежитии для аспирантов. Он сказал: «Обычно за ночь за комнату мы берем двенадцать шиллингов и шесть пенсов. Но поскольку вас двое, с вас двадцать пять шиллингов».
   Мы прожили в этой комнате всего три ночи. Потом мы нашли маленький домик примерно в сотне метров от моего факультета. Он принадлежал другому колледжу, и его снимал один из сотрудников этого колледжа. Он недавно переехал в другой дом в пригороде и уступил нам свой дом на оставшиеся три месяца, в течение которых еще действовала его аренда. В течение этих трех месяцев мы нашли еще один дом на той же улице, стоявший пустым. Сосед уведомил хозяйку дома, жившую в Дорсете, что очень нехорошо держать дом пустым, в то время как молодая пара мыкается без жилья. Хозяйка из Дорсета сдала нам дом. После того как мы прожили в доме несколько лет, мы решили купить его и отремонтировать. И мы попросили колледж о кредите. Колледж взвесил все обстоятельства и решил, что рисковать не стоит. В конце концов мы взяли кредит в строительной сберегательной кассе, а мои родители дали денег на ремонт.
   Мы жили там четыре года, до тех пор, пока я еще мог подниматься по лестнице. К этому времени колледж по достоинству оценил меня и вдобавок сменил завхоза. Поэтому они предложили нам квартиру на нижнем этаже в доме, принадлежавшем колледжу. Этот дом подошел мне как нельзя лучше: в нем были большие комнаты и широкие двери. Дом находился практически на равных расстояниях между основными местами моей работы, так что мне удобно было добираться и до колледжа, и до факультета в университете на электрическом кресле. Этот дом был также хорош и для наших троих детей, потому что был окружен большим садом, за которым ухаживали садовники из колледжа.
   Вплоть до 1974 года я был в состоянии сам ухаживать за собой: есть, вставать с кровати и ложиться. Джейн помогала мне и справлялась с двумя детьми без посторонней помощи. Потом дела пошли хуже и нам пришлось попросить о помощи моих аспирантов. В обмен на бесплатное проживание в нашем доме и мои консультации они помогали мне вставать и ложиться. В 1980 году мы обратились в сообщество персональных медсестер, которые приходили к нам на час-другой вечером и утром. Но в 1985 году я заболел пневмонией. Я перенес трахеостомическую операцию и после этого стал нуждаться в круглосуточной сиделке. Это стало возможным благодаря грантам от различных фондов.
   До операции моя речь становилась все более невнятной, ее могли понимать только хорошо знающие меня люди. Но, по крайней мере, общение было возможно. Я диктовал секретарше свои научные статьи и проводил семинары с помощью переводчика, который переводил фразы с моего языка на английский, произнося их более тщательно. Трахеостомия полностью лишила меня способности говорить. Ассистент показывал мне карточки с разными буквами, а я мог только поднимать брови, помогая выбрать нужные буквы, чтобы сложить их в слова. Очень трудно поддерживать разговор таким образом, уж не говоря о том, чтобы писать научные статьи. Слава богу, компьютерный специалист из Калифорнии, которого звали Уолт Волтош, прослышал о моей беде. Он написал компьютерную программу, которую назвал Equalizer, и прислал ее мне. Она позволяла мне выбирать слова из серий меню, возникавших на экране, всего лишь с помощью нажатия кнопки. Программой можно было управлять также движением головы или глаз. После того, как я составлял фразу, которую я хотел сказать, я посылал ее на звуковой синтезатор.
   Вначале программа Equalizer работала на моем настольном компьютере. Затем Дэвид Мэйсон из компании Кембриджской адаптивной связи приспособил маленький персональный компьютер с речевым синтезатором к моему инвалидному креслу. Эта система позволяет мне общаться гораздо свободнее, чем раньше. Теперь я достигаю скорости до пятнадцати слов в минуту. Я могу также произнести то, что я записал или сохранил на диске. Я могу затем распечатать этот материал или вновь воспроизвести его и проговорить предложение за предложением. С помощью этой системы я написал две книги и целый ряд научных статей. Я также выступил с большим числом научных и популярных докладов. Они были прекрасно приняты аудиторией. Я думаю, что этот успех был достигнут в первую очередь благодаря качеству звукового синтезатора, изготовленного компанией «Спич-плюс». «Качество» голоса докладчика очень важно. Если вы невнятно бормочете, люди могут принять вас за умственно неполноценного. Этот синтезатор – самый хороший из тех, о которых я слышал, в первую очередь благодаря тому, что он способен менять интонации и не скрипит подобно далеку [12 - Далеки – вымышленные персонажи из британского научно-фантастического телесериала «Доктор Кто». Полукиборги-полумутанты, они стремятся завоевать всю Вселенную и истребить всех непокорных. Слово «далек» стало нарицательным в английском языке и вошло даже в оксфордский словарь. Далеки не могут самостоятельно разговаривать, их скрипучий отвратительный голос рождается с помощью синтезатора, прикрепленного к броне. Под броней находится бледное существо со множеством щупалец, огромным мозгом и единственным глазом. Речь далеков всегда монотонна и лишена эмоций. – Прим. ред.]. Единственный недостаток – это то, что он говорит с американским акцентом. Как бы то ни было, теперь этот голос стал моим вторым «я». Я не хотел бы меняться, даже если бы мне предложили другой голос, с британским акцентом. Я бы тогда почувствовал себя совсем другим человеком.
   Заболевание двигательных нейронов преследует меня практически всю мою взрослую жизнь. Тем не менее это заболевание не помешало мне обзавестись очень привлекательной семьей и добиться больших успехов в работе. Все это благодаря моей жене, моим детям и помощи многих других людей и организаций. Я благодарен судьбе за то, что болезнь моя прогрессировала медленнее, чем это бывает обычно. Это говорит о том, что никогда не надо терять надежду.

Глава четвертая
Взгляд общества на науку [13 - Доклад в Овьедо (Испания) на церемонии получения премии принца Астурийского за вклад в достижение гармонии и согласия (октябрь 1989 г.). Переработан для этого издания.]

   Нравится нам это или нет, но за последние сто лет мир, в котором мы живем, очень сильно изменился и, скорее всего, изменится еще сильнее в ближайшие сто лет. Некоторые люди хотели бы остановить эти изменения и вернуться в то время, когда все было чище и проще. Но история свидетельствует, что прошлое вовсе не было таким замечательным. О нём приятно вспомнить лишь привилегированному меньшинству. Хотя даже оно было лишено благ современной медицины, а женщины рожали детей, рискуя собственной жизнью. Для подавляющего большинства жизнь была беспросветной, жестокой и – короткой.
   Как бы то ни было, никто не может заставить стрелки часов идти вспять, как бы нам этого ни хотелось. Знания и технологии невозможно забыть по щелчку пальцев. И никто не в состоянии преградить путь прогрессу. Даже если бы правительство отменило все ассигнования на научные исследования (а современные правительства делают в этом отношении все, что в их силах), конкурентная борьба приведет к прогрессивным изменениям в технологии. Более того, невозможно заставить пытливые умы не думать об основных научных истинах. Причем эти пытливые умы будут продолжать думать вне зависимости от того, платят им за это или нет. Единственным путем для предотвращения дальнейшего развития было бы создание всемирного тоталитарного государства, которое подавляло бы все новое. Но даже такая система не могла бы вполне справиться с инициативой людей и их изобретательностью. Все, чего удалось бы достичь, – замедлить скорость изменений.
   Если мы принимаем как данность то, что не в наших силах помешать науке и технологиям изменять наш мир, мы должны по крайней мере обеспечить движение этих изменений в правильном направлении. В демократическом обществе это означает, что общественность должна в общих чертах понимать цели и задачи науки, чтобы принимать обоснованные решения, не отдавая их целиком на откуп экспертов. В настоящий момент публика имеет весьма противоречивые воззрения на науку. Она активно желает постоянного роста уровня жизни, который обеспечивается развитием науки и технологий, но саму науку недолюбливает, потому что не понимает ее. Это отвращение к науке хорошо показано в мультфильме о сумасшедшем ученом, выращивающем в своей лаборатории Франкенштейна [14 - Франкенштейн – сокращенное название романа Мэри Шелли «Франкенштейн, или Современный Прометей» (1818). Распространенное ошибочное именование чудовища, созданного в лаборатории ученым Виктором Франкенштейном из неживой материи. В романе монстр не имел имени. – Прим. ред.]. Многочисленные партии «зеленых» также опираются на эту идеологию. Но общественность имеет и большой интерес к науке, особенно к астрономии. Это видно по большой аудитории таких телепередач, как «Космос», и по большой любви народа к научной фантастике.
   Что можно сделать, чтобы повернуть этот интерес в правильное русло и дать обществу основы научных знаний для того, чтобы оно могло принимать обоснованные решения по поводу таких проблем, как кислотные дожди, парниковый эффект, ядерное вооружение и генная инженерия? Безусловно, основы научных знаний должны быть заложены в школе. Но к сожалению, естественные науки часто преподаются в школе в сухом и неинтересном стиле. Частенько дети просто зазубривают материал, чтобы сдать экзамены, но не видят связи между тем, чему их учат в школе, и реальной жизнью. Более того, живое изложение часто подменяется голыми уравнениями. Хотя с помощью уравнений можно точно и кратко изложить математические идеи, они пугают большинство людей. Когда я недавно писал популярную книгу, в издательстве предупредили меня, что каждая формула будет снижать продажи вдвое. Я включил в книгу единственное, знаменитое уравнение Эйнштейна: E = mс². Возможно, без этой формулы продажи моей книги выросли бы вдвое.
   Ученые и инженеры стремятся выразить свои идеи на языке формул, потому что им необходимо знать точные значения физических величин. Но для всех остальных достаточно качественного понимания общей идеи, а это можно передать с помощью слов и диаграмм, обходясь без всяких уравнений.
   Науки, с которыми люди знакомятся в школе, вполне способны заложить прочный фундамент знаний. Но скорость научного прогресса ныне такова, что всегда есть много изобретений и открытий, которые произошли уже после окончания школы или университета. Я никогда не слышал в школе о молекулярной биологии или о транзисторах, но генная инженерия и компьютеры – это две области, которые, очевидно, в будущем до неузнаваемости изменят наш мир. Научно-популярные книги и научные статьи в журналах могут дать представление о новых открытиях, но даже самую удачную научно-популярную книгу прочтет очень мало людей. Только телевидение способно охватить широкие массы населения. Существует несколько очень хороших научных программ на ТВ, но в основном научные достижения подаются как некое волшебство, без объяснения того, как они укладываются в рамки основных научных концепций. Продюсеры научных программ на телевидении должны осознать, что их основная задача – просвещение людей, не только их развлечение.
   По каким основным вопросам, связанным с наукой, общественность должна будет принимать решения в ближайшем будущем? Очевидно, самым актуальным является вопрос о ядерном оружии. Другие глобальные проблемы, такие как вопросы продовольственного снабжения или парниковый эффект, не такие насущные, а ядерная война сулит конец человеческой цивилизации в течение нескольких дней. Ослабление напряженности между Востоком и Западом в результате окончания холодной войны отодвинуло страх ядерной войны на задний план в сознании людей. Но опасность по-прежнему будет существовать до тех пор, пока на Земле остаются запасы вооружения, способные несколько раз уничтожить все живое на Земле. В бывшем Советском Союзе и в Америке ядерные боеголовки по-прежнему направлены на все крупные города Северного полушария Земли. Любая компьютерная ошибка или военный мятеж тех, в чьих руках находятся боезапасы, способны стать спусковым крючком глобальной ядерной войны. Еще сильнее беспокоит тот факт, что ядерным оружием обзаводятся небольшие страны, у которых его раньше не было. Большие ядерные державы более-менее предсказуемы в своем поведении, но очень трудно положиться на такие страны, как Ливия, Ирак, Пакистан или даже Азербайджан. Кроме того, большая опасность кроется в том, что ядерная война между небольшими странами может перерасти в глобальный конфликт с участием мировых держав с их громадными арсеналами.
   Очень важно, чтобы все люди на Земле поняли грозящую им опасность и заставили свои правительства сократить запасы вооружений. Возможно, не получится уничтожить все запасы ядерного оружия сразу, но, сократив их объемы, мы сделаем мир более безопасным.
   Если нам удастся избежать ядерной войны, останутся другие угрозы, которые сулят нам уничтожение. Существует злая шутка, которая объясняет, почему внеземные цивилизации до сих не вступили с нами в контакт. Ответ простой: эти цивилизации, достигнув аналогичного нашему уровня развития, уже успели уничтожить себя. Однако мне хочется верить в здравый смысл человечества, который докажет, что нас минует такая судьба.

Глава пятая
Краткая история «Краткой истории» [15 - Это эссе впервые было опубликовано в декабре 1988 г. в ежедневной британской газете The Independent. В течение 53 недель «Краткая история времени» значилась в списке бестселлеров американской газеты The New York Times. В Британии, по состоянию на февраль 1993 г., эта книга продержалась в приоритетном списке лондонского издания The Sunday Times 205 недель. (На 184-й неделе она вошла в Книгу рекордов Гиннесса за наиболее частое упоминание в этом списке.) 33 раза она переводилась на иностранные языки.]

   Я до сих пор смущен тем приемом, который был оказан моей книге «Краткая история времени». В списке бестселлеров The New York Times она продержалась 37 недель, а в списке лондонской газеты The Sunday Times – 28 недель. (В Британии она была опубликована позже, чем в США.) На данный момент она переведена на 20 языков мира (на 21, если считать американский язык отличным от английского). Это куда больше того, что я мог ожидать, когда в 1982 году у меня впервые возникла идея написать научно-популярную книгу о Вселенной. Отчасти эта идея возникла у меня из-за желания заработать на учебу моей дочери в школе. (Надо сказать, что к моменту выхода книги в свет дочь училась уже в выпускном классе.) Но главной причиной стала моя потребность объяснить, насколько в моем понимании мы продвинулись в познании Вселенной: насколько мы близки к созданию всеобъемлющей теории поля, которая описала бы Вселенную и все ее «содержимое».
   Если уж я собрался тратить время и силы на книгу, то ее идеи я хотел бы донести до максимально возможного количества читателей. Мои предыдущие, сугубо научные книги были опубликованы в университетском издательстве Кембриджа. Это издательство проделало хорошую работу, но ее строго университетский характер не давал возможности выйти на широкую аудиторию. Поэтому я заключил контракт с Элом Цукерманом, литературным агентом, который был мне представлен как родственник одного из моих коллег. Я передал ему набросок первой главы и пояснил, что хотел бы написать книгу, которая бы продавалась в киосках в аэропортах. Он ответил, что на это нет никаких шансов. Моя книга будет иметь успех среди академиков и студентов, но никогда не прорвется на территорию, занятую книгами Джеффри Арчера.
   Я отдал Цукерману черновой вариант книги в 1984 году. Он послал его нескольким издательствам и рекомендовал мне принять предложение от престижного американского издательства Norton. Но я решил принять предложение от издательства Bantam Books, ориентированного на более широкие слои населения. Хотя Bantam и не специализировался на выпуске научной литературы, но его продукцию легко можно было купить на книжных прилавках всех аэропортов. Тот факт, что они приняли мою книгу, возможно, объясняется интересом к ней Питера Гуццарди, одного из редакторов издательства. Он отнесся к работе над книгой весьма серьезно и заставил меня переписать ее, чтобы сделать понятной для неспециалистов, таких, как он сам. Каждый раз, когда я посылал ему переписанную главу, он отвечал мне длинным списком возражений и вопросов, на которые он хотел бы получить от меня вразумительные ответы. Временами мне казалось, что этот процесс никогда не закончится. Но правда оказалась на его стороне: книга стала куда лучше.
   Вскоре после того, как я получил предложение от издательства Bantam, я заболел воспалением легких. Мне сделали трахеостомическую операцию, в результате которой я лишился голоса. Какое-то время я мог общаться, только поднимая брови, когда кто-нибудь показывал мне буквы, изображенные на карточках. Я бы, конечно, не смог закончить книгу, если бы меня не снабдили компьютерной программой. Она работала не слишком быстро, да я и сам тогда был ужасным тугодумом, так что мы составляли прекрасную пару. С ее помощью я и переписал первый набросок книги в ответ на настоятельные просьбы Гуццарди. В этой ревизии мне помогал один из моих студентов, Брайан Витт.
   Мне очень нравилась телевизионная программа Джейкоба Броновски «Восхождение человека» [16 - «Восхождение человека» (англ. The Ascent of Man) – 13-серийный документальный фильм, прослеживающий эволюцию человеческого общества через понимание им науки. – Прим. ред.]. Она давала почувствовать, насколько велики достижения человеческой расы, прошедшей путь от первобытных дикарей, которые населяли Землю всего лишь 15 000 лет назад, до нынешнего нашего состояния. Я же хотел показать, как прогресс в конечном итоге может привести к полному пониманию законов, которые управляют Вселенной. Я был уверен, что почти всех интересует, как «работает» Вселенная, но большинство людей терпеть не могут математические уравнения, и в этом смысле я от них недалеко ушел. Отчасти это происходит оттого, что мне просто трудно их писать, но в основном потому, что моя интуиция не проникает в самую их сущность. Мое мышление образное, и в книге я хотел передать эти образы словами, с помощью привычных аналогий и небольшого количества диаграмм. Я надеялся, что таким образом многие люди смогут разделить мое восхищение замечательными достижениями прогресса, достигнутого в физике за последние 25 лет.
   Даже если оставить в стороне математику, есть множество необычных идей, которые трудно объяснить. Передо мной встала проблема: рискнуть ли растолковать их и тем самым изрядно запутать всех или обойти молчанием эти трудности? Некоторые необычные концепции – например, тот факт, что для наблюдателей, движущихся с различными скоростями, время между парой событий течет по-разному, – были не очень важны для моего повествования. Я чувствовал, что можно вскользь упомянуть об этом, не вдаваясь в детали. Но есть и такие сложные идеи, которые просто невозможно было упустить. Речь в первую очередь идет о двух концепциях. Первая из них – это суммирование историй, сценариев развития, суммирование по траекториям [17 - Суммирование по траекториям – это метод квантовой теории, который замещает классическую одиночную траекторию системы полной суммой (интегралом) по бесконечному множеству всевозможных траекторий. Это учет вероятностей всех возможных траекторий. С точки зрения квантовой механики, классическая траектория – просто наиболее вероятная из всех возможных. Принцип используется при разработке теории великого объединения (ТВО), теории инфляции и струнной теории. Формулировка через интеграл по траекториям принадлежит Ричарду Фейнману (см. стр. 97). – Прим. ред.]. Главная идея такова: нет единственной истории Вселенной. Скорее, существует своеобразная коллекция всех возможных историй, и все они вполне реальны (что бы это ни означало). Другая идея, необходимая для математического осмысления суммирования по траекториям, это воображаемое время. Оглядываясь назад, я понимаю, что мне надо было лучше объяснить эти два трудных понятия, особенно воображаемое, или мнимое время, с пониманием которого у читателей возникло больше всего проблем. Хотя с другой стороны, не так уж и важно точно понимать, что это за штука такая… Достаточно знать, что она отличается от привычного земного времени.
   Когда книга должна была вот-вот выйти в свет, одному ученому послали сигнальный экземпляр, чтобы тот написал обзор для журнала Nature. Он пришел в ужас от того количества ляпов и неправильно размещенных и озаглавленных рисунков и диаграмм, которые обнаружил. Рецензент позвонил в издательство, представители которого также ужаснулись, и в тот же день издатели решили отозвать и забраковать весь тираж. Три недели они работали не покладая рук, внося исправления и тщательно проверяя весь набор. К назначенному на апрель сроку книга лежала на прилавках магазинов. К этому времени журнал Time поместил обо мне краткий биографический очерк. Несмотря на это, издатели были удивлены возникшим ажиотажем и спросом на книгу. Сейчас она выдерживает в Америке семнадцатое, а в Британии – десятое по счету переиздание [18 - К апрелю 1993 г. книга была переиздана в США сорок раз в твердой обложке и девятнадцать раз в мягкой обложке; в Британии переиздавалась тридцать девять раз в твердой обложке.].
   Почему люди продолжают ее покупать? Мне трудно быть объективным на этот счет, поэтому я буду полагаться на мнения других. Наверное, большинство людей, которые обо мне пишут, хоть и отзываются вполне благоприятно, но уклоняются от истины. Обычно обо мне сообщают примерно следующее: «Стивен Хокинг страдает от болезни Лу Герига (в американских рецензиях), или заболеванием двигательных нейронов (в британской формулировке). Он прикован к креслу-каталке, не способен говорить и может двигать только n-ым количеством пальцев (где n меняется от одного до трех, в зависимости от того, насколько правдивой информацией располагает обо мне данный рецензент). Тем не менее он написал книгу о самом насущном: о том, откуда мы пришли и куда идем. Решение Хокинга элементарно: Вселенную нельзя создать или разрушить, она просто есть. Чтобы пояснить эту идею, Хокинг вводит концепцию мнимого времени, которую я (рецензент) нахожу сложной для понимания. Но если Хокинг прав и мы действительно найдем единую теорию [19 - Единая теория, теория великого объединения (ТВО) – здесь и далее используются эти названия для обозначения гипотетической теории, для которой в русской научной и научно-популярной литературе более употребительным является термин «единая теория поля». – Прим. ред.], мы постигнем промысл Божий». (На стадии корректуры я готов был вычеркнуть последнюю фразу – о возможном познании Божьего промысла. Если бы я это сделал, продажи могли бы упасть вдвое.)
   Более проницательной (с моей точки зрения) оказалась статья в лондонской газете The Independent, в которой говорилось, что даже серьезная научная книга, такая как «Краткая история времени», может стать культовой. Моя жена была в ужасе, а я был весьма польщен, когда мое произведение стали сравнивать с книгой «Дзен и искусство ухода за мотоциклом». Я надеюсь, что мое творение, подобно «Дзену», дает людям возможность ощутить, что они и философы, и интеллектуалы.
   Без сомнения, успеху книги способствовала аннотация, повествующая о том, как я ухитрился стать физиком-теоретиком, несмотря на свой недуг. Но те, кто покупал книгу на почве интереса к моей персоне, возможно, были разочарованы, так как в самой книге была лишь пара ремарок относительно моего состояния. Ведь она задумывалась как рассказ об истории Вселенной, а не обо мне. Этот аргумент не уберег издательство Bantam от обвинений в том, что оно бесстыдно эксплуатирует мою болезнь и что я вступил с ним в сговор, разрешив опубликовать свой портрет на обложке книги. В действительности в моем авторском договоре не было ни слова об обложке. Более того, мне пришлось уговаривать издательство, чтобы для британского издания они взяли более симпатичную фотографию, чем та – старая и неприглядная – с американской обложки. Но Bantam не заменило изображения, мотивируя это тем, что американская публика стала отождествлять эту обложку с самой книгой.
   Говорили также, что люди покупают мою книгу, потому что о ней много пишут или потому что она вошла в список бестселлеров, хотя и не читают ее. Они просто ставят ее на полку или кладут на кофейный столик, где она требует уважения к своему владельцу, хотя тот и не пытался прочесть и понять ее. Уверен, что так и есть. Но то же самое происходит со многими другими серьезными книгами, например Библией или Шекспиром. С другой стороны, я знаю наверняка, что нашлись люди, которые прочли ее от первой до последней страницы, потому что каждый день я получаю гору писем с вопросами и подробными комментариями. И они доказывают, что адресанты думали над написанным, хотя и не поняли всего до конца. Меня иногда останавливают на улице незнакомые люди и говорят, что им нравится моя книга. Конечно, я очень отличаюсь от других авторов внешне. В этом отношении меня можно назвать даже выдающимся. И все же количество публичных выражений признательности (которые весьма смущают моего девятилетнего сынишку) убедительно доказывает, что по крайней мере часть тех, кто покупает книгу, действительно заглядывают внутрь.
   Меня спрашивают, каковы мои планы на будущее. Думаю, что я едва ли стану писать продолжение «Краткой истории времени». Как бы такая книга могла назваться? «Удлиненная история времени»? «За пределами времени»? «Сын времени»? Мой агент предложил мне дать разрешение на экранизацию моей жизни. Но и я, и вся моя семья потеряем уважение к себе, если разрешим актерам играть себя в кино. То же произойдет, если я позволю постороннему писать о моей жизни. Разве что в этом случае немного самоуважения у меня все же останется. Конечно, я не могу запретить кому бы то ни было без моего согласия описывать мою жизнь, если это не будет носить клеветнический характер. Но я могу охладить их пыл, заявив, что и сам подумываю о написании автобиографии. Может быть, это случится. Но я не тороплюсь. На первом месте у меня наука.

Глава шестая
Моя позиция [20 - Первоначально это эссе было представлено как доклад в мае 1992 г. в колледже Гонвилл и Киз.]

   Эта статья вовсе не о том, верю ли я в Бога. Здесь я буду обсуждать свой подход к тому, как можно понять Вселенную: каковы статус и значение единой теории, «теории всего». И здесь перед нами встает реальная проблема. Люди, которым положено по штату исследовать и обсуждать такие вопросы, то есть философы, зачастую не обладают достаточными познаниями в области точных наук, чтобы рассуждать о теоретической физике. Существует подвид философов, так называемые философы науки, которые, казалось бы, должны быть лучше «экипированы». Но многие из них, по сути, неудавшиеся физики, которые посчитали для себя слишком тяжелым занятием изобретать новые теории и вместо этого принялись писать философские статьи о физике. Они до сих пор обсуждают научные теории начала XX века, такие как теория относительности и квантовая механика. Они находятся отнюдь не в авангарде современной науки.
   Может быть, я слишком строг по отношению к философам, но и они тоже недолюбливают меня. Они окрестили мой подход наивным и примитивным. В их устах я поочередно становился номиналистом, инструменталистом, позитивистом, реалистом, и прочими «истами». Техника этого подхода сводится к опровержению путем диффамации: если вы навешиваете ярлык на мои идеи, вам совершенно не обязательно понимать, что же в них, собственно, плохого. Наверняка все хорошо знакомы с фатальными ошибками всех вышеперечисленных «измов».
   Люди, совершающие прорывы в теоретической физике, вовсе не мыслят в тех категориях, которые для них впоследствии выдумывают философы и историки науки. Я уверен, что Эйнштейна, Гейзенберга и Дирака не заботило то, кем они были: реалистами или инструменталистами. Их больше заботило то, что существующие теории плохо согласуются друг с другом. Для развития теоретической физики поиски логической связи всегда были важнее, чем получение экспериментальных результатов. С другой стороны, стройные и красивые теории отвергались по причине того, что они не стыковались с наблюдениями, но я не знаю ни одной крупной теории, которая была бы создана лишь на основе эксперимента. Теория всегда идет впереди, она исходит из желания получить элегантную и последовательную математическую модель. Затем теория предсказывает некоторые сценарии, которые могут быть проверены путем наблюдений. Если наблюдения согласуются со сценариями, это еще окончательно не доказывает теорию. Нужны новые прогнозы, которые нужно проверять экспериментальным путем. Если новые наблюдения не подтверждают их, эту теорию отбрасывают.
   По крайней мере, так должно быть. На практике люди очень неохотно отказываются от теории, в разработку которой они вложили много времени и усилий. Обычно они начинают сомневаться в точности наблюдений. Если этот номер не проходит, они пытаются слегка подлатать теорию, чтобы она была адекватна в данном, нетипичном случае. В конце концов теория начинает напоминать трухлявый, расшатавшийся дом. Затем кто-то предлагает новую теорию, и все наблюдения, не находившие объяснения в прежней теории, изящным и естественным образом укладываются в новые рамки. Примером этого может служить эксперимент Майкельсона – Морли, поставленный в 1887 году. Он показал, что скорость света остается постоянной независимо от того, движется ли его источник или тот, кто наблюдает за ним. Это кажется курьезным. Очевидно, что наблюдатель, который движется по направлению к источнику света, должен отмечать, что свет движется с большей скоростью, нежели тот наблюдатель, который движется в том же направлении, что и свет. Однако эксперимент показал, что скорость света в обоих случаях остается одинаковой. В течение следующих восемнадцати лет ученые, в том числе Хендрик Лоренц и Джордж Фицджеральд, пытались примирить результаты этого опыта с общепринятыми представлениями о пространстве и времени. Они выдвинули для этого некоторые постулаты, предполагающие, что объекты становятся короче при движении с большой скоростью. В свете этих постулатов существующая физика превращалась в неуклюжую, неповоротливую махину. Затем в 1905 году Эйнштейн предложил куда более привлекательную точку зрения, согласно которой время не является независимой величиной и его нельзя рассматривать в отрыве от пространства. Время составляет с пространством четырехмерную субстанцию, называемую пространством-временем. Эйнштейн пришел к этой идее, не столько полагаясь на экспериментальные результаты, сколько желая объединить два теоретических направления в единое целое. Эти два теоретических направления включают в себя законы, описывающие действие электрического и магнитного полей, и законы, которым подчиняется движение тел.
   Не думаю, что Эйнштейн в 1905 году, равно как и все остальные ученые в то время, отдавали себе отчет в том, насколько простой и элегантной была новая теория относительности. Она полностью перевернула наши понятия о пространстве и времени. Этот пример хорошо показывает, с какими трудностями мы можем столкнуться, желая оставаться реалистами в философии науки, потому что реальность, которой мы стараемся придерживаться, часто обусловлена теорией, которую мы поддерживаем. Думаю, Лоренц и Фицджеральд считали себя реалистами, когда интерпретировали свой эксперимент со скоростью звука в рамках ньютоновских идей об абсолютном пространстве и абсолютном времени. Эти представления о пространстве и времени соответствовали здравому смыслу и реальности. Однако в наши дни люди, хоть немного знакомые с теорией относительности, имеют совершенно другую точку зрения. Нам следует продолжать знакомить широкую публику с современными идеями о таких базовых концепциях, как пространство и время.
   Если то, что нам кажется реальным, зависит от нашей теории, какую реальность должны мы положить в основу нашей философии? Что касается меня, я являюсь реалистом: я признаю, что нас окружает Вселенная, которая ждет своих исследователей и первооткрывателей. На мой взгляд, разделять позицию солипсиста, который полагает все вокруг лишь плодом своего воображения, есть пустая потеря времени. В жизни мы этим принципом не руководствуемся. Какую мы выберем реальность для нашей Вселенной, зависит от теории. Поэтому я разделяю точку зрения, которую считают примитивной и наивной, а именно: физической теорией является математическая модель, которую мы используем для описания результатов наблюдений. Та теория является хорошей, которая логично выстроена, описывает широкий круг наблюдений и предсказывает результаты новых наблюдений. По сути дела, нет никакого смысла задаваться вопросом, соответствует ли теория реальности, потому что на самом деле мы ничего не знаем о подлинной реальности. Этот взгляд на научные теории причисляет меня как к стану инструменталистов, так и к стану позитивистов – выше я уже упоминал, что меня называли и так и эдак. Человек, назвавший меня позитивистом, добавил: все прекрасно знают, что позитивизм отжил свой век. То есть он опять использовал метод опровержения путем диффамации. Может быть, позитивизм и отжил свой век как интеллектуальная прихоть вчерашнего дня, однако изложенный мною принцип позитивизма представляется единственно возможным для того, кто ищет новые законы и новые способы описания Вселенной. Нет смысла взывать к реальности, потому что у нас нет и не может быть концепции реальности, независимой от модели.
   На мой взгляд, подспудная вера в некую реальность, независимую от модели, лежит в основе тех трудностей, которые испытывают философы от науки, когда они пытаются объяснить квантовую механику или принцип неопределенности. Есть такой знаменитый мысленный эксперимент: кот Шрёдингера. Кота помещают в запечатанный ящик. На кота нацеливают ружье, которое должно выстрелить, если распадется радиоактивное ядро. Вероятность этого события составляет 50 %. (Сегодня никто не отважится предложить такой эксперимент, даже и мысленный. Но во времена Шрёдингера никто и не помышлял о движении за права животных.)
   Открывая ящик, приходится рассчитывать лишь на два сценария: кот либо жив, либо мертв. Но пока ящик закрыт, квантовое состояние кота – это комбинация реальностей мертвого кота и кота живого. Многие философы от науки не в состоянии этого принять. Кот не может быть наполовину живым, а наполовину застреленным. «Так же как нельзя быть наполовину беременной!» – восклицают они. Они испытывают трудности, потому что подсознательно обращаются к классической концепции, согласно которой объект имеет определенную, и только одну, историю. А вся сущность квантовой механики в том и состоит, что у нее другой взгляд на вещи. В соответствии с ним объект обладает не одной историей, а совокупностью всех возможных историй. В большинстве случаев вероятность того, что будет реализован некий сценарий, сводится на нет вероятностью того, что будет реализован сценарий, несколько отличный от первого. Но в ряде случаев вероятности близких сценариев усиливают друг друга. История объекта – это не что иное, как один из таких усиленных сценариев.
   В случае с котом Шрёдингера усиленных сценариев два. В одном из них кот застрелен, а в другом спасен. В квантовой теории обе вероятности могут сосуществовать. Но некоторые философы блуждают в двух соснах, поскольку изначально предполагают, что у кота может быть только одна судьба.
   Природа времени – еще один пример области, в которой физические теории определяют нашу концепцию реальности. Считалось очевидным, что время утекает безвозвратно независимо от того, что именно происходит. Но теория относительности объединяет время с пространством и говорит, что и то и другое может быть деформировано, или искривлено, веществом и энергией во Вселенной. Таким образом, наше восприятие природы времени изменилось: раньше мы считали, что время не зависит от Вселенной, а теперь мы полагаем, что Вселенная формирует время. Теперь мы понимаем, что мог существовать такой момент во времени, до которого само понятие времени не было определено. Двигаясь вспять, можно достигнуть непреодолимого барьера, сингулярности, преодолеть который невозможно. Если это так, то нет смысла спрашивать, кто или что стало причиной Большого взрыва. Все разговоры о причинах или акте творения неявно подразумевают, что до сингулярности Большого взрыва существовало время. Мы уже давно, по крайней мере четверть века знаем, что общая теория относительности Эйнштейна предсказывает зарождение времени в сингулярности пятнадцать миллиардов лет назад. Но философы до сих пор не могут уловить сущность этой идеи. Их до сих пор беспокоят основы квантовой механики, заложенные шестьдесят пять лет назад. Они не понимают, что передний край физики успел продвинуться далеко вперед.
   Еще хуже обстоят дела с математической концепцией мнимого времени. Мы с Джимом Хартлом предположили, что Вселенная может не иметь ни начала, ни конца. Я был подвергнут суровой атаке со стороны философа от науки за мои высказывания о мнимом времени. Он спросил: «Что может быть общего у такого математического трюка, как мнимое время, с реальной Вселенной?» Мне кажется, этот философ чисто технически перепутал математические термины, обозначающие действительные и мнимые числа, с тем, как эти термины используются в повседневном языке. Это снова подтверждает мою точку зрения: откуда мы можем знать, что именно реально, если у нас нет теории или модели, с помощью которой эту реальность можно проверить?
   Я использовал примеры из теории относительности и квантовой механики, чтобы указать на те проблемы, с которыми мы сталкиваемся, когда хотим осмыслить Вселенную. Неважно, понимаете ли вы основные принципы относительности и квантовой механики. Неважно даже, верны ли эти теории. Но надеюсь, я сумел показать, что только в рамках этого позитивистского подхода, рассматривающего теорию как модель, можно познать Вселенную. По крайней мере с точки зрения физика-теоретика. Я верю, что мы сумеем найти непротиворечивую парадигму, которая описывает все во Вселенной. Если мы сможем это сделать, это будет подлинным триумфом человечества.

Глава седьмая
Добьются ли своего физики-теоретики? [21 - 29 апреля 1980 г. мне присвоили звание Лукасовского профессора математики в Кембридже. Это эссе представляет собой инаугурационную лекцию, которую прочел за меня один из моих студентов.]

   На этих страницах я хочу поразмышлять о том, насколько вероятно, что теоретическая физика сможет прийти к своей цели в обозримом будущем. Скажем, к концу XX века. Под целью я, разумеется, имею в виду полную, непротиворечивую теорию физических взаимодействий, которая смогла бы описать и свести воедино все возможные наблюдения. Конечно, такие прогнозы нужно делать с осторожностью. По крайней мере дважды мы полагали, что стоим на пороге этого великого прорыва. В начале XX века считали, что все можно объяснить с точки зрения механики сплошных сред: необходимо только измерить коэффициенты упругости, вязкости, проводимости и прочие. Эти надежды рухнули, когда была открыта атомная структура вещества и сформулированы принципы квантовой механики. Вспомним, как в конце 1920-х годов Макс Борн говорил ученым, которые навестили его в Гёттингене: «Той физике, которую мы знали до сих пор, придет конец через шесть месяцев». Это произошло вскоре после того, как Поль Дирак, также Лукасовский профессор, сформулировал свое знаменитое уравнение. Оно описывает поведение электрона. Ожидалось, что аналогичное уравнение будет справедливо и для протона, второй элементарной частицы, известной в то время. Но открытие нейтрона и ядерных сил развеяло эти надежды. Теперь мы знаем наверняка, что ни протон, ни нейтрон не являются элементарными частицами, а состоят из еще более мелких частиц. Тем не менее мы достигли большого прогресса за последние годы, и по моему мнению, есть некоторые основания для осторожного оптимизма: быть может, некоторые из тех, кто читает сейчас эти строки, станут свидетелями рождения единой теории поля.
   Даже если мы создадим полную единую теорию, мы сможем делать детальные предсказания только в самых простых ситуациях. Например, мы в общих чертах уже постигли законы, которые управляют нашей повседневной жизнью. Как говорил Дирак: «На моем уравнении держится вся химия и почти вся физика». Однако мы способны найти решение этого уравнения только для простейшей системы, атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. Для более сложных атомов с большим числом электронов, не говоря уже о молекулах, состоящих более чем из одного ядра, мы должны довольствоваться приближенными решениями и интуитивными догадками сомнительной ценности. Для макроскопических систем, содержащих порядка 10²³ частиц, мы должны использовать статистические методы и не претендовать на точные решения уравнений. Что касается биологии, то хотя в принципе мы знаем уравнения, описывающие биологические процессы, мы не можем свести изучение поведения человека к какой-либо ветви прикладной математики.
   Что мы подразумеваем под единой теорией поля в физике? Наши попытки моделирования физической реальности обычно сводятся к двум этапам:
   1. Формулирование ряда законов, которым подчиняются различные физические величины. Обычно эти законы записываются в виде дифференциальных уравнений.
   2. Определение граничных условий, описывающих состояние различных областей во Вселенной в определенные моменты времени, и возможное влияние, которое может оказать на эти области остальной макрокосмос.
   Может показаться, что роль науки исчерпывается открытием новых законов (1-й пункт), то есть теоретическая физика достигнет своей цели, как только мы получим полный набор локальных физических законов. А значит, разрешение вопроса о начальных условиях возникновения Вселенной – удел метафизики или религии. Те, кто так считает, по сути дела ничем не отличаются от средневековых схоластов, не признававших ценности научного познания мира и утверждавших, что природа – творение Бога, а потому негоже разбирать мироздание по кирпичикам. Я думаю, что начальные условия во Вселенной должны быть таким же объектом научного исследования и так же описываться теорией, как и локальные физические законы. Мы не продвинемся в наших попытках создать единую теорию поля, если будем твердить только: «Все идет так, как идет, потому что так уж заведено».
   Вопрос об уникальности начальных условий тесно связан с вопросом о том, насколько произвольны локальные физические законы: теория не может считаться полной, если содержит целый ряд параметров, например массы или постоянные взаимодействия, количественные значения которых зависят от чьей-то прихоти. Несомненно то, что в полноценной теории ни начальные условия, ни значения параметров не могут быть взяты с потолка. Наоборот, они очень тщательно выбраны и подогнаны друг к другу. Например, если бы разность масс протона и нейтрона не превышала бы примерно вдвое массу электрона, мы не получили бы около двух сотен стабильных нуклидов, из которых и состоят все элементы и которые лежат в основе химии и биологии. Соотвественно, если бы гравитационная масса протона сильно отличалась от имеющейся, не было бы звезд, в которых могли бы возникнуть такие нуклиды. А если бы Вселенная на первых порах расширялась немного медленнее или немного быстрее, то она либо схлопнулась бы, прежде чем могли появиться такие звезды, либо ее быстрое расширение не дало бы образоваться звездам, так как помешало бы их гравитационному уплотнению.
   И вправду, некоторые пошли еще дальше и свели все ограничения, накладываемые на начальные условия и параметры, в единое правило. Оно получило название антропного принципа. Его суть сводится к следующему: «Все вещи существуют именно в таком виде, потому что существуем мы». По одной версии, существует множество различных, не связанных между собой вселенных, в которых отличаются и значения физических параметров, и начальные условия. В большинстве таких вселенных не смогут возникнуть нужные условия для возникновения сложных структур, необходимых для развития разумной жизни. Только в очень небольшом количестве макрокосмосов, где условия и параметры похожи на условия и параметры нашей Вселенной, может появиться разумное существо, которое однажды задаст вопрос: «Почему Вселенная такая, какой я ее вижу?» Ответ прост. Если бы все было по-другому, то некому было бы задавать вопросы.
   С помощью антропного принципа можно легко объяснить многие замечательные численные соотношения, наблюдаемые между значениями различных физических параметров. Но такой подход не вполне удовлетворительный. Трудно отделаться от ощущения, что существует более исчерпывающее объяснение. К тому же такой подход может не быть справедливым во всех областях Вселенной. Например, своим существованием мы обязаны Солнечной системе, так же как и раннему поколению ближайших звезд, в которых тяжелые элементы формировались в ходе реакций ядерного синтеза. Возможно, своим существованием мы обязаны и всей нашей Галактике. Но необходимость в других галактиках так явно не прослеживается, не говоря уже о миллионах миллионов других галактик, более-менее равномерно рассыпанных по всему наблюдаемому космосу. Из-за такой однородности на больших масштабах очень трудно поверить в то, что структуру Вселенной определяют некие второстепенные, хотя и сложные молекулярные структуры, населяющие небольшую планетку, которая обращается вокруг весьма средней звезды на окраинах довольно типичной спиральной галактики.
   Если мы не хотим апеллировать к антропному принципу, нам нужна некая объединяющая теория, чтобы объяснить начальные условия во Вселенной и значения различных физических параметров. Однако очень трудно выдумать полную теорию всего в один присест (хотя это не расхолаживает многих людей – лично я получаю по почте примерно две-три единых теории в неделю). Вместо этого мы обычно создаем частные теории для описания ситуаций, в которых можно пренебречь определенными взаимодействиями или выразить их в простом приближенном виде. Вначале мы разделяем материальное содержание Вселенной на две части: «материю», т. е. частицы, такие как кварки, электроны, мюоны и т. д., и «взаимодействия», т. е. гравитацию, электромагнетизм и т. д. Материальные частицы описываются полями с полуцелым спином и подчиняются принципу Паули, который запрещает двум и более частицам одинакового типа находиться в одном и том же состоянии. Именно по этой причине мы видим вокруг себя твердые тела, которые не схлопываются в точку и не излучаются в бесконечность. Материальные частицы делятся на две группы: адроны, состоящие из кварков, и лептоны, которые включают в себя все остальное.
   Взаимодействия делятся феноменологически на четыре категории по своему характеру: сильное ядерное взаимодействие, в котором участвуют только адроны; электромагнетизм, который отвечает за силы, действующие между заряженными адронами и лептонами; слабое ядерное взаимодействие, в котором участвуют адроны и лептоны; наконец, гравитация, самое слабое из всех взаимодействий, присутствующее повсеместно. Взаимодействия представлены полями с целочисленным спином, которые не подчиняются принципу Паули. Это значит, что многие частицы могут пребывать в одном и том же состоянии. Кроме того, в случае электромагнетизма и гравитации взаимодействия являются дальнодействующими, а это означает, что поля многочисленных материальных частиц могут складываться и давать поле, которое может регистрироваться в макромире. Поэтому именно они были теми взаимодействиями, для которых придуманы первые теории: законы гравитации Ньютона в XVII столетии и теория электромагнетизма Максвелла в XIX столетии. Однако эти теории в своих принципах были несовместимы, так как теория Ньютона является инвариантной при условии, что всей системе придается единая скорость, в то время как в теории Максвелла появляется предпочтительная скорость – скорость света. В конце концов оказалось, что именно ньютоновскую теорию гравитации пришлось модифицировать, дабы совместить ее со свойствами инвариантности в теории Максвелла. Это удалось сделать в общей теории относительности (ОТО), которая была сформулирована Эйнштейном в 1915 году.
   Общая теория относительности гравитации и максвелловская теория электродинамики относят к числу классических. То есть они имеют дело с непрерывно меняющимися величинами, которые в принципе можно измерить с произвольной точностью. Но как только мы попытались воспользоваться этими теориями для построения модели атома, возникла проблема. Мы обнаружили, что атом состоит из маленького, положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Естественно было предположить, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра наподобие того, как Земля вращается по орбите вокруг Солнца. Но классическая теория предсказывала, что электроны должны излучать электромагнитные волны. Благодаря излучению волн электроны потеряют энергию и по спирали упадут на ядро – атом потеряет устойчивость и перестанет существовать.
   Эту проблему удалось преодолеть благодаря созданию квантовой теории, явившейся, без сомнения, величайшим достижением теоретической физики XX века. Основной постулат квантовой теории – принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что для частиц нельзя измерить одновременно с одинаковой точностью некоторые пары величин – например, положение в пространстве и импульс. Если мы рассматриваем атом, это означает, что электрон в своем нижнем энергетическом состоянии не может покоиться на ядре, ибо если бы это было так, он бы имел точно определенное положение (на ядре) и точно определенную скорость (равную нулю). Мы же считаем, что и положение, и скорость электрона как бы размазаны с некоторой плотностью вероятности вокруг ядра. В этом состоянии электрон не будет излучать энергию в форме электромагнитных волн, потому что для него не существует более «низкого» энергетического состояния, чем то, в котором он уже находится.
   В 20-х и 30-х годах XX столетия квантовая механика с большим успехом применялась к системам с ограниченным числом степеней свободы, таким как атомы и молекулы. Трудности возникли, когда квантовую механику попытались применить к электромагнитному полю, имеющему неограниченное число степеней свободы, грубо говоря, по две в каждой точке пространства-времени. Эти степени свободы можно рассматривать как осцилляторы, каждый со своим положением и импульсом. Осцилляторы не могут находиться в покое, иначе они бы имели точно определенные положения и импульсы. Каждый осциллятор должен обладать минимальным запасом так называемых нулевых флуктуаций и отличной от нуля энергией. Поскольку таких степеней свободы бесконечное количество, это означало бы, что кажущаяся масса и заряд электрона должны стремиться к бесконечности.
   В конце 1940-х годов эта трудность была преодолена благодаря введению так называемой перенормировки. Суть ее сводилась к тому, что из бесконечности довольно произвольно вычитались некоторые бесконечные величины, чтобы получить конечный остаток. В электродинамике нужно было сделать два таких вычитания бесконечных величин: одно для массы, а другое для заряда электрона. Несмотря на то, что процедура перенормировки так и не получила сколько-нибудь убедительного концептуального или математического обоснования, на практике она работает достаточно хорошо. С ее помощью удалось предсказать малые смещения линий в спектре атома водорода, так называемый сдвиг Лэмба. Тем не менее нельзя сказать, что с точки зрения попыток создать единую теорию это очень удачная находка, потому что не удается предсказывать величину того самого конечного остатка, получаемого после вычитания бесконечно больших величин. Таким образом, мы вынуждены вернуться к антропному принципу, если хотим объяснить, почему электрон имеет именно ту массу и энергию, которую имеет.
   На протяжении 50-х и 60-х годов XX века господствовало убеждение, что сильное и слабое ядерные взаимодействия перенормировке не поддаются. То есть чтобы добиться конечного результата, необходимо произвести бесконечное количество вычитаний бесконечно больших величин. Мы бы получили бесконечное количество остаточных членов, которые нельзя было бы определить теоретически. Такая теория не принесла бы никакой пользы, потому что невозможно измерить бесконечное число параметров. Однако в 1971 году Джерард Хуфт показал, что единая модель электромагнитных и слабых взаимодействий, которую ранее предложили Абдус Салам и Стивен Вайнберг, поддается перенормировке, в которой участвует ограниченное число вычитаний бесконечно больших величин. Чтобы описать электромагнитное взаимодействие фотона, частицы со спином 1, Салам и Вайнберг добавляют три другие частицы со спином 1, названные W -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, W -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и Z -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Прогнозы говорят, что при очень высоких энергиях все эти четыре частицы будут вести себя примерно одинаково. Но при низких энергиях возникает явление, называемое спонтанным нарушением симметрии. Оно объясняет тот факт, что масса покоя фотона равна нулю, в то время как W -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, W -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и Z -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

обладают большими массами. Эта теория с высокой точностью предсказывала явления, происходящие на низких энергиях. В результате Шведская королевская академия наук в 1979 году удостоила Нобелевской премии физиков Салама, Вайнберга и Шелдона Глэшоу, который также разработал аналогичную единую теорию. Тот же Глэшоу отметил, что Нобелевский комитет оказался втянутым в авантюру, поскольку не существовало ускорителей частиц высоких энергий, способных проверить теорию в режиме, когда происходит объединение электромагнитных взаимодействий, осуществляемых фотонами, со слабыми взаимодействиями [22 - Переносчиками слабого взаимодействия являются т. н. бозоны W+, W- и Z0, открытые в лаборатории CERN. W-частица названа по первой букве названия взаимодействия – weak,или слабое взаимодействие. Z-частица получила такое имя, поскольку Z-бозон имеет нулевой (Zero) электрический заряд. Все три типа бозонов имеют спин 1. Их открытие считается одним из самых больших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц.], осуществляемыми частицами W -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, W -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и Z -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Достаточно мощные ускорители будут построены в течение ближайших нескольких лет, и большинство физиков уверены, что они подтвердят теорию Салама – Вайнберга [23 - Фактически частицы W и Z наблюдались в лаборатории ЦЕРН в Женеве в 1983 г. Еще одна Нобелевская премия была вручена в 1984 г. ученым Карло Руббиа и Симону ван дер Меру, которые возглавляли группу, сделавшую открытие. Хуфту премия не досталась. (Аббревиатура CERN произошла от франц. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Европейский совет по ядерным исследованиям). В русском языке используется аббревиатура ЦЕРН. – Прим. ред.)].
   Успех теории Салама – Вайнберга стимулировал поиски аналогичной теории перенормировки для сильных взаимодействий. Довольно давно стало ясно, что протон, равно как и другие адроны, такие как пи-мезон, по сути не являются элементарными частицами. Они являются связанными состояниями других частиц, так называемых кварков. Кварки обладают любопытным свойством, а именно: несмотря на то, что они могут свободно перемещаться внутри адрона, до сих пор не удалось зарегистрировать отдельный кварк, не связанный с другими. Они либо «гуляют» по трое (как в протоне и нейтроне), либо парами, в которых кварк сопровождается антикварком (как в пи-мезоне). Чтобы объяснить это свойство, ученые наделили кварки таким качеством, как «цвет». Здесь следует подчеркнуть, что цвет кварков не имеет ничего общего с нашим обыденным восприятием цвета: кварки слишком малы, чтобы их можно было визуально «увидеть» в свете. Это всего лишь удобное наименование. Идея заключается в том, что кварки бывают трех цветов: красного, зеленого и синего. При этом любое изолированное связанное состояние кварков, например в адроне, должно быть бесцветным и представлять собой либо сочетание красного, зеленого и синего (как в протоне), либо красного и антикрасного, зеленого и антизеленого, синего и антисинего (как в пи-мезоне).
   Сильные взаимодействия между кварками предположительно переносятся глюонами, частицами со спином 1, наподобие тех частиц, которые переносят слабые взаимодействия. Глюоны также несут в себе цвет. Как и кварки, они подчиняются перенормируемой теории, называемой квантовой хромодинамикой (КХД). Следствием процедуры перенормировки является то, что эффективная константа связи в теории КХД зависит от энергии, на которой она измеряется, уменьшаясь до нуля при очень высоких энергиях. Это явление, называемое асимптотической свободой, подразумевает, что поведение кварков внутри адрона очень напоминает поведение свободных частиц в столкновениях при высоких энергиях и может описываться с использованием методов теории возмущений. Результаты, предсказанные теорией возмущений, довольно хорошо согласуются в качественном отношении с наблюдениями, хотя еще никто не взял на себя смелость заявить, что теория полностью подтверждена экспериментально. При низких энергиях эффективная константа связи становится очень большой и теория возмущений нарушается. Есть надежда, что это «инфракрасное рабство» в конце концов позволит понять, почему кварки всегда группируются в бесцветные связанные состояния, хотя до сих пор еще никто не смог убедительно это продемонстрировать.
   Естественно, что после того, как была создана одна перенормируемая теория для сильных взаимодействий и другая – для слабых и электромагнитных взаимодействий, появилось желание поискать теорию, которая смогла бы объединить эти две. Подобным теориям дается весьма пышный титул: теория великого объединения (ТВО). Это некоторое преувеличение, поскольку они вовсе не такие великие и не такие уж объединяющие, и даже не вполне теории, так как обладают целым рядом неопределенных параметров перенормировки, таких как константы связи и массы. Тем не менее они могут рассматриваться как существенный шаг вперед на пути к созданию всеобъемлющей теории объединения. Основная идея заключается в том, что эффективная константа связи коротких взаимодействий, которая велика при малых энергиях, за счет асимптотической свободы постепенно уменьшается при высоких энергиях. С другой стороны, эффективная константа связи в теории Салама – Вайнберга, малая при низких энергиях, постепенно возрастает при высоких энергиях, потому что эта теория не является асимптотически свободной. Если проэкстраполировать темп возрастания и уменьшения констант связи на низких энергиях, то обнаружится, что эти две константы связи становятся равными при энергии порядка 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

Гэ В. (Гэ В – гигаэлектрон-вольты; 1 Гэ В = 1 млрд электрон-вольт. Эта энергия примерно равна той, которая высвободилась бы при полном превращении атома водорода в энергию. Сравните это с энергией, высвобождаемой в химических реакциях типа горения: она равна одному электрон-вольту на атом.) Теории предполагают, что при более высоких энергиях сильные взаимодействия объединяются со слабыми и электромагнитными, а при низких энергиях наступает спонтанное нарушение симметрии.
   Энергия 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

Гэ В находится за пределами возможностей лабораторного оборудования. Современное поколение ускорителей частиц может дать энергии в системе центра масс порядка 10 Гэ В, а следующее поколение будет способно давать приблизительно 100 Гэ В [24 - Большой адронный коллайдер может дать энергию в системе центра масс до 14 Тэ В. 1 Тэ В (тераэлектронвольт) = 1012 э В = 103 Гэ В. – Прим. ред.]. Этого будет достаточно для исследования диапазона энергий, в котором электромагнитные взаимодействия должны объединиться со слабыми согласно теории Салама – Вайнберга, но исследование очень высоких энергий, при которых будет возможность объединить слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия, по-прежнему будет недоступно. Тем не менее, в рамках ТВО можно сделать некоторые предсказания, касающиеся низких энергий, которые можно проверить в лаборатории. Например, теории предсказывают, что протон не является абсолютно устойчивой частицей – время его распада составляет порядка 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

лет. Современная оценка нижнего предела времени жизни протона составляет 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

лет, но она еще требует уточнения.
   Еще одно наблюдательное предсказание касается отношения числа барионов к фотонам во Вселенной. Законы физики одинаковы для частиц и античастиц. Точнее говоря, они не меняются, если частицы заменить античастицами, «право» на «лево», а скорости всех частиц заменить на противоположные. В этом суть CPT-теоремы [25 - CPT-теорема – от англ. терминов charge, parity и time – заряд, четность (свойство сохранять знак) и время. Если в природе происходит некоторый процесс, в силу СРТ-инвариантности точно с такой же вероятностью может происходить СРТ-сопряженный процесс, в котором частицы заменены соответствующими античастицами, проекции их спинов (собственных моментов количества движения) изменили знак, а начальное и конечное состояния поменялись местами. – Прим. ред.], являющейся следствием основных предположений, которые должны выполняться в любой разумной теории. Но Земля да и вся Солнечная система построены из протонов и нейтронов без примеси антипротонов или антинейтронов. Такой дисбаланс между частицами и античастицами является еще одним априорным условием нашего существования. Действительно, если бы Солнечная система состояла из смеси частиц и античастиц в равных количествах, они бы сразу аннигилировали, превратившись в излучение. Опираясь на наблюдения, которые говорят об отсутствии такого аннигиляционного излучения, мы можем сделать вывод, что наша Галактика состоит из частиц, а античастиц в ней нет. У нас нет прямого свидетельства по поводу других галактик, но, скорее всего, они тоже состоят из частиц. Вероятно, вся Вселенная характеризуется переизбытком частиц над античастицами в соотношении примерно одна частица на 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

фотонов. Можно попытаться объяснить этот факт, вновь сославшись на антропный принцип, но теории великого объединения могут объяснить этот дисбаланс по-другому. Хотя все взаимодействия, судя по всему, инвариантны по отношению к комбинации C (замене частиц на античастицы), P (замене правого на левое) и T (замене направления течения времени), известно, что есть такие взаимодействия, которые не являются инвариантными по отношению к одному T. На ранних этапах зарождения Вселенной, на которых расширение задавало явно выраженную стрелу времени, эти взаимодействия могли привести к возникновению большего количества частиц по сравнению с античастицами. Но численные оценки сильно зависят от вида модели, поэтому согласие с наблюдениями здесь вряд ли можно считать подтверждением ТВО.
   До настоящего времени усилия были в основном направлены на объединение первых трех категорий физических взаимодействий: сильных и слабых ядерных, а также электромагнитных. Гравитацию до сих пор обходили стороной. Объяснением этого может служить тот факт, что гравитация настолько слаба, что квантовые гравитационные эффекты могут проявиться только при энергиях, намного превышающих возможности любого ускорителя частиц. Кроме того, гравитация, по-видимому, не поддается перенормировке. Чтобы получить результат с конечной величиной, кажется, придется сделать бесконечное количество вычитаний бесконечных величин, которые приведут к бесконечному количеству неопределенных конечных остатков. Но учитывать гравитацию необходимо, если мы хотим построить полностью единую теорию. Более того, классическая теория ОТО предсказывает, что должны существовать пространственно-временные сингулярности, в которых гравитационное поле будет бесконечно большим. Такие сингулярности могли быть в прошлом, в начале современного расширения Вселенной (Большой взрыв), и могут произойти в будущем при гравитационном коллапсе звезд и, возможно, самой Вселенной. Наличие сингулярностей в теории, возможно, свидетельствует о том, что от классической теории придется отказаться. Но вряд ли это произойдет раньше, чем мы встретимся с очень сильными гравитационными полями, в которых будут иметь значение квантовые гравитационные эффекты. Таким образом, квантовая теория гравитации необходима при описании ранней Вселенной и при попытках объяснить начальные условия ее возникновения, не ссылаясь на антропный принцип.
   Такая теория также потребуется, если мы хотим ответить на вопрос: существует ли у времени начало и существует ли у него конец, как это предсказывается классической ОТО, либо сингулярности Большого взрыва и Большого хруста [26 - В англ. варианте Big Crunch; в русскоязычной литературе упоминается как Большой хруст или Большой хлопок. По мнению ученых, стадия расширения Вселенной может через несколько миллиардов лет смениться стадией сжатия, которая закончится сингулярностью – состоянием с бесконечной плотностью. – Прим. ред.] «размазываются» квантовыми эффектами? Это сложный вопрос, и вряд ли он имеет особый смысл, тем более что сама структура пространства и времени подвержена принципу неопределенности. Лично я думаю, что сингулярности по-прежнему существуют, хотя в некотором математическом смысле время можно продолжить и за их пределы. Однако тогда нужно распрощаться с субъективной концепцией времени, связанной с наличием сознания или способностью проводить измерения.
   Каковы перспективы создания квантовой теории гравитации и объединения ее с остальными тремя видами взаимодействий? Наибольшие надежды мы возлагаем на теорию супергравитации как обобщение ОТО. В этой теории гравитон (частица со спином 2, которая переносит гравитационное взаимодействие) связывается с другими полями с более низким спином с помощью так называемых суперсимметричных преобразований. Большое преимущество этой теории заключается в том, что с ее помощью можно покончить с вечным противоречием между «материей», представленной частицами с полуцелым спином, и «взаимодействиями», представленными частицами с целым спином. Еще одно достоинство теории – многие бесконечные величины, возникающие в квантовой теории, взаимно уничтожаются. Пока мы не знаем, будет ли это конечная теория, в которой все они исчезнут и не придется делать никаких вычитаний бесконечностей. Есть надежда, что именно так и будет. Во всяком случае, можно показать, что теории, описывающие гравитацию, являются либо конечными, либо не поддающимися перенормировке. То есть если нам нужно произвести вычитание бесконечных величин, нам придется делать это бесконечное количество раз и, соответственно, получить бесконечное количество неопределенных величин в остатке. Таким образом, если окажется, что все бесконечности в супергравитации уничтожат друг друга, мы будем иметь теорию, которая не только полностью объединит все материальные частицы и взаимодействия, но и будет полной в том смысле, что в ней будет отсутствовать любая неопределенность, связанная с перенормировкой параметров.
   Хотя у нас до сих пор нет подходящей квантовой теории гравитации, не говоря уже о теории, которая объединяла бы ее с другими физическими взаимодействиями, некоторое представление о том, как должна будет выглядеть будущая теория, у нас все же есть. Первое: гравитация должна влиять на причинную структуру пространства-времени, то есть определять, какие события могут быть причинно связаны друг с другом. Примером такой причинно-следственной связи в классической ОТО может служить черная дыра, которая есть не что иное, как область пространства-времени с чрезвычайно сильным гравитационным полем, которое «захватывает» свет и любые другие сигналы и не дает им вылететь во внешний мир. Интенсивное гравитационное поле рядом с черной дырой порождает пары частица-античастица, одна из которых падает на черную дыру, а другая улетает на бесконечность. Частицы, улетающие прочь, выглядят как излучение черной дыры. Внешний наблюдатель может фиксировать только те частицы, которые исходят от черной дыры, и не может ничего сказать о других, падающих на черную дыру, – он просто их не видит. Это означает, что исходящие частицы имеют чрезмерную степень случайности и непредсказуемости, выходящую за рамки той, которую обычно ассоциируют с принципом неопределенности. В нормальных ситуациях принцип неопределенности предполагает, что можно точно предсказать либо положение, либо скорость частицы, либо комбинацию положения и скорости. Таким образом, грубо говоря, возможность делать точные предсказания сокращается наполовину. Однако в том случае, когда частицы излучаются черной дырой, тот факт, что мы не можем наблюдать события, происходящие внутри черной дыры, означает, что мы не можем точно предсказать ни положения, ни скорости излучаемых частиц. Мы можем говорить только о вероятностях того, что частицы будут излучаться определенным образом.
   По-видимому, это означает, что даже если мы разработаем единую теорию, мы будем способны делать только статистические предсказания. Нам следует также отказаться от точки зрения, согласно которой существует только одна Вселенная, которую мы наблюдаем. Вместо этого мы должны принять картину мира, в которой существует целый ансамбль всевозможных вселенных с некоторым распределением вероятности. Это могло бы объяснить, почему Вселенная родилась в Большом взрыве в условиях почти идеального теплового равновесия, так как тепловое равновесие соответствовало наибольшему количеству микроскопических конфигураций и, следовательно, наивысшей вероятности. Перефразируя Панглосса [27 - Панглосс – вымышленный персонаж в философском романе Вольтера «Кандид». – Прим. ред.], персонажа книги знаменитого философа Вольтера, можно сказать: «Мы живем в наиболее вероятном из всех возможных миров».
   Каковы перспективы того, что мы найдем полную единую теорию в обозримом будущем? Каждый раз, как мы проникаем в более мелкие масштабы и на более высокие энергии, мы открываем новые слои мироздания. В начале XX века открытие Броуновского движения частиц с типичной энергией 3×10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

э В показало, что материя не сплошная, а состоит из атомов. Вскоре после этого было открыто, что эти предположительно неделимые атомы сами состоят из электронов, вращающихся вокруг ядер с энергиями порядка нескольких электрон-вольт. Затем было установлено, что ядро в свою очередь состоит из так называемых элементарных частиц, протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными связями с энергиями порядка 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

э В. Последним эпизодом в этой истории стало открытие, что протон и электрон состоят из кварков, которые удерживаются связями с энергиями порядка 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

э В. Именно благодаря всем этим достижениям теоретической физики мы теперь строим колоссальные машины, на которые тратим колоссальные деньги, чтобы ставить на них эксперименты, результаты которых мы не можем предсказать.
   Весь наш предыдущий опыт говорит о том, что существует бесконечная последовательность слоев мироздания на все более и более высоких энергетических уровнях. Такой взгляд на бесконечный регресс по принципу матрешки господствовал в Китае во времена «Банды четырех». Но представляется, что гравитация обозначит границы этого регресса, но только на очень мелких масштабах (10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

см) или при очень высоких энергиях (10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

эВ). Следует ожидать, что на еще более мелких масштабах пространство-время больше не будет вести себя как гладкий континуум и приобретет пеноподобную структуру из-за квантовых флуктуаций гравитационного поля [28 - 11 февраля 2016 года навсегда войдет в историю науки. В этот день состоялось одно из величайших научных открытий последнего времени – открытие гравитационных волн, предсказанных почти сто лет назад общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитационные волны – это флуктуации самого пространства-времени, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля. Было зафиксировано, в том числе благодаря и российским ученым, гравитационное излучение, вызванное слиянием двух объектов с массами 36 и 29 солнечных масс в объект с массой 62 массы Солнца. Можно сказать, что на 90 % черные дыры перестали быть гипотетическими объектами, т. к. объекты с массой более 3 солнечных масс должны быть черными дырами. – Прим. ред.].
   Существует очень большая неисследованная область между нашим современным экспериментальным пределом около 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

э В и максимальным пределом для гравитации на 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

э В. Было бы наивным предположить, как это делают теории великого объединения, что есть только один или два слоя структуры в этом огромном интервале энергий. Тем не менее имеется почва для оптимизма. В данный момент, по крайней мере, предполагают, что гравитацию можно объединить с другими физическими взаимодействиями только в некоей теории супергравитации. Известно несколько таких теорий. Например, есть так называемая расширенная теория супергравитации с N = 8. Она включает один гравитон, восемь частиц со спином -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, называемых гравитино, двадцать семь частиц со спином 1, пятьдесят шесть частиц со спином -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и семьдесят частиц со спином, равным нулю. Эти большие числа говорят сами за себя, и все-таки этого недостаточно, чтобы дать объяснение всем частицам, наблюдаемым в сильных и слабых взаимодействиях. Так, теория N = 8 имеет двадцать семь частиц со спином 1. Этого достаточно, чтобы объяснить существование глюонов, которые осуществляют сильные взаимодействия, и двух из четырех частиц, ответственных за слабые взаимодействия. Еще две частицы остаются необъясненными. Можно предположить, что многие или даже большинство наблюдаемых частиц, таких как глюоны или кварки, не являются элементарными, как это принято считать сейчас; возможно, они являются связанными состояниями других фундаментальных частиц в теории N = 8. Маловероятно, что мы будем иметь достаточно мощные ускорители, чтобы экспериментировать с этими сложными структурами в обозримом будущем (или когда-либо вообще, если учесть современные экономические тенденции). Тем не менее тот факт, что эти связанные состояния вытекают из четко сформулированной теории N = 8, позволяет нам сделать ряд предсказаний, которые можно проверить при энергиях, которые достижимы уже сейчас или которые будут достигнуты в ближайшем будущем. Ситуация здесь напоминает ту, что сложилась в теории Салама – Вайнберга, объединяющей электромагнитные и слабые взаимодействия. Предсказания, сделанные этой теорией для низких энергий, согласуются с наблюдениями, и это послужило основанием для повсеместного принятия данной теории, хотя мы и не достигли еще такой энергии, при которой наступит искомое объединение.
   Чтобы претендовать на звание теории, описывающей всю Вселенную, нужно иметь веские основания. Почему именно эта теория получила распространение, в то время как другие теории существуют только в головах своих создателей? Теория супергравитации с N = 8 действительно может считаться особенной, так как содержит следующие, отличающие ее от других, специфические черты:
   1) она создана для четырех измерений,
   2) она включает в себя гравитацию,
   3) она является конечной и не зависит от вычитания бесконечных величин.
   Я уже говорил о том, что третье свойство необходимо, если мы хотим построить полную теорию без лишних параметров. Тем не менее сложно обеспечить свойства 1 и 2, не апеллируя к антропному принципу. По-видимому, существует согласованная теория, которая удовлетворяет принципам 1 и 3, но не включает гравитацию. Однако в такой вселенной будет недостаточно сил притяжения, чтобы собрать воедино большие массы материи, необходимые для развития сложных структур. Вопросом, почему пространство-время должно быть четырехмерным, физики обычно не задаются. Но и здесь можно прибегнуть к замечательному антропному принципу. Трехмерного пространства-времени, т. е. двух измерений для пространства и одного для времени, явно недостаточно для любого сложного организма. С другой стороны, если бы у пространства было более трех измерений, то орбиты планет вокруг Солнца или электронов вокруг ядра были бы неустойчивы и имели бы тенденцию к спиральному закручиванию внутрь. Остается еще вероятность, что время может иметь несколько измерений, но я считаю, что вселенную и с одним измерением по времени очень трудно себе представить.
   До сих пор я подспудно предполагал, что абсолютная теория существует. Но так ли это? Существуют по крайней мере три возможности.
   1. Существует универсальная теория.
   2. Не существует универсальной теории, но есть бесконечная последовательность теорий, и каждый отдельный класс наблюдений может быть предсказан при помощи наиболее адекватной теории из этой бесконечной цепочки.
   3. Универсальной теории не существует вовсе. В какой-то момент наблюдения становятся полностью случайными и не могут быть ни описаны, ни предсказаны.
   Третья точка зрения выдвигалась в качестве аргумента против ученых XVII и XVIII столетий: как смеют они придумывать законы и ограничивать свободу Бога, который волен творить все, что Ему заблагорассудится? Но ученые открывали новые законы, и это сходило им с рук. В наше время третья возможность, по существу, сводится к следующему постулату: квантовая механика – это теория того, чего мы не знаем и что в принципе не можем предсказать.
   Вторая возможность подразумевает появление бесконечной последовательности новых структур, возникающих на все более высоких энергиях. Как я уже говорил ранее, это представляется маловероятным, потому что на планковской энергии [29 - Физическая константа, численно равная планковской массе, умноженной на квадрат скорости света. Введена для удобства расчетов. Планковская масса в несколько тысяч раз меньше массы самого маленького насекомого на Земле. – Прим. ред.] 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

э В следует ожидать «обрыва». Таким образом, мы признаем, что первая возможность – наиболее возможная из всех. В настоящий момент единственным кандидатом на звание универсальной является теория супергравитации с N = 8 [30 - Теории супергравитации относятся к классу теорий, имеющих дело с точечными частицами. Со времени написания этого эссе широкое распространение получили так называемые теории суперструн, в которых основными объектами исследования являются не частицы, а протяженные объекты типа струн, в том числе свернутые в петли. Идея заключается в том, что частица вовсе не похожа на точку. Скорее, это вибрация, то есть колебание такой петли. При низких энергиях разные версии теории суперструн сводятся к теории супергравитации. К сожалению, экспериментальных подтверждений теории суперструн пока нет.]. В ближайшие несколько лет, по-видимому, физики сделают расчеты, должные показать, что теория имеет изъяны. Если она выдержит испытания уравнениями, тогда еще через несколько лет мы сможем придумать такие вычислительные методы, которые позволят нам делать прогнозы и выяснить наконец, какими были начальные условия во Вселенной, и объяснить локальные физические законы. В ближайшие двадцать лет эти проблемы будут занимать умы физиков-теоретиков. Но придется немного сгустить краски: едва ли этот вопрос будет оставаться исключительно в их компетенции дольше. Даже и теперь компьютеры очень облегчают жизнь исследователя, но ими все же управляет человеческий разум. Впрочем, технологии развиваются чрезвычайно быстро, и, заглядывая в будущее, осмелюсь предположить, что машины однажды придут на смену и физику-теоретику. Может быть, он и успеет добиться своего. Но не исключено, что тут же будет сражен наступлением технического прогресса. Как, возможно, и сама теоретическая физика.

Глава восьмая
Мечта Эйнштейна [31 - Лекция прочитана в рамках мероприятия, проходившего в японской IT-компании NTT Data Communications Systems (Токио, июль 1991 г.).]

   В начале XX века появились две теории, которые полностью изменили наши представления о пространстве, времени и реальности вообще. Прошло более семидесяти пяти лет, а мы все еще пытаемся понять, к чему в результате пришли, силимся объединить их в единую теорию поля. Речь об общей теории относительности (ОТО) и квантовой механике. ОТО рассматривает пространство и время, их деформацию под действием материи на огромных просторах Вселенной. Квантовая механика, напротив, углубилась в мельчайшие складки мироздания. И здесь мы столкнулись с принципом неопределенности, постулирующим, что нам никогда не удастся с одинаковой точностью измерить положение частицы в пространстве и ее скорость. Чем точнее вы будете измерять одно, тем более размытым получится другое. Всегда есть место случайности, которая фундаментальным образом влияет на поведение материи в малых масштабах. Ответственность за появление ОТО можно полностью возложить на Эйнштейна, и он же сыграл важную роль в развитии квантовой механики. Его отношение к последней выразилось во фразе: «Бог не играет в кости» [32 - Эйнштейн был уверен в мудрости Создателя и считал, что Он не мог допустить, чтобы мир электронов разительно отличался от привычного мира ньютоновских бильярдных шаров. На протяжении долгих лет Эйнштейн фактически играл роль адвоката дьявола в отношении квантовой механики, выдумывая хитроумные парадоксы, призванные поставить создателей новой теории в тупик. Тем самым, однако, он делал доброе дело, заставив их глубоко задуматься и детальнее разработать ее. – Прим. ред.]. Но все указывает на то, что Бог чрезвычайно азартен, и Ему нравится бросать игральные кубики при каждом удобном случае.
   В этом эссе я попытаюсь передать основные идеи, лежащие в основе этих двух теорий, и расскажу, почему Эйнштейн никак не хотел примириться с квантовой механикой. Я также покажу, какие удивительные парадоксы возникают при попытках объединить эти две теории. Выходит так, что само время не вечно, что оно началось пятнадцать миллиардов лет назад и может закончиться когда-нибудь в будущем. Либо у Вселенной нет границ. Она никогда не была создана и не будет разрушена. Она просто есть.
   Начну я с теории относительности. Если государственные законы имеют хождение только на территории одной страны, то законы физики справедливы и в Британии, и в США, и в Японии. Те же законы действуют на Марсе и в туманности Андромеды. Более того, законы не зависят от скорости вашего движения. Одни и те же законы будут справедливы, едете ли вы в сверхскоростном экспрессе, или летите в реактивном самолете, или просто стоите на месте. Если честно, конечно, то нужно признать, что абсолютно неподвижным вам остаться не удастся, так как Земля движется вокруг Солнца со скоростью тридцать километров в секунду. Мало этого, Солнце движется вокруг галактического центра со скоростью несколько сотен километров в секунду. И так далее. Но все эти виды движений не влияют на законы физики. Законы физики одинаковы для всех наблюдателей.
   Эта инвариантность по отношению к скорости движения системы была впервые подмечена Галилеем, который открыл законы движения тел, справедливые для разных объектов, будь то пушечное ядро или планета. Но когда ученые попытались распространить эти законы на движение света, возникла неувязка. Еще в XVIII веке стало ясно, что свет не доходит мгновенно от источника до наблюдателя. Скорость света в вакууме равна примерно 300 000 кмс. По отношению к чему оценили эту скорость? Сначала думали, что в пространстве «разлито» некое вещество, сквозь которое и проходит свет. Это вещество назвали эфиром. Идея заключалась в следующем. Пусть световые волны распространяются сквозь эфир со скоростью 300 000 кмс, тогда наблюдатель, который неподвижен по отношению к эфиру, будет фиксировать именно такую скорость движения света. Но наблюдатель, который движется сквозь эфир, «увидит», что скорость света будет либо больше, либо меньше. В частности, разумно было предположить, что скорость света зависит от движения Земли по орбите вокруг Солнца. Однако в 1887 году Майкельсон и Морли провели тщательный эксперимент и показали, что скорость света остается неизменной. С какой бы скоростью ни двигался наблюдатель, он всегда фиксировал одну и ту же скорость света – 300 000 кмс.
   В это невозможно было поверить. Как могут наблюдатели, двигающиеся с разными скоростями, регистрировать одну и ту же скорость света? Они и не могут, если верны «нормальные» представления о пространстве и времени. И тут в 1905 году появилась знаменитая статья Эйнштейна, который показал, что наблюдать одну и ту же скорость света можно, если отказаться от идеи универсального времени. Если каждый наблюдатель запасется собственными часами, он будет измерять индивидуальное время. Если наблюдатели не будут мчаться с бешеной скоростью друг относительно друга, они не заметят разницы в показаниях своих часов. Но если скорости движения будут сильно отличаться, разные часы покажут разное время. Этот эффект проявился при сравнении двух разных часов: одни оставались на поверхности Земли, а другие находились на борту самолета. Оказалось, что часы в самолете шли медленнее, чем стационарный аналог, оставшийся на Земле. При обычных, нормальных скоростях движения разница хода часов незаметна. Если задаться целью удлинить свою жизнь на одну секунду с помощью этого эффекта, придется 400 миллионов раз облететь вокруг земного шара. Но потери от этого предприятия будут куда более ощутимы, ведь вам придется съесть ту еду, что вам предложит стюардесса.
   Как же получается, что путешественники, двигающиеся с разными скоростями и снабженный каждый своими часами, измеряют одну и ту же скорость света? Скорость светового импульса равна расстоянию, которое он проходит между двумя событиями, деленному на интервал времени, который разделяет эти два события. (Под событием мы имеем в виду нечто, произошедшее в некоей точке пространства и в определенный момент времени.) Разногласия у путешественников возникнут уже на первом этапе, потому что если у них разные скорости движения, они измерят разные расстояния между двумя событиями. Например, если я проеду в автомобиле один километр по скоростному шоссе, это не значит, что гипотетический наблюдатель на Солнце измерит то же самое расстояние, пройденное машиной; для солнечного «жителя» пройденное мной расстояние будет равно 1800 км, потому что Земля как планета в это время не стояла на месте. В ситуации, когда скорость света неизменна, а расстояния между событиями различаются, наблюдателям придется признать, что они измеряют различные интервалы времени.
   Основные принципы теории относительности, изложенные в статье Эйнштейна, вышедшей в 1905 году, называются специальной теорией относительности (СТО). Эта теория описывает движение объектов в пространстве и времени. Согласно СТО время не есть универсальная величина, «гуляющая» сама по себе, независимо от пространства. Представьте себе, что будущее и прошлое – это такие же направления, по которым можно двигаться в пространстве-времени, как вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад. В основном мы двигаемся во времени в будущее, но иногда можем чуть-чуть переместиться под углом к этому направлению. Вот почему время может течь с разной скоростью.
   СТО объединила время и пространство, но, даже объединившись, они продолжали оставаться фиксированной средой, на фоне которой рассматривались те или иные события. Вы могли выбирать различные траектории для движения сквозь пространство-время, но любой сценарий ваших действий не мог изменить фон пространства-времени. Однако все изменилось, когда в 1915 году Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО). Он выдвинул революционную идею о том, что гравитация – это не просто сила, действующая внутри фиксированного фона пространства-времени. В рамках ОТО гравитация представляла собой искривление пространства-времени, вызванное наличием массы и энергии. Разные объекты, будь то пушечные ядра или планеты, стремятся двигаться по прямой сквозь пространство-время, но поскольку оно не плоское, а искривлено и деформировано, траектории объектов оказываются изогнутыми. Земля пытается двигаться по прямой линии, но кривизна пространства-времени, вызванная массой Солнца, заставляет нашу планету двигаться вокруг светила. Аналогичным образом свет от далеких звезд распространялся бы по прямой линии, если бы не кривизна пространства-времени, которая заставляет световые лучи изгибать свои траектории вблизи Солнца. Логично было бы предположить, что нам не дано увидеть звезды на небе, находящиеся за Солнцем. Но во время затмения, когда основная часть солнечного света блокируется Луной, мы можем наблюдать такие звезды. Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности во время Первой мировой войны, когда обстоятельства не слишком способствовали проведению научных экспериментов. Но сразу после нее состоялась британская экспедиция в Бразилию и Африку для наблюдения солнечного затмения 1919 года. Результаты ее подтвердили предсказания ОТО: пространство-время не плоское, оно искривлено материей и энергией, содержащимися в нем.
   Это был величайший триумф Эйнштейна. Его открытие полностью изменило наши представления о пространстве-времени. Пространство и время перестали казаться нам пассивным фоном, на котором происходили те или иные события. Мы больше не могли относиться к ним как к некоей беспредельной и бесконечной субстанции, независимой от событий, имеющих место во Вселенной. Нет, теперь пространство и время стали динамическими величинами, влияющими на ход событий и, в свою очередь, подверженными влиянию событий, текущих в пространстве-времени.
   Важнейшим свойством массы и энергии является то, что они всегда положительны [33 - Вероятно, многим знакомы такие понятия, как отрицательная энергия, отрицательная плотность энергии. Их можно встретить в работах по космологии, в частности касающихся кротовых нор. В теоретической физике элементарных частиц рассматривается и такое понятие, как отрицательная масса. Оставаясь по большей части абстрактными, эти отрицательные величины тем не менее не противоречат основным законам физики, записанным на языке математических уравнений. – Прим. ред.]. Поэтому тела всегда притягиваются друг к другу за счет сил гравитации. Например, гравитация Земли притягивает нас к планете, где бы мы ни находились, здесь или на противоположной стороне земного шара. По этой причине жители Австралии не падают и не улетают в космическое пространство. По этой же причине гравитация Солнца удерживает планеты на круговых орбитах, благодаря чему Земля не улетает прочь в темные глубины межзвездного пространства. Согласно ОТО тот факт, что масса всегда положительна, означает, что пространство-время изогнуто само на себя. Представьте себе, например, поверхность Земли. Если бы масса была отрицательна, пространство-время было бы изогнуто по-другому, например, напоминало бы по форме седло. Такая положительная кривизна пространства-времени, отражающая свойство гравитации притягивать объекты, самим Эйнштейном рассматривалась как серьезная проблема. Ведь в его время Вселенная считалась стационарной. Но если пространство, и особенно время, изогнуты сами на себя, как могла бы Вселенная на протяжении вечности существовать в ее нынешнем состоянии?
   Уравнения ОТО предсказывали, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Чтобы избавиться от противоречия, Эйнштейн ввел в свои уравнения дополнительную постоянную, связывающую массу и энергию во Вселенной с кривизной пространства-времени. Это космологическая постоянная [34 - Космологическая постоянная, характеризующая свойства вакуума. Введена Эйнштейном в уравнения ОТО, чтобы получить стационарное решение и компенсировать возможную нестабильность Вселенной. Первоначально предполагалось, что это очень малая величина. В квантовой гравитации существует так называемая «проблема космологической постоянной». Она заключается в том, что с учетом энергии квантовых флуктуаций космологическая постоянная должна на 120 порядков превышать то значение, которое следует из наблюдений. – Прим. ред.], или лямбда-член, имеет отталкивающий гравитационный эффект. Таким образом достигался баланс между притяжением материи и отталкиванием за счет космологической постоянной. Другими словами, отрицательная кривизна пространства-времени, возникающая благодаря действию космологической постоянной, уравновешивала положительную кривизну пространства-времени, порождаемую массой и энергией во Вселенной. Так можно было создать модель Вселенной, остающейся незыблемой бесконечно долго. Если бы Эйнштейн не ввел постоянную в свои уравнения, он бы смог предсказать расширение или сжатие Вселенной. Как бы то ни было, никому и в голову не приходило, что Вселенная меняется, пока в 1929 году Эдвин Хаббл не совершил свое открытие. Он обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас. Итак, Вселенная расширяется. Позднее Эйнштейн назвал космологическую постоянную величайшей ошибкой своей жизни.
   С учетом или без учета космологической постоянной, тот факт, что материя вызывает искривление пространства-времени, оставался большой проблемой, хотя многие этого не осознавали. На самом деле из этого вытекало, что материя способна так изогнуть некую область во Вселенной, что она окажется полностью отрезанной от остальной Вселенной. Возникнет так называемая черная дыра. Разные объекты могут падать внутрь черной дыры, но никакие объекты или сигналы не смогут выбраться наружу. Для этого им пришлось бы лететь быстрее скорости света, что запрещено теорией относительности. Материя внутри черной дыры окажется в ловушке и будет коллапсировать (сжиматься) до состояния с очень высокой плотностью.
   Эйнштейна очень смущали последствия, к которым может привести коллапс, и он отказывался признавать его возможность. Но в 1939 году Роберт Оппенгеймер показал, что старая звезда с массой более двух масс Солнца неизбежно будет коллапсировать после того, как исчерпает все запасы своего ядерного топлива. Затем разразилась война, Оппенгеймер оказался вовлеченным в проект создания атомной бомбы и утерял интерес к гравитационному коллапсу. Других же ученых больше интересовала физика, которая имела непосредственную связь с земной жизнью, а не с космосом. Физиков не волновали теоретические рассуждения на тему о том, что может произойти в глубинах Вселенной, поскольку это не поддавалось экспериментальной проверке. Однако в 1960-х годах благодаря достижениям наблюдательной астрономии интерес к гравитационному коллапсу и к явлениям, происходившим на ранних этапах возникновения Вселенной, возродился [35 - В 1964 г. советские астрофизики Я.Б. Зельдович и О.Х. Гусейнов предложили искать черные дыры в составе двойных звездных систем. В спектрах некоторых звезд, так называемых спектральных двойных, наблюдаются периодические смещения линий. Этот эффект объясняется вращением звезд вокруг общего центра масс. Если в спектре видны признаки только одной звезды, то другая, невидимая, может представлять собой черную дыру. – Прим. ред.]. Какие именно сюрпризы может преподнести общая теория относительности в этих чрезвычайных ситуациях, оставалось неясным, пока мы с Роджером Пенроузом не доказали ряд теорем. Из наших теорем следовало, что искривление пространства-времени подразумевает наличие сингулярностей, таких мест во Вселенной, где пространство-время начинается или заканчивается. В частности, пространство-время имело начало в Большом взрыве, примерно пятнадцать миллиардов лет назад, и имеет конец для любой коллапсирующей звезды со всем ее окружением, втянутым в черную дыру, которая на месте этой звезды остается.
   По сути, выяснилось, что если общая теория относительности Эйнштейна верна, она неизбежно приводит к появлению сингулярностей. Этот вывод вызвал переполох среди физиков. Сами уравнения ОТО, связывающие кривизну пространства-времени с распределением массы и энергии, не содержат сингулярности. Это означает, что ОТО не может предсказать, к чему сингулярность приведет. В частности, ОТО не может объяснить, как возникла Вселенная в Большом взрыве. Таким образом, ОТО не может считаться полной теорией. Нужны дополнительные возможности, которые позволили бы объяснить рождение Вселенной и процессы, происходящие во время коллапса материи под действием ее собственной гравитации.
   Эти дополнительные возможности сумела предоставить квантовая механика. В 1905 году появилась статья Эйнштейна по специальной теории относительности. В этом же самом году Эйнштейн написал работу, посвященную такому явлению, как фотоэлектрический эффект. Наблюдения показывали, что определенные металлические поверхности испускали заряженные частицы при падении на них света. Озадачивало то, что при уменьшении интенсивности падающего света количество излучаемых частиц уменьшалось, но скорости частиц не изменялись. Эйнштейн показал, что это можно объяснить, если предположить, что свет распространяется в виде пакетов определенного размера, а не непрерывно, как считалось ранее. Идея о распространении света в виде пакетов, называемых квантами, была высказана несколькими годами ранее немецким физиком Максом Планком. Это похоже на покупку сахарного песка в супермаркете: россыпью он не продается, можно добыть лишь килограммовый пакет. Планк использовал идею квантов, чтобы объяснить, почему раскаленный докрасна кусок металла не испускает из себя бесконечное количество тепла. Но он относился к квантам как к некоему теоретическому трюку, как к чему-то такому, что не отражает физическую реальность. Эйнштейн в своей статье показал, что отдельные кванты можно непосредственно наблюдать. Каждая излученная частица соответствовала одному кванту света, упавшему на металл. Широко признали, что это открытие является важным вкладом в квантовую теорию, и в 1922 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. (Эйнштейну следовало бы вручить Нобелевскую премию за общую теорию относительности, но идея об искривлении пространства и времени в то время рассматривалась как слишком спекулятивная и противоречивая, поэтому ему была присуждена премия за фотоэффект; это открытие, впрочем, тоже вполне заслуживает Нобелевской премии.)
   Полностью смысл явления фотоэффекта стал понятен только в 1925 году, когда Вернер Гейзенберг сформулировал свой принцип неопределенности: невозможно точно измерить положение частицы. Чтобы увидеть, где находится частица, нужно направить на нее свет. Но Эйнштейн показал, что вы не сможете использовать очень маленькое количество света; вам нужен по меньшей мере один пакет, или квант. Этот пакет света потревожит частицу и приведет ее в движение с некоторой скоростью в некотором направлении. Чем точнее вы хотите измерить положение частицы, тем больше должна быть энергия используемого вами пакета и тем сильнее он будет возмущать частицу. Как бы точно вы ни пытались измерить местонахождение частицы, неопределенность ее положения, умноженная на неопределенность ее скорости, всегда будет больше некоторого минимального значения.
   Принцип неопределенности Гейзенберга показал, что невозможно точно измерить состояние системы и поэтому невозможно точно предсказать, что она будет делать в будущем. Единственное, что можно сделать, – это предсказать вероятности различных исходов. Именно этот элемент случайности, неопределенности так смущал Эйнштейна. Он не хотел верить в то, что физические законы не могут дать определенное и однозначное предсказание того, что может произойти. Но как ни крути, все свидетельствует о том, что без феномена кванта и принципа неопределенности не обойтись и что они затрагивают все отрасли физики.
   Общая теория относительности Эйнштейна – это классическая теория; она не включает в себя принцип неопределенности. Поэтому нужна новая теория, которая объединила бы ОТО с принципом неопределенности. Во многих случаях разница между этой новой теорией и классической ОТО будет незначительной. Это объясняется тем, что неопределенность вследствие квантовых эффектов работает только на очень малых масштабах, в то время как ОТО имеет дело со структурой пространства-времени на очень больших масштабах. Но из теорем сингулярности, доказанных нами с Роджером Пенроузом, следует, что пространство-время сильно искривляется на очень малых масштабах. А здесь уже принцип неопределенности становится очень важен, сильно влияя на полученные результаты.
   Частично неприятие Эйнштейном квантовой механики и принципа неопределенности объясняется тем, что он использовал отвечающее здравому смыслу обычное представление о том, что частица должна иметь вполне определенную историю. Частица находится либо тут, либо там. Она не может быть наполовину тут и наполовину там. Это как с вопросом о том, были ли астронавты на Луне: либо были, либо нет, здесь не может быть среднего ответа. Или, например, вы не можете быть слегка мертвы или слегка беременны. Либо да, либо нет. Но если система имеет вполне определенную, одну-единственную историю, принцип неопределенности приводит к парадоксальным суждениям вроде того, что частица может находиться в двух местах одновременно или что астронавты были на Луне только наполовину.
   Элегантный способ разрешить эти парадоксы, которые так тревожили Эйнштейна, был предложен американским физиком Ричардом Фейнманом, который приобрел широкую известность в 1948 году за свою работу по квантовой теории света. В 1965 году ему и еще двум ученым, американскому физику Джулиану Швингеру и японскому физику Синъитиро Томонага, присудили Нобелевскую премию. Фейнман был настоящий физик, ученый-бессребреник. Он терпеть не мог помпезность и очковтирательство и ушел из Национальной академии наук США, когда понял, что основную часть своего времени академики тратят на обсуждение того, кого следует принять в новые члены Академии. Фейнман дожил до 1988 года и внес большой вклад в теоретическую физику. Широко известны так называемые диаграммы Фейнмана, которые лежат в основе почти всех расчетов физики элементарных частиц. Но еще более важна его концепция суммы возможных предысторий. Идея заключается в том, что у квантовой системы не существует одной-единственной истории в пространстве-времени, как это обычно происходит в классической неквантовой теории. В квантовой механике возможна любая предыстория. Пусть, например, частица находится в точке A в определенный момент времени. Мы могли бы ожидать, что частица будет из точки A двигаться по прямой линии. Однако в соответствии с концепцией суммы предысторий она может двигаться по любой траектории, начинающейся в точке A. Нечто подобное происходит, когда чернильная капля падает на промокашку. Чернильные частицы расползутся по промокательной бумаге в разных направлениях. Даже если вы заблокируете прямую линию между двумя точками, сделав надрез на бумаге, чернила обогнут это препятствие.
   Каждую траекторию, или предысторию, частицы можно соотнести с определенным числом, зависящим от формы траектории. Тогда вероятность попадания частицы из точки A в точку B равна сумме чисел, соответствующих всем возможным траекториям между точками A и B. Для большинства близких траекторий эти числа почти уравновесят друг друга и дадут маленький вклад в вероятность, описывающую траекторию частицы из точки A в точку B. Числа, соответствующие прямым траекториям, будут складываться с числами от почти прямых траекторий. Основной вклад в вероятность дадут прямолинейные или почти прямолинейные траектории. Вот почему трек частицы, летящей через пузырьковую камеру, выглядит почти прямым. Но если вы соорудите стенку с прорезью на пути частицы, траектория частицы может измениться, чтобы обойти щель. Появится высокая вероятность обнаружить частицу в стороне от прямой линии, ведущей через препятствие.
   В 1973 году я занялся исследованием влияния принципа неопределенности на частицу в искривленном пространстве-времени вблизи черной дыры. К своему удивлению, я обнаружил, что черная дыра не является вполне черной. Принцип неопределенности позволяет частицам и излучению постоянно истекать из черной дыры. Этот результат оказался совершенно неожиданным для всех, включая меня, и был встречен с вполне понятным недоверием. Но теперь, оглядываясь назад, я понимаю, что он был вполне очевиден. Черная дыра – это область пространства, которая неизбежно затягивает в себя всех, путешествующих со скоростью меньше скорости света. Но концепция Фейнмана о сумме предысторий утверждает, что частицы могут двигаться в пространстве-времени по любой траектории. И для частицы существует возможность путешествовать быстрее света. Длинное расстояние она вряд ли преодолеет с такой скоростью (быстрее света), но она может обгонять свет так долго, чтобы успеть выбраться из черной дыры, а затем вновь сбросить скорость до субсветовой. В этом смысле принцип неопределенности позволяет частицам выбраться из черной дыры, т. е. из такого места, которое ранее считалось местом пожизненного заключения. Вероятность того, что частица выберется из черной дыры солнечной массы, весьма мала, так как частице придется лететь со сверхсветовой скоростью несколько километров. Но в принципе могут существовать очень маленькие черные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной. Эти первичные черные дыры по размеру могут не превышать ядро атома, хотя их масса может составлять миллиарды тонн (масса горы Фудзи). Они могут излучать энергию, сравнимую с энергией мощной электростанции. Если бы мы могли найти одну из таких мельчайших черных дыр и обуздать ее энергию! К сожалению, вряд ли Вселенная изобилует такими черными дырами.
   Предсказание об излучении черных дыр было первым нетривиальным результатом, полученным в результате объединения общей теории относительности Эйнштейна с принципами квантовой механики. Оно показало, что гравитационный коллапс может оказаться не таким уж глухим тупиком, как это представлялось. Жизненный путь частиц в черной дыре не обязательно должен кончаться сингулярностью. Напротив, они могут избежать такого конца, вырваться из черной дыры и продолжить свой путь во Вселенной. Возможно, квантовый принцип означает, что история не обязательно имеет начало во времени, в точке создания, при Большом взрыве?
   На этот вопрос очень сложно однозначно ответить, так как он подразумевает применение квантового принципа к структуре самого пространства-времени, а не только к траекториям частиц в данной области пространства-времени. Что нам нужно, так это найти способ определять сумму предысторий не только для частиц, но и для всей ткани пространства-времени. Мы до сих пор не знаем, как правильно производить это суммирование, но мы знаем, какими чертами должен обладать этот процесс. Прежде всего легче суммировать предыстории в воображаемом времени, а не в обычном реальном времени. Понять концепцию воображаемого времени очень сложно, это самая трудная задача для читателей моей книги. Кроме того, философы подвергают меня жесткой критике за это воображаемое время. Как может воображаемое время соотноситься с реальной Вселенной? Думаю, что эти философы не усвоили уроки истории. Когда-то считалось, что Земля плоская и Солнце вращается вокруг Земли. Однако после открытий Коперника и Галилея нам пришлось привыкать к идее, что Земля круглая и вращается вокруг Солнца. Точно так же мы долго считали, что время для всех течет одинаково. Однако Эйнштейн открыл нам глаза: для разных наблюдателей время течет по-разному. Казалось также очевидным, что Вселенная имеет одну-единственную историю, но после открытия квантовой механики мы рассматриваем Вселенную как совокупность всех возможных ее историй. Я подвожу к тому, что идею воображаемого времени мы тоже со временем примем. Этот интеллектуальный скачок будет равносилен признанию того, что Земля круглая. И тогда воображаемое время будет казаться таким же естественным, как шарообразная форма Земли. В образованном мире не так уж много членов общества сторонников плоской Земли.
   Можно представить себе обычное реальное время в виде горизонтальной линии, идущей слева направо. Прошлое слева, будущее справа. Но можно представить себе другое направление времени, например вверх и вниз по странице. Это и есть так называемое воображаемое, или мнимое, направление времени под прямым углом к реальному времени.
   В чем смысл введения концепции воображаемого времени? Почему нельзя оставаться в рамках концепции обычного, реального времени, которое мы понимаем? Причина заключается в том, что, как было отмечено раньше, материя и энергия стремятся изогнуть ткань пространства-времени. В реальном времени это неизбежно приводит к сингулярностям, то есть точкам, где пространство-время заканчивается. В сингулярностях уравнения физики не выполняются и невозможно предсказать будущие события. Но вектор воображаемого времени расположен под прямым углом к вектору реального. Это означает, что он ведет себя так же в отношении трех измерений пространства. Кривизна пространства-времени, обусловленная наличием материи во Вселенной, может привести к тому, что три измерения пространства и вектор воображаемого времени пересекутся с оборотной стороны. Они образуют замкнутую поверхность, напоминающую поверхность Земли. Три вектора пространства и вектор воображаемого времени сформируют такое пространство-время, которое будет замкнуто само на себя, без границ и без края. Никакую точку нельзя будет назвать ни началом, ни концом, так же как земная поверхность не имеет ни конца, ни начала.
   Согласно предположению, выдвинутому в 1983 году мною совместно с Джимом Хартлом, сумму историй Вселенной не следует составлять из тех, что могли иметь место в реальном времени. Скорее имеет смысл интегрировать истории в воображаемом времени, замкнутые на себя подобно земной поверхности. Поскольку в этих историях нет сингулярностей, равно как нет и начала или конца, все происходящее в них полностью определяется законами физики. Это означает, что все, происходящее в воображаемом времени, можно рассчитать. И если вы знаете историю Вселенной во времени воображаемом, вы можете просчитать, как она поведет себя во времени реальном. Таким способом, быть может, и удастся получить единую теорию поля, которая сможет предсказать все события во Вселенной. Ее Эйнштейн искал все последние годы своей жизни. Его попытки ничем не увенчались, поскольку он не признавал квантовую механику. Он не был готов примириться с тем, что Вселенная может иметь много альтернативных историй. Мы до сих пор не знаем, как правильно суммировать их, но мы можем быть вполне уверены, что наиболее подходящей средой будет воображаемое время, а пространство-время замкнется само на себя. Воображаемым временем и теперь не удивить любителей научной фантастики. Но это не научная фантастика и не математическая головоломка. Это то, что формирует Вселенную, в которой мы живем.

Глава девятая
Происхождение Вселенной [36 - Лекция, прочитанная на конференции «Триста лет гравитации» (Кембридж, июнь 1987 г.), посвященной 300-летней годовщине публикации «Математических начал натуральной философии» Ньютона.]

   Проблема происхождения Вселенной сродни вопросу о том, что было вначале – курица или яйцо. Другими словами, какая канцелярия ответственна за создание Вселенной и что породило саму эту канцелярию? А может быть, Вселенная или канцелярия, создавшая ее, существовали вечно и вовсе не нуждались в том, чтобы их создавали. До недавнего времени ученые стыдливо отворачивались от этих вопросов, ссылаясь на то, что они принадлежат к сфере метафизики или религии и с наукой имеют мало общего. Однако за последние несколько лет выяснилось, что научные законы могут действовать даже в момент зарождения Вселенной. В этом случае Вселенная является самодостаточной и полностью подчиняющейся научным законам.
   Дебаты о возникновении Вселенной продолжались на всем протяжении человеческой истории. Существует два основных направления человеческой мысли. Многие традиционные учения, в том числе иудаизм, христианство, ислам, утверждают, что Вселенная была создана в сравнительно недавнем прошлом. (В XVII столетии архиепископ Ашшер даже определил точную дату создания Вселенной – 4004 год до Рождества Христова; он пришел к этому, сложив возрасты ветхозаветных персонажей). В поддержку идеи относительно недавнего возникновения цивилизации говорит то, что человечество продолжает активно эволюционировать в области культуры и технологии. Мы помним имена многих первооткрывателей и изобретателей. Эти аргументы свидетельствуют: наша цивилизация существует не так давно, иначе уровень ее развития был бы значительно выше. Фактически, библейская дата создания мира недалеко отстоит от окончания последнего ледникового периода, т. е. того времени, когда появилось современное человечество.
   С другой стороны, были такие ученые, как греческий философ Аристотель, которому не нравилась сама идея о том, что у Вселенной было начало. Они чувствовали, что под этим началом подразумевается божественное вмешательство. Они предпочитали считать, что Вселенная существовала и будет существовать вечно. Вечное казалось им более совершенным, чем то, что могло быть сотворено. У них был хороший ответ на аргумент об относительно невысоком уровне человеческого прогресса: периодические потопы и другие природные катаклизмы постоянно отбрасывают человечество к началу его пути.
   Обе эти школы экзистенциальной мысли считали, что Вселенная существенно не меняется со временем. Либо она была создана в ее нынешней форме, либо она существует в таком виде вечно. Понятно, почему появилось это убеждение: человеческая жизнь, даже история всей нашей цивилизации так коротки, что за это время Вселенная и не могла сильно измениться. В стационарной неменяющейся Вселенной вопрос о том, существовала ли она всегда либо была создана в определенный момент времени в прошлом, скорее относится к области метафизики или религии: здесь справедлива каждая из этих теорий. И на самом деле, в 1781 году философ Иммануил Кант написал свою монументальную и весьма туманную работу «Критика чистого разума», в которой он пришел к выводу, что существуют одинаково убедительные аргументы как для Вселенной, имеющей начало, так и для вечной Вселенной. Как подразумевает название трактата, его выводы были основаны на чистом рассудке; другими словами, они не принимали во внимание никакие наблюдения за космосом. В конце концов, что вообще наблюдать в неменяющейся Вселенной?
   В XIX веке, однако, стали накапливаться доказательства, что Земля и остальная Вселенная меняются со временем. Геологи поняли, что возраст скал и ископаемых остатков в них составляет сотни и даже тысячи миллионов лет. Это было намного больше, чем возраст Земли, вычисленный креационистами. Еще одним доказательством стал так называемый второй закон термодинамики, сформулированный немецким физиком Людвигом Больцманом. Согласно этому закону общее количество беспорядка (энтропии) во Вселенной со временем только возрастает. Этот аргумент, подобно аргументу о человеческом прогрессе, предполагает, что Вселенная может существовать только конечное время. Иначе она уже пришла бы в состояние полнейшего беспорядка, при котором все температуры стали бы одинаковыми.
   Еще одна трудность стационарной Вселенной заключалась в том, что согласно закону всемирного притяжения Ньютона каждая звезда во Вселенной должна притягиваться ко всем остальным звездам. Почему же тогда они остаются неподвижными и расстояния между ними не меняются? Не должны ли они все упасть друг на друга?
   Ньютон понимал важность этой проблемы. Он написал письмо Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, в котором признавал, что звезды не могут оставаться неподвижными, если их число конечно. Все такие звезды должны собраться в некоторой центральной точке. Однако, продолжал Ньютон, если звезд бесконечное количество, они не будут стремиться упасть в центральную точку, потому что такой точки просто не существует. Этот аргумент является примером того, какие подводные камни могут поджидать мыслителя, рассуждающего о бесконечных системах. Силы, действующие на каждую звезду со стороны бесконечного числа других звезд во Вселенной, можно складывать разными способами и получать при этом разные ответы, которые отнюдь не помогут понять, будут ли меняться расстояния между звездами. Процедура является корректной в том случае, когда мы рассматриваем конечную область пространства со звездами и постепенно расширяем эту область, добавляя звезды, которые распределены более-менее равномерно вокруг этой области. Если количество звезд ограничено, они соберутся в одной точке и в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона даже дополнительные звезды, лежащие вне этой области, не остановят их коллапса. Таким образом, бесконечное множество звезд не сможет оставаться в неподвижном состоянии. Если они не двигаются относительно друг друга, притяжение между ними заставит их начать неумолимое движение навстречу друг другу. Наоборот, они могут удаляться друг от друга, тогда силы притяжения будут ослаблять скорости расхождения.
   Несмотря на эти трудности, связанные с представлением о стационарной и неменяющейся Вселенной, никто в XVII, XVIII, XIX и даже в начале XX столетия не предполагал, что Вселенная может эволюционировать со временем. И Ньютон, и Эйнштейн могли бы заявить, что Вселенная может сжиматься или расширяться, но они упустили свой шанс. Почему этого не сделал Ньютон, понятно: он все-таки жил за двести пятьдесят лет до того, как расширение Вселенной было подтверждено наблюдениями. Но Эйнштейну такое упущение простить трудно. Из общей теории относительности, которую он сформулировал в 1915 году, прямо следовало, что Вселенная расширяется. Но Эйнштейн так слепо верил в стационарную Вселенную, что ввел дополнительную постоянную в свою теорию, чтобы согласовать ее с законом всемирного тяготения Ньютона и уравновесить силы притяжения.
   Эдвин Хаббл в 1929 году открыл расширение Вселенной, и это открытие направило дискуссию о ее происхождении в новое русло. Если вы мысленно повернете вспять все галактики, которые сейчас разбегаются, окажется, что все они должны были «сидеть» друг на дружке в некий момент времени в прошлом, примерно десять или двадцать миллиардов лет назад. В этот момент, который соответствовал сингулярности под названием Большой взрыв, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными. При таких условиях все известные научные законы нарушались бы. Для научного познания это катастрофа. Это означало бы, что науке никогда ничего не будет известно о том, как возникла Вселенная. Все, что мы могли бы сказать, сводилось бы к фразе типа: Вселенная сейчас такова, какова она есть, потому что она была такой, какой она была. Но наука не может объяснить, почему Вселенная была такой, какой она была, сразу после Большого взрыва.
   Не удивительно, что многих ученых такое положение дел не устраивало. Было предпринято несколько попыток обойтись без сингулярности Большого взрыва и тезиса о начале времен. В частности, была создана теория стационарной Вселенной. Идея заключалась в том, что в процессе разбегания галактик в промежутках между ними образуются новые галактики из вновь появляющегося вещества. Из этой теории следовало, что Вселенная существовала и будет существовать всегда примерно в том же виде, как сегодня.
   Чтобы сохранить концепцию расширяющейся Вселенной и образования нового вещества, стационарная модель требовала модификации ОТО, причем требуемая скорость образования вещества была очень низкой: около одной частицы на кубический километр в год, что в принципе не противоречило наблюдениям. Теория также предсказывала, что средняя плотность галактик и подобных им объектов должна быть постоянной как в пространстве, так и во времени. Однако обзор источников радиоволн за пределами нашей галактики, проведенный группой Мартина Райла в Кембридже, показал, что слабых источников гораздо больше, чем сильных. Логично было предположить, что в среднем слабые источники являются более удаленными. Таким образом, этот факт мог иметь двойное объяснение: либо мы находимся в области Вселенной, в которой сильные источники в среднем встречаются реже, либо плотность источников была выше в прошлом, а мы сейчас наблюдаем сигналы от этих удалившихся от нас источников. Ни одна из этих возможностей не согласовывалась со стационарной теорией, которая предсказывала, что плотность радиоисточников должна быть постоянной в пространстве и времени. Последний удар этой теории был нанесен открытием микроволнового фонового излучения, сделанного в 1964 году Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. Это излучение было обнаружено далеко за пределами нашей Галактики. Спектр этого излучения соответствовал излучению нагретого тела, хотя в этом случае термин «нагретый» едва ли уместен, поскольку температура была лишь на 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Воистину, Вселенная – холодное и темное место! В рамках стационарной теории не существовало никакого разумного механизма, позволяющего генерировать микроволны с таким спектром. Поэтому эту теорию пришлось отбросить.
   Еще одну идею, как избежать сингулярности Большого взрыва, предложили советские ученые Евгений Лифшиц и Исаак Халатников в 1963 году. Они отметили, что состояние бесконечной плотности может наступить только в случае движения галактик прямо навстречу друг другу или друг от друга; только тогда в прошлом они могли бы встретиться в определенной точке. Но галактики могли также иметь небольшие скорости, направленные вбок, и это допускало возможность существования более ранней стадии сжатия Вселенной, при которой галактики могли пройти очень близко друг к другу, при этом избежав столкновения. Затем Вселенная могла снова перейти к стадии расширения, минуя состояние бесконечной плотности.
   В то время, когда Лифшиц и Халатников высказали свое предположение, я был аспирантом в стадии поиска подходящей задачи для защиты диссертации. Я интересовался вопросами, связанными с сингулярностью Большого взрыва, потому что они были очень существенны для понимания происхождения Вселенной. Мы с Роджером Пенроузом разработали несколько новых математических методов для решения этой и других подобных проблем. Мы показали, что если общая теория относительности верна, любая разумная модель Вселенной должна иметь сингулярность в качестве начальной точки. Это означало бы научное доказательство того, что Вселенная должна иметь начало, но одновременно и то, что наука не может предсказать, каким было это начало: для этого опять приходилось апеллировать к Господу Богу.
   Интересно проследить, как менялись точки зрения по поводу сингулярности. Когда я заканчивал университет, никто не относился к этому серьезно. Теперь, после доказательства теорем о сингулярности, почти все верят, что Вселенная началась в точке сингулярности, в которой нарушаются все законы физики. Однако я сейчас думаю, что, несмотря на сингулярность, законы физики по-прежнему могут выполняться в момент зарождения Вселенной.
   Общая теория относительности относится к типу классических теорий. То есть она не принимает в расчет тот факт, что частицы не имеют точно определенных положений и скоростей, а «размазаны» по небольшой области вследствие квантовомеханического принципа неопределенности, который не позволяет одновременно измерять как положение, так и скорость. Это не имеет значения в обычных ситуациях, потому что радиус кривизны пространства-времени очень велик по сравнению с неопределенностью в положении частицы. Однако теоремы сингулярности указывают, что пространство-время будет сильно искажаться и иметь малый радиус кривизны в начале текущей фазы расширения Вселенной. В этой ситуации принцип неопределенности будет очень важен. Таким образом, ОТО сама себе предрекает гибель, предсказывая сингулярности. Чтобы обсуждать начало Вселенной, нам нужна теория, которая объединяет ОТО с квантовой механикой.
   Основы такой теории есть. Это теория квантовой гравитации. Мы еще не знаем точную форму, которую примет теория квантовой гравитации. Наилучший кандидат в настоящий момент – теория суперструн, однако в ней остается много неразрешенных проблем. Однако любая жизнеспособная теория должна обладать некоторыми определенными особенностями. Одна из них – идея Эйнштейна о том, что эффекты гравитации могут быть представлены пространством-временем, которое искривлено, или искажено (деформировано), находящимися в нем веществом и энергией. Объекты пытаются двигаться по прямой в этом искривленном пространстве. Но поскольку оно искривлено, их траектории окажутся изогнутыми, как будто бы их изогнуло гравитационное поле.
   Еще один элемент, присутствие которого ожидается в абсолютной теории, это предложение Ричарда Фейнмана о том, что квантовую теорию можно сформулировать в виде «суммы предысторий». В простейшей форме идея заключается в том, что каждая частица имеет все возможные траектории, или предыстории, в пространстве-времени. Каждая траектория, или предыстория, имеет вероятность, которая зависит от ее формы. Чтобы эта идея работала, нужно рассматривать предыстории, существовавшие в воображаемом времени, а не в реальном времени, в котором мы ощущаем себя живущими. Воображаемое время, кажется, принадлежит к области научной фантастики; тем не менее это хорошо разработанная математическая концепция. В определенном смысле о воображаемом времени можно думать как о направлении времени, расположенном под прямым углом к реальному времени. Надо сложить вероятности всех предысторий с определенными свойствами, такими как прохождение частицы через определенные точки в определенные моменты времени. Затем нужно проэкстраполировать этот результат обратно в реальное пространство-время, в котором мы живем. Это не очень распространенный подход к квантовой теории, но он дает такие же результаты, как и другие методы.
   В случае квантовой гравитации идея Фейнмана о суммировании предысторий сводится к суммированию различных возможных историй развития Вселенной, т. е. различных форм искривления пространства-времени. Такие искривленные варианты пространства-времени представляют собой историю Вселенной и всего, что в ней содержится. Прежде всего необходимо задать класс возможных искривленных пространств, которые должны быть включены в сумму предысторий. Выбор этих пространств определяет, в каком состоянии находится Вселенная. Если класс искривленных пространств, определяющих состояние Вселенной, включает пространства с сингулярностями, вероятности таких пространств не будут определяться теорией. Такие вероятности нужно будет задавать некоторым произвольным образом. Это означает, что наука не сможет предсказать вероятности таких сингулярных предысторий для пространства-времени. Соответственно, и поведение Вселенной не может быть объяснено с научной точки зрения. С другой стороны, состояние Вселенной может определяться суммой предысторий, включающих только несингулярные искривленные пространства. В этом случае Вселенная будет полностью подчиняться научным законам, и нам не придется привлекать никакую внешнюю по отношению к Вселенной силу для объяснения того, как она произошла. То, что мы определяем состояние Вселенной суммой исключительно несингулярных предысторий, подобно ситуации с пьяницей, который ищет свой ключ под фонарным столбом: может, он и не там потерял его, но это единственное место, где он надеется его найти. Состояние Вселенной не обязано определяться суммой только несингулярных предысторий, но мы выбираем именно такое состояние, потому что только для него существует научное обоснование Вселенной.
   В 1983 году мы с Джимом Хартлом предложили, чтобы состояние Вселенной задавалось суммой предысторий определенного класса. Этот класс состоял из искривленных пространств без сингулярностей, ограниченного размера, не имеющих границ или краев. Такие пространства напоминают поверхность Земли, но с двумя дополнительными измерениями. Поверхность Земли имеет ограниченную площадь, но на ней нет ни сингулярностей, ни границы, ни края. Я утверждаю это со знанием дела. Я объехал вокруг земного шара и нигде не свалился с него.
   Предложение, которое выдвинули мы с Хартлом, можно перефразировать так: граничное условие для Вселенной заключается в том, что она не имеет границ. Только в том случае, если Вселенная находится в этом безграничном состоянии, научные законы смогут определять вероятности всех возможных предысторий. И только в этом случае известные нам законы будут определять поведение Вселенной. Если же Вселенная находится в любом другом состоянии, класс искривленных пространств в сумме предысторий будет включать пространства с сингулярностями. И для определения вероятностей таких сингулярных предысторий нам придется привлекать некий принцип, выходящий за пределы известных науке законов. Этот принцип определяется чем-то внешним по отношению к нашей Вселенной. Он не может быть выведен исходя из того, что существует внутри нее. С другой стороны, если Вселенная находится в безграничном состоянии (в том смысле, в котором мы говорили), мы можем, в принципе, полностью определить поведение Вселенной, вплоть до границ применения принципа неопределенности.
   Конечно, с точки зрения науки было бы превосходно иметь Вселенную в таком безграничном состоянии, но как мы можем быть уверены в этом? Ответ заключается в том, что в условии об отсутствии границ содержатся некие следствия, предсказывающие, как должна вести себя Вселенная. Если эти предсказания не будут согласовываться с наблюдениями, мы сможем сделать вывод, что Вселенная не находится в безграничном состоянии. Таким образом, условие об отсутствии границ – это хорошее научное предположение в смысле подхода, сформулированного Карлом Поппером: оно может быть опровергнуто наблюдениями.
   Если наблюдения не будут согласовываться с предсказаниями, мы узнаем, что класс возможных предысторий должен содержать сингулярности. Но это практически все, что мы сможем узнать. Мы не сможем рассчитать вероятности предысторий с сингулярностями; поэтому мы не сможем предсказывать события во Вселенной. Кто-то может сказать, что сингулярная непредсказуемость не так уж и важна, раз это касается только Большого взрыва; в конце концов, это было порядка десяти или двадцати миллиардов лет тому назад. Но если мы ничего не можем сказать о событиях, происшедших в очень сильных гравитационных полях при Большом взрыве, мы также не можем предсказывать события, происходящие при коллапсе звезд. Только в нашей галактике звезды могут коллапсировать по несколько раз в неделю. Даже наши предсказатели погоды порой справляются со своей работой лучше.
   Опять-таки, кто-то может сказать: какое нам дело до того, что происходит на далеких звездах? Но все дело в том, что у квантовой теории есть одно свойство: все, что не запрещено, может произойти и когда-нибудь произойдет. Таким образом, если класс возможных предысторий включает в себя пространства с сингулярностями, эти сингулярности могут случиться где угодно, не только при Большом взрыве и не только в коллапсирующих звездах. И это будет означать, что мы вообще ничего не можем предсказать. И наоборот, тот факт, что мы обладаем способностью предсказывать события, является экспериментальным свидетельством того, что сингулярностей нет, а условие об отсутствии границ соблюдается.
   Так что же означает для Вселенной соблюдение условия об отсутствии границ? Поскольку все возможные предыстории для Вселенной в этом случае ограничены по протяженности, любая величина, используемая для измерения времени, будет иметь наибольшую и наименьшую величину. Таким образом, Вселенная будет иметь начало и конец. Началом в реальном времени будет являться сингулярность Большого взрыва. Но в воображаемом времени начало вовсе не будет сингулярностью. Это будет нечто вроде Северного полюса для Земли. Можно провести аналогию и сказать, что земная поверхность начинается на Северном полюсе, потому что там широта равна нулю. Хотя Северный полюс – самая обычная точка на Земле. Там нет ничего особенного, и на Северном полюсе действуют те же законы, что и по всей Земле. Аналогично этому событие, которое мы можем окрестить «началом Вселенной в воображаемом времени», будет совершенно обыкновенной точкой пространства-времени, такой же, как и остальные. Научные законы будут действовать в «начале» так же, как и везде.
   По аналогии с поверхностью Земли можно ожидать, что конец Вселенной будет похож на начало так же, как Северный полюс Земли похож на ее Южный полюс. Однако Северный полюс и Южный полюс соответствуют началу и концу Вселенной в воображаемом времени, но не в реальном времени, в котором мы живем. Если мы проэкстраполируем результаты суммирования по предысториям из воображаемого времени в реальное время, мы найдем, что начало Вселенной в реальном времени может сильно отличаться от конца.
   Мы с Джонатаном Холлиуэллом выполнили приблизительные расчеты того, что подразумевает условие отсутствия границ. Мы рассмотрели Вселенную как совершенно гладкий и однородный фон с небольшими возмущениями плотности. В реальном времени показалось бы, что Вселенная начинает свое расширение с очень маленького радиуса. Вначале расширение напоминало бы инфляцию, т. е. Вселенная удваивалась бы в размерах каждую мельчайшую долю секунды, так же, как каждый год удваиваются цены в некоторых странах. Мировым рекордсменом экономической инфляции являлась, наверное, Германия после Первой мировой войны, когда цена буханки хлеба взлетела с нескольких пфеннигов до нескольких миллионов марок за несколько месяцев. Но даже это ничто по сравнению с инфляцией, которая, по-видимому, имела место в ранней Вселенной, которая за мельчайшую долю секунды составляла миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз. Конечно, это было до нынешнего правительства.
   Инфляция оказалась хороша тем, что она привела к появлению Вселенной, гладкой и однородной на больших масштабах и расширяющейся с такой скоростью, чтобы избежать повторного сжатия. Инфляция была хороша еще тем, что она создала Вселенную со всем ее содержимым буквально из ничего. Когда Вселенная была точкой, как Северный полюс, в ней ничего не было. А теперь в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать, содержится по крайней мере 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

частиц. Откуда взялись все эти частицы? Ответ заключается в том, что теория относительности и квантовая механика допускают рождение материи из энергии в виде пар частица-античастица. А откуда взялась энергия, чтобы создать всю эту материю? Она была позаимствована из гравитационной энергии Вселенной. Огромный капитал в виде отрицательной гравитационной энергии, которым обладает Вселенная, точно уравновешивает положительную энергию материи. В течение инфляционного периода Вселенная брала очень большие займы у этой гравитационной энергии, чтобы профинансировать создание материи. В результате мы имеем триумф кейнсианской экономической теории: энергичную и расширяющуюся Вселенную, заполненную материальными объектами. Гравитационную энергию, которую Вселенная позаимствовала еще в «детстве», не придется возвращать до самого ее конца.
   Ранняя Вселенная не могла быть полностью однородной, иначе нарушался бы квантовомеханический принцип неопределенности. Должны были существовать отклонения от однородной плотности. Принцип отсутствия границ предполагает, что различия в плотности должны были вначале проявиться на основном уровне; они были первое время минимальными, допустимыми принципами неопределенности. Но во время инфляционного расширения эти различия усугублялись. После того как период инфляционного расширения закончился, Вселенная в некоторых местах стала расширяться быстрее, чем в других. В областях более медленного расширения гравитационное притяжение материи еще сильнее замедляло расширение. В конце концов эти области должны были прекратить расширение и начать сжиматься, чтобы образовать галактики и звезды. Таким образом, принцип отсутствия границ может объяснить сложную структуру, характерную для нашего мира. Однако в рамках этой гипотезы вполне ожидаемы и другие варианты возможных историй, каждая со своей собственной вероятностью. Не исключена и такая история, в которой лейбористы выиграли бы последние выборы в Британии, хотя вероятность этого и мала.
   Условие отсутствия границ открывает широкие возможности для обсуждения роли Господа Бога в делах Вселенной. В настоящее время укоренилась точка зрения, что Вселенная эволюционирует в соответствии с установленными законами. Эти законы могли быть предначертаны Творцом, но создается впечатление, что Он не вмешивается в дела Вселенной и не нарушает эти законы. До недавнего времени, однако, считалось, что эти законы не применимы к началу Вселенной. Право завести часы и направить Вселенную по пути, угодному Ему, предоставлялось Ему Самому. Таким образом, современное состояние Вселенной могло стать результатом выбора начальных условий, совершенного Создателем.
   Ситуация, однако, была бы совсем другой, если бы выполнялось какое-либо предположение, подобное условию об отсутствии границ. В этом случае физические законы работали бы даже при зарождении Вселенной, так что у Бога не было бы особой свободы в выборе начальных условий. Но, конечно, Он по-прежнему имел бы возможность выбирать законы, управляющие Вселенной. Но выбор был бы небольшой. Существовало бы только несколько непротиворечивых законов, которые привели бы к созданию сложных существ, подобных нам, осмелившимся задать вопрос: какова природа Бога?
   И даже если существует единственный комплект возможных законов, это всего лишь набор уравнений. Что наполняет эти уравнения жизнью и за счет чего возникла Вселенная, которой эти законы управляют? Является ли единая теория поля настолько всеобъемлющей, что порождает сама себя? Возможно, в силах ученых понять, как возникла Вселенная. Но наука не может ответить на вопрос, зачем она соизволила это сделать. Я, по крайней мере, ответа на этот вопрос не знаю.

Глава десятая
Квантовая механика черных дыр [37 - Статья опубликована в журнале Scientific American в январе 1977 г.]

   В первые три десятилетия XX века мы стали свидетелями появления трех теорий, которые полностью изменили представления человека о физике и о самой реальности. Ученые до сих пор пытаются понять, к чему могут привести их открытия и как их можно совместить друг с другом. Я имею в виду специальную теорию относительности (СТО) (1905 г.), общую теорию относительности (ОТО) (1915 г.) и теорию квантовой механики (около 1926 г.). Альберт Эйнштейн принимал деятельное участие в создании первой теории, был полностью ответственен за создание второй теории и сыграл важную роль в становлении третьей. При этом Эйнштейн так до конца и не смог принять квантовую механику из-за присущего ей элемента случайности и неопределенности. Его чувства по этому поводу были выражены в часто цитируемой фразе: «Бог не играет в кости». Большинство физиков, однако, с готовностью восприняли и СТО, и квантовую механику, потому что эти теории описывали эффекты, которые можно было наблюдать непосредственно. С другой стороны, ОТО большинством ученых была проигнорирована из-за чрезмерно усложненного математического аппарата, невозможности лабораторных проверок и чисто классического характера, делающего эту теорию несовместимой с квантовой механикой. Таким образом, ОТО пребывала в своего рода изгнании почти пятьдесят лет.
   Резкий рост астрономических наблюдений в начале 1960-х годов возродил интерес к классической ОТО. Казалось, что многие вновь открытые явления, такие как квазары, пульсары и компактные рентгеновские источники, указывают на существование очень сильных гравитационных полей, которые могли быть описаны только с помощью ОТО. Квазары – это звездоподобные объекты, которые должны быть во много раз ярче галактик, если оценивать расстояние до них по степени покраснения их спектров. Пульсары – это часто мигающие остатки сверхновых, которые рассматриваются как сверхплотные нейтронные звезды. Компактные рентгеновские источники, обнаруженные космическими аппаратами, также могут быть нейтронными звездами либо гипотетическими объектами еще большей плотности, а именно черными дырами [38 - 12 июня 2017 г. в Кремле вручали Государственные премии РФ 12 виднейшим представителям науки, медицины, культуры и искусства. Среди лауреатов был и Николай Иванович Шакура, профессор, доктор физ. – мат. наук, работающий в Государственном астрономическом институте им. П.К. Штернберга, входящем в состав МГУ им. М.В. Ломоносова. Его классическая работа «Черные дыры в двойных системах: наблюдательные проявления», написанная в соавторстве с академиком Р.А. Сюняевым (также ставшим в этот день лауреатом Государственной премии) и опубликованная в журнале Astronomy and Astrophysics (Астрономия и астрофизика) в 1973 году, фактически легла в основу огромной области астрофизики, посвященной этим загадочным объектам и способам их обнаружения. – Прим. ред.].
   Одной из проблем, с которой столкнулись физики, желавшие применить ОТО к этим вновь открытым или гипотетическим объектам, стала проблема совместимости ОТО с квантовой механикой. В течение последних лет появились некоторые факты, укреплявшие уверенность в том, что в скором будущем мы будем иметь полностью непротиворечивую квантовую теорию гравитации, которая будет сопряжена с ОТО для макроскопических объектов и, как многие надеются, будет свободна от математических бесконечностей, долгое время «наводивших порчу» на другие квантовые теории поля. Эти факты касаются недавно открытых квантовых эффектов, связанных с черными дырами, и обещают обнаружить убедительную связь между черными дырами и законами термодинамики.
   Теперь я хочу вкратце описать, как может появиться черная дыра. Представьте себе звезду в десять раз массивнее Солнца. Основную часть своей жизни (примерно миллиард лет) звезда в своем центре будет генерировать тепло за счет превращения водорода в гелий. Освобождаемая энергия будет нагнетать давление, достаточное для противодействия собственной гравитации звезды, и получится светило с радиусом в пять радиусов Солнца. Вторая космическая скорость (скорость убегания с поверхности звезды) составит порядка тысячи километров в секунду. Другими словами, объект, стартовавший вертикально вверх с поверхности звезды со скоростью менее тысячи километров в секунду, будет притянут обратно к поверхности звезды ее гравитационным полем, тогда как объект с большей скоростью покинет звезду и уйдет в бесконечность.
   Когда звезда исчерпает свое ядерное горючее, ничто более не сможет противостоять внешнему давлению и она начнет коллапсировать за счет сил собственной гравитации. По мере сжатия звезды гравитационное поле на ее поверхности становится сильнее и скорость убегания увеличивается. К тому моменту, когда радиус звезды сократится до тридцати километров, скорость убегания увеличится до 300 000 кмс, т. е. скорости света. После этого свет, излучаемый звездой, не сможет покидать ее поверхность, а будет притягиваться обратно гравитационным полем. Согласно СТО ничто не может двигаться быстрее света, поэтому если свет не может вырваться наружу, этого не сможет сделать ничто.
   В результате получится черная дыра: область пространства-времени, из которой никто и ничто не имеют ни малейшей надежды вырваться. Граница черной дыры называется горизонтом событий. Он соответствует волновому фронту света от звезды, который потерпел неудачу в своем «побеге» в бесконечность и остался парить над дырой на расстоянии радиуса Шварцшильда: 2GM/Öc, где G — гравитационная постоянная Ньютона, M — масса звезды и c — скорость света. Радиус Шварцшильда для звезды с массой порядка десяти солнечных масс составляет около тридцати километров.
   В настоящее время существуют достаточно хорошие наблюдательные доказательства того, что в двойных звездных системах типа Лебедь Х-1, содержащих рентгеновские источники, имеются черные дыры подобного размера [39 - Еще в 1964 г. советские астрофизики Я.Б. Зельдович и О.Х. Гусейнов предложили искать черные дыры в составе двойных звездных систем. В спектрах некоторых звезд, так называемых спектральных двойных, наблюдаются периодические смещения линий. Этот эффект объясняется вращением звезд вокруг общего центра масс. Если в спектре видны признаки только одной звезды, то другая, невидимая, может представлять собой черную дыру. – Прим. ред.]. Кроме того, во Вселенной могут существовать достаточно много черных дыр гораздо меньшего размера. Такие черные дыры могли образоваться не в результате коллапса звезд, а в результате коллапса сильно сжатых областей в плотной горячей среде, появившейся сразу после Большого взрыва, который привел к возникновению Вселенной. Эти «первичные» черные дыры представляют большой интерес с точки зрения квантовых эффектов, о которых я скажу далее. Такая черная дыра, с массой порядка миллиарда тонн (это масса порядочной горы), должна иметь радиус примерно 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

сантиметров (это размер нейтрона или протона). Ничто не мешает такой черной дыре притаиться где угодно: она может, например, вращаться вокруг Солнца или вокруг центра Галактики [40 - В центре нашей Галактики предположительно находится гигантская черная дыра. Непосредственно увидеть ее, конечно, нельзя, но можно исследовать структуру окружающего ее газопылевого облака. Недавно детали этой структуры удалось различить на радиочастотах с помощью «Радиоастрона», наземно-космического интерферометра со сверхдлинной базой. «Радиоастрон» состоит из радиотелескопа, установленного на российском космическом аппарате «Спектр-Р», выведенном на земную орбиту 18 июля 2011 г., и сети наземных радиотелескопов, расположенных в разных странах. Наземно-космический интерферометр с огромным расстоянием (базой) между телескопами позволяет получить изображение далеких космических объектов с очень большим разрешением. – Прим. ред.].
   Первые намеки на то, что черные дыры могут иметь непосредственное отношение к термодинамике, появились в 1970 году, когда математически было доказано, что площадь поверхности горизонта событий, который является граничной поверхностью черной дыры, возрастает при падении в черную дыру вещества или излучения. Более того, если две черные дыры столкнутся и сольются, образовав одну черную дыру, площадь горизонта событий вокруг получившейся черной дыры будет больше, чем просто сумма площадей горизонтов событий вокруг прежних черных дыр (до столкновения). Прослеживается определенная связь между таким поведением горизонта событий и концепцией энтропии в термодинамике. Энтропию можно рассматривать как меру беспорядка системы или, что эквивалентно, как отсутствие какого-либо знания о ее точном состоянии. Знаменитый второй закон термодинамики утверждает, что энтропия всегда увеличивается со временем.
   Аналогия между свойствами черной дыры и законами термодинамики была подробно рассмотрена тремя учеными. Один из них – Джеймс М. Бардин из Вашингтонского университета, другой – Брэндон Картер, который работает в обсерватории в Медоне, а третий – ваш покорный слуга. Первый закон термодинамики говорит, что небольшое изменение энтропии системы сопровождается пропорциональным изменением энергии системы. Коэффициент пропорциональности называется температурой системы. Мы с Бардином и Картером нашли аналогичный закон, связывающий массу черной дыры с площадью горизонта событий. Здесь коэффициент пропорциональности включает в себя величину, называемую поверхностной гравитацией, которая является мерой напряженности гравитационного поля на горизонте событий. Если принять идею, что площадь горизонта событий аналогична энтропии, то поверхностная гравитация будет аналогична температуре. Сходство усиливается благодаря тому факту, что поверхностная гравитация оказывается одинаковой во всех точках горизонта событий, совсем как температура, которая одинакова для всего тела, находящегося в тепловом равновесии.
   Хотя и существует сходство между энтропией и площадью горизонта событий, нам все-таки было до конца не очевидно, каким образом эта площадь соотносится с энтропией черной дыры. Что понимать под энтропией черной дыры? Большой прорыв в понимании этого вопроса осуществил в 1972 году Джейкоб Д. Бекенштейн, который заканчивал в то время Принстонский университет, а сейчас работает в университете в Негеве (Израиль). Дело заключается в следующем. После того, как в результате гравитационного коллапса образуется черная дыра, она быстро приходит в стационарное состояние, характеризуемое всего лишь тремя параметрами: массой, моментом количества движения и электрическим зарядом. Только эти три свойства сохраняются в «памяти» у черной дыры от того объекта, которым она была до коллапса. Этот вывод иногда формулируется так: «у черной дыры нет волос». Теорема была доказана в нашей совместной работе с Картером, Вернером Израэлем из Университета провинции Альберта (Канада) и Дэвидом К. Робинсоном из Королевского колледжа (Лондон).
   Положение о «лысой» черной дыре подразумевает, что огромное количество информации о звезде теряется при гравитационном коллапсе. Например, черная дыра не помнит, состояла ли ее звездная прародительница из вещества или антивещества, была ли ее форма сферической или сильно отличалась от нее. Другими словами, черная дыра с данной массой, моментом количества движения и электрическим зарядом может быть следствием коллапса самых разных конфигураций материи. Действительно, если пренебречь квантовыми эффектами, число таких конфигураций может быть бесконечно большим, поскольку черная дыра, среди прочего, может быть создана в результате коллапса облака, состоящего из неопределенно большого количества частиц неопределенно малой массы.
   Тем временем из квантовомеханического принципа неопределенности следует, что частица с массой m ведет себя как волна с длиной h/mc, где h – постоянная Планка (равная 6,62´10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

эргс), а c – скорость света. Чтобы облако частиц смогло образовать черную дыру в результате коллапса, эта длина волны должна быть меньше размера формируемой черной дыры. Поэтому, скорее всего, число конфигураций, из которых может получиться черная дыра с данной массой, моментом количества движения и электрическим зарядом, ограничено, хотя и очень большое. По предположению Бекенштейна, логарифм этого числа как раз и следует интерпретировать как энтропию черной дыры. Этот логарифм будет мерой количества информации, которая безвозвратно потеряна во время коллапса при прохождении через горизонт событий при создании черной дыры.
   В предположении Бекенштейна содержалось одно фатальное упущение: если черная дыра имеет конечную энтропию, пропорциональную площади горизонта событий, она также должна иметь конечную температуру, которая будет пропорциональна поверхностной гравитации. Это означает, что черная дыра может находиться в равновесии, испуская тепловое излучение с некоторой температурой, отличной от нуля. Но согласно классическим концепциям такое равновесие невозможно, так как черная дыра поглощала бы любое тепловое излучение, падающее на нее, но по определению не могла бы испустить ничего взамен.
   Этот парадокс сохранялся до начала 1974 года. В том году я исследовал, как будет вести себя вещество в окрестностях черной дыры в соответствии с квантовой механикой. К моему великому удивлению я обнаружил, что черная дыра, по-видимому, постоянно излучает частицы. Как и все остальные специалисты в это время, я принимал как должное то, что черная дыра вообще ничего не может излучать. Поэтому я потратил много усилий, чтобы избавиться от этого сбивающего с толку эффекта. Однако он не торопился сдаваться, и в конце концов я был вынужден уступить. В том, что я имею дело с реальным физическим процессом, меня окончательно убедило то обстоятельство, что исходящие частицы имеют чисто тепловой спектр; черная дыра создает и излучает частицы совершенно так же, как если бы она была обычным нагретым телом с температурой, пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Это делало предположение Бекенштейна о конечной энтропии черной дыры вполне состоятельным, означая тепловое равновесие черной дыры при некоторой конечной температуре, отличной от нуля.
   Впоследствии некоторые другие ученые, пользовавшиеся разными подходами, также математически подтвердили, что черные дыры могут испускать тепловое излучение. Попробуем понять один из возможных механизмов этого излучения. Квантовая механика говорит о том, что все пространство заполнено пáрами «виртуальных» частиц и античастиц, которые постоянно материализуются в парах, отделяются друг от друга, а затем сливаются вновь и аннигилируют. Эти частицы называются виртуальными, потому что в отличие от «реальных» частиц они не могут быть обнаружены детектором излучения. Тем не менее их косвенное влияние можно измерить. Существование виртуальных частиц было подтверждено небольшим сдвигом (сдвиг Лэмба) в спектре излучения возбужденного атома водорода. А теперь в присутствии черной дыры один член пары виртуальных частиц может упасть на черную дыру, лишая своего партнера возможности аннигилировать. Покинутая частица (или античастица) может последовать за бросившим ее партнером в глубь черной дыры, но она может и отправиться в бесконечный путь в другом направлении, где превратится в излучение от черной дыры.
   А теперь о том, как процесс может протекать по-другому. Давайте посмотрим на ту частицу из пары, которая падает на черную дыру (скажем, античастицу), как на реальную частицу, но путешествующую назад во времени. Таким образом, античастицу, падающую на черную дыру, можно рассматривать как частицу, вылетающую из черной дыры, но двигающуюся назад во времени. Когда частица достигает точки, в которой первоначально материализовалась пара частица-античастица, она рассеивается гравитационным полем и начинает двигаться вперед во времени.
   Квантовая механика, таким образом, в отличие от классической механики разрешает частице убежать из черной дыры. Кроме того, в атомной и ядерной физике есть много других ситуаций, в которых частицы не могут преодолеть существующий барьер с точки зрения классических принципов, но способны преодолеть его благодаря туннельному эффекту, благодаря квантовомеханическим принципам.
   Толщина барьера вокруг черной дыры пропорциональна ее размеру. Это означает, что из большой черной дыры, которая предположительно угнездилась в Лебеде X-1, может вырваться очень мало частиц, но из черных дыр меньших размеров частицы могут истекать очень быстро. Детальные расчеты показывают, что излученные частицы имеют тепловой спектр, соответствующий температуре, которая быстро возрастает с уменьшением массы черной дыры. Температура черной дыры с массой Солнца составляет всего одну стотысячную градуса выше абсолютного нуля. Тепловое излучение, оставляющее черную дыру с такой температурой, будет полностью поглощено общим фоном излучения во Вселенной. С другой стороны, черная дыра с массой всего лишь миллиард тонн (первичная черная дыра размером с протон) имела бы температуру порядка 120 миллиардов градусов Кельвина, что соответствует энергии в несколько десятков миллионов электрон-вольт. При такой температуре черная дыра могла бы рождать электрон-позитронные пары и частицы нулевой массы, такие как фотоны, нейтрино и гравитоны (предположительные носители гравитационной энергии). Мощность такой первичной черной дыры составляла бы 6000 мегаватт – столько энергии вырабатывают шесть больших атомных электростанций.
   При излучении частиц масса и размер черной дыры постоянно уменьшаются. Это облегчает побег частиц через туннель, т. е. излучение будет становиться все более интенсивным. Все это будет продолжаться, пока излучение черной дыры не истощит ее окончательно. В конце концов этот сценарий приведет к испарению всех черных дыр во Вселенной. Большим черным дырам потребуется для этого очень много времени; черная дыра солнечной массы продержится примерно 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

лет. С другой стороны, первичные черные дыры уже должны были почти полностью испариться за те десять миллиардов лет, которые прошли после Большого взрыва, означающего для нас начало Вселенной. Такие черные дыры сейчас должны излучать жесткие гамма-лучи с энергией порядка 100 миллионов электрон-вольт.
   В свое время мы с Доном Н. Пейджем (на тот момент сотрудником Калифорнийского технологического института) проделали расчеты, основанные на измерении космического фона гамма-излучения со спутника SAS-2 [41 - SAS-2 (Small Astronomy Satellite-2) – второй спутник из серии малых астрономических спутников. Спутник был запущен с гамма-телескопом, произведенным в Центре космических полетов им. Годдарда НАСА. Телескоп начал работу 27 ноября 1972 г. и прослужил до 8 июня 1973 г. После сбоя передача данных на Землю прекратилась. – Прим. ред.]. Наши расчеты показали, что средняя плотность первичных черных дыр во Вселенной должна быть меньше двух сотен на кубический световой год [42 - Световой год – расстояние, которое свет, двигаясь в вакууме, проходит за один земной год. – Прим. ред.]. Если первичные черные дыры не являются однородно распределенными во Вселенной, а сосредоточены в так называемых галактических гало (слабых сферических облаках звезд и звездных скоплений вокруг основного галактического диска), локальная плотность первичных черных дыр в нашей галактике должна быть в миллион раз выше. И тогда может статься, что ближайшая черная дыра притаилась, например, на орбите Плутона.
   Финальная стадия испарения черной дыры должна протекать чрезвычайно быстро и закончиться грандиозным взрывом. Мощность этого взрыва зависит от типа элементарных частиц, составляющих основу всех элементов. Если, как полагают сейчас, все частицы состоят из шести разновидностей кварков, энергия финального взрыва будет эквивалентна десяти миллионам водородных бомб мощностью в 1 мегатонну. Есть и другая гипотеза, которую выдвинул Р. Хейдждорн из ЦЕРНа, Европейской организации ядерных исследований (Женева): существует бесконечное количество элементарных частиц все более высокой массы. По мере того как черная дыра становится все меньше и горячее, она будет излучать все большее количество разных частиц, и взрыв, который ее настигнет, будет примерно в сто тысяч раз более мощным, чем в кварковой модели. Если нам посчастливится наблюдать взрыв черной дыры, мы получим очень важную информацию по физике элементарных частиц. И она будет уникальной, потому что никаким другим способом ее получить невозможно.
   Взрыв черной дыры приведет к интенсивному гамма-излучению высоких энергий. Его можно наблюдать на борту спутников или высотных аэростатов с помощью детекторов гамма-излучения, но это достаточно сложная задача. Детектор должен иметь большие размеры, чтобы суметь перехватить достаточное количество гамма-фотонов от одного взрыва. Можно, например, использовать многоразовый космический корабль-челнок для постройки большого гамма-детектора на орбите Земли. Можно также использовать верхнюю атмосферу Земли как детектор – это и легче, и дешевле. Гамма-излучение высокой энергии, погружаясь в земную атмосферу, создает ливень из электрон-позитронных пар, которые первоначально будут лететь в атмосфере быстрее света [43 - Теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы высоких энергий, не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Но в прозрачных средах свет движется с меньшей скоростью: в стекле или в воде, например, свет распространяется со скоростью, составляющей 60–70 % от скорости света в вакууме, и ничто не мешает быстрой частице (например, протону или электрону) двигаться быстрее света в такой среде. – Прим. ред.]. (Свет замедляется взаимодействиями с молекулами воздуха.) Таким образом, электроны и позитроны [44 - Позитроны – «положительные» электроны, частицы антивещества с электрическим зарядом +1 и массой, равной массе электрона. Экспериментально были открыты в составе космических лучей в 1932 г., хотя их существование было предсказано задолго до этого. – Прим. ред.] вызывают в электромагнитном поле явление, подобное звуковому хлопку, или ударной волне. Такая ударная волна, называемая излучением Черенкова, может быть замечена с поверхности Земли в виде вспышки видимого света.
   Предварительный эксперимент, который провели Нил А. Портер и Тревор К. Викс из Университетского колледжа в Дублине, показал: если черные дыры взрываются по сценарию Хейдждорна, то в нашей области Галактики будет меньше двух взрывов черных дыр на кубический световой год в столетие. Это предполагает, что плотность первичных черных дыр меньше 100 миллионов на кубический световой год. Конечно, было бы хорошо увеличить точность таких экспериментов. Эти наблюдения, даже если они не приведут к уверенному доказательству существования первичных черных дыр, будут очень ценными. Если наблюдения покажут, что верхний предел на плотность таких черных дыр является низким, это будет означать, что ранняя Вселенная была очень ровной, гладкой и не склонной к турбулентностям.
   Большой взрыв похож на взрыв черной дыры, только в гораздо более широких масштабах. Поэтому можно надеяться, что когда мы поймем, как черные дыры рождают частицы, мы также поймем, как Большой взрыв породил все то, что нас окружает. В черной дыре вещество коллапсирует и исчезает навсегда, но вместо него рождается новое вещество. Вполне возможно, что на раннем этапе Вселенной вещество коллапсировало, чтобы быть рожденным заново в Большом взрыве.
   Если вещество, коллапсирующее в черную дыру, имеет суммарный электрический заряд, отличный от нуля, получившаяся черная дыра будет нести тот же заряд. Это означает, что черная дыра будет притягивать тех партнеров из виртуальных пар частица-античастица, которые имеют противоположный заряд, и отталкивать тех, который несут аналогичный заряд. Поэтому черная дыра будет преимущественно излучать частицы с зарядом того же знака, что и у нее, и, следовательно, быстро потеряет свой заряд. Подобным образом, если коллапсирующее вещество имеет суммарный вращательный момент, возникающая черная дыра будет вращаться и преимущественно испускать частицы, уносящие ее вращательный момент. Причиной, по которой черная дыра «помнит» электрический заряд, вращательный момент и массу коллапсирующего вещества, «забывая» все остальное, является то, что эти три величины привязаны к полям большого радиуса действия: электрические заряды – к электромагнитному, а вращательный момент и масса – к гравитационному.
   Эксперименты, проведенные Робертом Г. Дикке из Принстонского университета и Владимиром Брагинским из Московского государственного университета, показали, что не существует поля большого радиуса действия, связанного с таким квантовым свойством, как барионное число. (Барионы – класс частиц, включающий протоны и нейтроны.) Следовательно, черная дыра, образованная в результате коллапса совокупности барионов, забудет свое барионное число и будет излучать равные количества барионов и антибарионов. Поэтому исчезновение черной дыры нарушает один из самых заветных и лелеемых законов физики элементарных частиц: закон сохранения барионного числа.
   Хотя гипотеза Бекенштейна о конечной энтропии черных дыр требует для своей полной состоятельности, чтобы излучение черных дыр было тепловым, на первый взгляд кажется невероятным, что из детальных квантовомеханических расчетов рождения частиц также следует излучение теплового спектра. Объяснение состоит в том, что частицы излучаются за счет туннельного эффекта из черной дыры, из области, о которой внешний наблюдатель не знает ничего, кроме ее массы, вращательного момента и электрического заряда. Это означает, что все комбинации или конфигурации излученных частиц, имеющие одинаковую энергию, вращательный момент и электрический заряд, равновероятны. Действительно, возможно даже, что черная дыра излучит телевизор или десятитомник Пруста в кожаном переплете, но количество конфигураций частиц, соответствующих этим экзотическим возможностям, пренебрежимо мало. Вне всяких сомнений, наибольшее количество конфигураций соответствует излучению со спектром, близким к тепловому.
   Излучение черных дыр имеет дополнительную степень неопределенности и непредсказуемости по сравнению с тем, которое может быть описано квантовомеханическими законами. Руководствуясь законами классической механики, мы можем предсказать результаты измерения как положения, так и скорости частицы. В квантовой механике действует принцип неопределенности, который утверждает, что только один из этих параметров может быть точно измерен: либо положение, либо скорость, но никак не оба одновременно. Можно также предсказать результат измерения комбинации этих двух величин. Таким образом, способность наблюдателя делать точные предсказания по существу уменьшается вдвое. С черными дырами дело обстоит еще хуже. Поскольку частицы, излученные черной дырой, прилетают из области, о которой мы имеем весьма смутное представление, мы не можем точно предсказать ни положение, ни скорость частицы, ни даже сочетание этих двух параметров; все, что мы можем оценить, это вероятности излучения определенных частиц. И поэтому Эйнштейн, сказавший свою знаменитую фразу «Бог не играет в кости», ошибся дважды. Излучение частиц черными дырами свидетельствует о том, что Бог не только играет в кости, но к тому же иногда играет не совсем по правилам.

Глава одиннадцатая
Черные дыры и молодые вселенные [45 - Лекция прочитана в пользу фонда Хичкока в Калифорнийском университете в Беркли в апреле 1988 г.]

   Падение внутрь черной дыры неоднократно использовалось авторами жанра научной фантастики в самых волнующих эпизодах. На самом деле, черные дыры уже перекочевали из области научной фантастики в область строгой науки. Есть веские основания полагать, что черные дыры реально существуют. Наблюдения подтверждают, что черные дыры имеются в нашей собственной Галактике; еще больше их может быть в других галактиках.
   Особенно часто научные фантасты рассуждают о том, что произойдет с путешественником, попавшим в черную дыру. Обычно авторы в своих фантазиях доходят до того, что при падении во вращающуюся черную воронку вы можете проникнуть через небольшое отверстие в пространстве-времени в другую область Вселенной. Это, конечно, открывает широкие возможности для космических путешествий. Действительно, для полетов к другим звездам, не говоря уже о других галактиках, нам нужно что-то в этом роде. Иначе путешествие туда и обратно займет не меньше восьми лет, даже до ближайшей звезды. Ведь наш корабль не может двигаться быстрее скорости света. О том, чтобы провести выходные на Альфа Центавра, даже и не мечтайте! С другой стороны, если пройти через черную дыру, то можно вынырнуть где угодно. Маршрут вашего путешествия будет весьма неопределенным: вы можете направиться на каникулы в созвездие Девы, а попадете в Крабовидную туманность.
   Я прошу прощения, но мне придется расстроить будущих галактических туристов: этот сценарий не работает. Если вы прыгнете в черную дыру, вас тут же разорвет на части. Есть, правда, вероятность того, что частицы, из которых состоит ваше тело, выживут и попадут в другую вселенную. Не знаю, насколько это послужит утешением путешественнику, который в этой дыре превратится в спагетти.
   Несмотря на довольно легкомысленный тон, с которым я начал эту главу, то, что я скажу дальше, основано на строгих научных данных. С недавних пор мою точку зрения разделяют и другие ученые, работающие в этой области. Конец этой главы, однако, посвящен проблеме, вокруг которой все еще ведутся споры. И интерес к ней постоянно растет.
   Идея объекта, который мы сейчас называем черной дырой, родилась более двухсот лет тому назад, хотя сам термин «черная дыра» был введен в 1967 году американским физиком Джоном Уилером. Это был гениальный ход: уже само имя гарантировало, что черные дыры станут непременным атрибутом научно-фантастической литературы. Для исследователей тоже был прок: объекты, которые раньше именовались как попало, получили звучное имя. А в науке очень важно дать хорошее имя тому, что вы собираетесь исследовать.
   Насколько я знаю, первый человек, который заговорил о черных дырах, был Джон Митчелл, ученый из Кембриджа. Он написал статью об этом в 1783 году. Представьте, что вы стреляете из пушки вертикально вверх с поверхности Земли. Полет ядра, стремящегося вверх, будет замедляться силами гравитации. В конце концов оно прекратит полет и упадет обратно на Землю. Если же ядро отправится в полет со скоростью, превышающей некую критическую скорость, оно никогда не остановит своего полета и не упадет, а продолжит улетать прочь. Эта критическая скорость называется скоростью убегания. Для Земли эта скорость равна примерно одиннадцать, а для Солнца – сто шестьдесят километров в секунду. Обе эти скорости превышают возможную скорость полета пушечного ядра, но они намного меньше скорости света, которая составляет 300 000 кмс. Это означает, что гравитация не сильно влияет на свет: свет без труда покидает и Землю, и Солнце. Но Митчелл рассуждал так: возможно, существуют звезды, которые существенно массивнее и гораздо меньше по размерам, так что скорость убегания от них превышает скорость света. Мы не сможем увидеть такую звезду, потому что свет с ее поверхности не дойдет до нас – его вернет назад гравитационное поле звезды. Однако мы в состоянии обнаружить присутствие такой звезды по влиянию ее гравитационного поля на окружающее вещество.
   Конечно, свет – это вам не пушечное ядро. Эксперимент, проведенный в 1897 году, показал, что свет движется всегда с постоянной скоростью. Каким же образом притяжение может затормозить свет? Стройная теория о влиянии гравитации на свет появилась только в 1915 году, когда Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности (ОТО). Однако возможности ее применения к старым звездам и другим массивным телам осознали только в 1960-е годы.
   Согласно ОТО пространство и время совместно можно рассматривать как четырехмерное пространство, называемое пространством-временем. Это пространство не является плоским: оно искривлено, или изогнуто, находящимися в нем веществом и энергией. Мы замечаем эту кривизну, наблюдая отклонения света или радиоволн, которые проходят мимо Солнца в направлении к Земле. Когда свет проходит мимо Солнца, он очень мало отклоняется от прямого пути. Однако если бы Солнце сжалось до нескольких километров в поперечнике, отклонение было бы настолько большим, что свет не смог бы покинуть Солнце, а был бы притянут к нему его гравитационным полем. Согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света; поэтому появится такая область, которую никто и ничто не сможет покинуть. Эта область и называется черной дырой, а ее граница – горизонтом событий. Этот горизонт создается светом, который не в силах покинуть черную дыру и поэтому «парит» на этом горизонте.
   Может показаться смешным, что Солнце могло бы сжаться до нескольких километров в диаметре. Неужели материя может так сильно сжиматься? Оказывается, может.
   Солнце такое большое, потому что оно такое горячее. Оно превращает водород в гелий, как это происходит в водородной бомбе. Тепло, выделяемое при этом, создает давление, позволяющее Солнцу противостоять собственной гравитации, которая стремится его сжать.
   Запас ядерного топлива на Солнце когда-нибудь закончится. Но не торопитесь заказывать билеты на другие звезды: Солнце будет радовать нас еще примерно пять миллиардов лет. Однако звезды массивнее Солнца сожгут свое горючее гораздо быстрее. Как только звездная топка погаснет, звезда сразу начнет остывать и сжиматься. Если ее масса не превышает двух масс Солнца, когда-нибудь она прекратит сжиматься и будет пребывать в стабильном состоянии. Одно из таких состояний называется белым карликом. Такой карлик имеет радиус несколько тысяч километров и плотность несколько сотен тонн на кубический сантиметр. Другое возможное состояние – нейтронная звезда. Радиус нейтронной звезды составляет порядка десяти километров, а плотность – миллионы тонн на кубический сантиметр.
   В нашей Галактике по соседству мы можем наблюдать множество белых карликов. Нейтронные звезды удалось обнаружить только в 1967 году, когда Джоселин Белл и Энтони Хьюиш в Кембридже открыли объекты, названные пульсарами. Эти объекты излучали регулярные импульсы на радиочастотах. Вначале ученые подумали, что установили контакт с внеземной цивилизацией. Я помню, что конференц-зал, в котором они рассказывали о своем открытии, был украшен фигурками «маленьких зеленых человечков». Но в конце концов все пришли к менее романтическому выводу: обнаруженные объекты оказались вращающимися нейтронными звездами. Это было плохой новостью для авторов космических вестернов, но хорошей новостью для нас, ученых, которые верили в существование черных дыр. Если звезда может сжаться до радиуса в десять или двадцать километров, чтобы стать нейтронной звездой, то тогда от других звезд можно ожидать, что они сожмутся до черной дыры.
   Из звезды с массой более двух солнечных масс не получится ни белого карлика, ни нейтронной звезды. Иногда звезда может взорваться и сбросить лишний вес. Но такое случается редко. Некоторые звезды сожмутся чрезвычайно, и их гравитационное поле будет искривлять свет настолько, что он будет возвращаться на звезду. Ни свет, ни что-либо другое не вырвется за пределы звездного притяжения. Звезда станет черной дырой.
   Законы физики симметричны относительно направления времени. Поэтому если существуют черные дыры, в которые все проваливается, но из которых ничего не выбирается, должны быть и другие объекты, которые настроены только на «выход», а «вход» в них закрыт. Вполне можно назвать такие объекты белыми дырами. Можно пофантазировать и представить себе, как мы прыгаем в черную дыру в одном месте, а вылетаем из белой дыры в другом. Это был бы самый лучший способ путешествовать на дальние расстояния, о чем мы упоминали раньше. Все, что остается сделать, дабы отправиться в такое путешествие, – отыскать ближайшую черную дыру.
   Вначале такие космические путешествия не выглядели как нечто невероятное. Существуют решения уравнений ОТО, которые предполагают возможность входа в черную дыру и последующего выхода из белой дыры. Однако позднее было показано, что все эти решения являются очень неустойчивыми: малейшее возмущение, например, от самого космического корабля, и «кротовая нора» разрушится (кротовая нора – переход, ведущий из черной дыры в белую). Космический корабль будет разорван в клочья бесконечно мощными силами. Путешествие в бочонке, летящем вниз с водопада Ниагара, лишь бледное подобие того, что вас может ожидать в кротовой норе [46 - Кротовые норы (от англ. wormhole – червоточина) – гипотетические пространственно-временные тоннели во Вселенной. Могут соединять как разные вселенные, так и разные части одной вселенной. Академик РАН Н.С. Кардашев, в частности, высказал предположение, что одна из таких кротовых нор находится в центре нашей Галактики. Уравнения ОТО допускают существование таких тоннелей в четырехмерном пространстве-времени, если они заполнены экзотической материей с отрицательной плотностью энергии. – Прим. ред.].
   Иллюзии разрушились. Черные дыры могут пригодиться лишь для того, чтобы избавиться от мусора и в крайнем случае – от надоедливых друзей. И теперь черная дыра стала «страной, откуда ни один не возвращался» [47 - Цитата из знаменитого монолога Гамлета «Быть или не быть» (Шекспир, «Гамлет», акт 3, сцена 1; пер Б. Пастернака): «Когда бы неизвестность после смерти, боязнь страны, откуда ни один не возвращался, / не склоняла воли мириться лучше со знакомым злом, / чем бегством к незнакомому стремиться!» – Прим. ред.]. Все, что я говорил до сих пор, было основано на расчетах с использованием ОТО. Теория находится в прекрасном согласии со всеми наблюдениями, которыми мы располагаем. Но все же до конца верной она быть не может, потому что не включает в себя квантовомеханический принцип неопределенности: мы не можем знать одновременно точное положение и точную скорость частицы. Чем более точно мы измеряем ее скорость, тем более «расплывчатым» становится ее положение, и наоборот.
   В 1973 году я попытался соединить принцип неопределенности и теорию черных дыр. К моему, и не только моему, удивлению выяснилось, что введение принципа неопределенности делает черные дыры не вполне черными. Оказалось, что они могут испускать из себя излучение и частицы в достаточно устойчивом режиме. Когда я представил свои результаты на конференции, проходившей в пригороде Оксфорда, никто не поверил. Председатель сессии сказал, что это полнейшая чепуха, и даже написал разгромную статью о моем выступлении. Но потом нашлись люди, которые повторили мои расчеты и получили тот же результат. В конце концов даже председатель вынужден был согласиться, что я прав.
   Как может излучение вырываться из гравитационного поля черной дыры? Есть несколько путей осмысления этого эффекта. Хотя они кажутся разными, принцип один и тот же. Один путь – признать, что принцип неопределенности разрешает частицам двигаться быстрее света на коротких расстояниях. Благодаря этому частицы и излучение проникают за горизонт событий и выскальзывают из объятий черной дыры. Это один из способов бегства. Но то, что сумело вырваться из черной дыры, отличается от того, что попало в ее плен. Одинаковой будет только энергия.
   Поскольку черная дыра испускает частицы и излучение, она будет терять массу. Дыра будет становиться меньше, а частицы при этом терять быстрее. В конце концов она потеряет всю свою массу и исчезнет полностью. Что случится с теми объектами, включая космические корабли, которые попали в ее черную паутину? Согласно одной из моих последних работ, они окажутся в своей собственной, только что появившейся на свет вселенной. Маленькая автономная вселенная ответвится от нашей Вселенной. Эта новорожденная вселенная может вновь соединиться с нашей областью пространства-времени. Если это произойдет, нам будет казаться, что еще одна черная дыра возникла и затем испарилась. Частицы, которые упали на одну черную дыру, появятся в виде частиц, излученных другой дырой, и наоборот.
   Казалось бы, это именно то, что нам нужно для космических путешествий сквозь черные дыры. Вы только направьте свой корабль в подходящую. Лучше выбрать экземпляр побольше, иначе гравитационные силы сделают из вас спагетти прежде, чем вы окажетесь внутри. Вам останется только надеяться, что вы выберетесь наружу через какую-нибудь другую дыру, но выбор будет уже не за вами.
   Но в этой трансгалактической транспортной системе существуют свои подводные камни. Молодые вселенные, поглотившие частицы, упавшие в черную дыру, возникают в воображаемом времени. В реальном времени для астронавта, попавшего в черную дыру, наступят черные времена. Силы гравитации не пощадят его… Не выживут даже частицы, из которых состояло его тело. В реальном времени эти частицы закончат свой путь в сингулярности. Но в воображаемом времени эти же самые частицы продолжат свое существование. Они попадут в юную вселенную и вновь появятся в виде частиц, излученных другой черной дырой. В некотором смысле астронавт перенесется в другую область Вселенной. Но совокупность этих частиц не обязательно примет форму астронавта. И для него, попавшего в сингулярность в реальном времени, вряд ли послужит утешением то, что его составные части выживут в воображаемом времени. Девизом всякого, попавшего в черную дыру, должно быть: «Подключи воображение».
   Как же найти то место, где воскреснут частицы? Количество частиц в новорожденной вселенной будет равно количеству частиц, упавших в черную дыру, плюс количество частиц, излученных черной дырой во время испарения. Это означает, что частицы, упавшие в одну черную дыру, выберутся наружу из другой черной дыры примерно той же массы. Таким образом, можно попытаться выбрать точку выхода, создав черную дыру той же массы, как и та, куда падали частицы. Однако новая черная дыра охотно будет испускать любую другую совокупность частиц с той же общей энергией. Даже если новая черная дыра излучит нужную совокупность частиц, никто не гарантирует, что это будут те же самые частицы, которые упали на старую дыру. Частицы не носят с собой удостоверений личности, и все частицы одного вида похожи друг на друга.
   Все вышесказанное свидетельствует о том, что проход сквозь черные дыры вряд ли станет популярным и надежным способом космических путешествий. Во-первых, путешествие будет проходить в воображаемом времени, а на реальное время вам придется махнуть рукой: вас там просто не будет. Во-вторых, пункт назначения выбирать будете не вы. Это похоже на то, как осуществляют перелеты некоторые авиакомпании, которые я могу назвать.
   Хотя для космических путешествий молодые вселенные вряд ли пригодятся, их можно с успехом использовать для попыток создания всеобъемлющей единой теории, которая опишет все во Вселенной. Существующие теории содержат целый ряд величин; среди них, например, величина электрического заряда частицы. Наши теории не могут предсказать значения этих величин. Их приходится выбирать, чтобы согласовать с результатами наблюдений. Большинство ученых все-таки склонны верить, что существует такая теория, которая объяснит и предскажет все.
   И такая теория вполне может существовать. Наилучшим претендентом на эту роль является теория гетерозисных суперструн. Идея заключается в том, что пространство-время заполнено небольшими петлями, напоминающими фрагменты струн. То, что мы принимаем за элементарные частицы, есть не что иное, как маленькие петли-струны, вибрирующие в разных тональностях. Эта теория не содержит никаких числовых параметров, требующих настройки. Можно ожидать, что эта единая теория будет способна предсказать все значения величин (в том числе электрический заряд частицы), которые современные теории определить не могут. Хотя эта теория суперструн пока еще не способна прогнозировать все, многие надеются, что со временем она дорастет до этого.
   Если представленная картина молодых вселенных верна, наша способность предсказывать эти величины будет ограниченной. Дело в том, что мы не можем знать, сколько молодых вселенных, ждущих своей очереди присоединиться к обитаемой нами области, существуют в необъятных просторах. Могут быть вселенные-малютки, состоящие всего из нескольких частиц. Они так малы, что мы даже не заметим, вздумай они присоединиться к нам или ответвиться. Присоединившись, они изменят видимые значения величин (например, электрический заряд частицы). Мы не сможем предсказать, какими будут видимые значения этих величин, так как мы не знаем точное число молодых вселенных, ожидающих своей очереди. Мы можем столкнуться даже со взрывом рождаемости таких малюток. В отличие от человечества перед этой популяцией не стоит таких проблем, как дефицит продуктов или проблемы с жилплощадью. Юные вселенные обитают в своих собственных мирах. Эта проблема сродни известной головоломке: сколько танцующих ангелов смогут удержаться на кончике иглы? [48 - Данный вопрос пародирует схоластические диспуты Католической церкви в период позднего Средневековья. Схоласты обсуждали такие вопросы: может ли Всемогущий создать камень, который Сам не сможет поднять? сможет ли ангел переместиться из одной точки в другую, не пройдя через середину пути между этими точками? сколько ангелов могут одновременно находиться в одной точке? Последний вопрос в несколько измененном виде стал синонимом бессмысленного спора. – Прим. ред.]
   Некоторая, хотя и небольшая степень неопределенности все же будет присутствовать в оценках величин большинства параметров, характеризующих молодые вселенные. Однако рассмотренный подход может объяснить наблюдаемое значение одной очень важной величины, так называемой космологической постоянной. В уравнения ОТО этот член был введен для описания присущего пространству-времени свойства расширения или сжатия. Изначально предложенная Эйнштейном величина космологической постоянной была очень мала; он надеялся, что этого будет достаточно для модели стационарной Вселенной. Надежды рухнули, когда было открыто расширение Вселенной. Но не так-то просто было отречься от идеи космологической постоянной. Можно было предположить, что ее значение сильно вырастет, если ввести квантовомеханические флуктуации. Но расширение Вселенной все-таки говорит о том, что космологическая постоянная очень мала. Это есть наблюдательный факт, который вплоть до настоящего времени не получил удовлетворительного объяснения. Гроздья молодых вселенных, которые то отпочковываются, то присоединяются к нашей, будут влиять на видимое значение космологической постоянной. Точного значения этой постоянной мы знать не можем, так как не в состоянии дать прогноз относительно возможного урожая. Но, очевидно, наиболее вероятное значение космологической постоянной близко к нулю. Можно сказать, что нам повезло, потому что только такая вселенная, с очень маленькой космологической постоянной, является подходящей для живых существ, подобных нам.
   Итак, что же мы имеем? Частицы падают в черную дыру, черная дыра испаряется и исчезает из нашей области Вселенной. Эти частицы попадают в молодую вселенную, которая отпочковывается от нашей. Потом эта вселенная может вновь присоединиться к нам в каком-нибудь другом месте. Вряд ли этот сценарий поможет нам в планировании космических путешествий. Скорее, он свидетельствует о том, что даже при условии создания единой теории поля нам не удастся понять и объяснить все, что хотелось бы. С другой стороны, мы сейчас можем предложить удовлетворительное объяснение результатов измерений некоторых величин, например космологической постоянной. За последние несколько лет проблемой молодых вселенных заинтересовались многие. Не думаю, чтобы кто-то сказочно разбогател, запатентовав молодые вселенные как средство перемещения по космическим просторам. Но несомненно, что именно они станут полем для интереснейших научных исследований.

Глава двенадцатая
Все ли предопределено на свете? [49 - Лекция прочитана на семинаре клуба «Сигма» в Кембриджском университете (апрель 1990 г.).]

   В пьесе «Юлий Цезарь» Кассий говорит Бруту: «…может человек располагать своей судьбой, как хочет» (Пер. П. Козлова). Но таковы ли мы на самом деле? Или же все на свете для нас предопределено и предназначено? Долгое время в пользу предопределенности (научным языком – детерминизма) служило то, что Бог всемогущ и существует вне времени; поэтому Он точно знает, что должно произойти. Так есть ли у нас свободная воля? А если у нас ее нет, то разве мы ответственны за свои поступки? Вряд ли кого-то можно осудить за то, что ему было предопределено ограбить банк. За что же тогда наказывать грабителя?
   В недавние времена детерминизм опирался на научную базу. Казалось, что существуют четкие законы, которые управляют Вселенной и всем тем, что развивается в ней. Хотя мы еще не нашли точную форму всех этих законов, мы уже знаем достаточно, чтобы понять, что происходит практически во всех ситуациях, кроме самых экстремальных. Ответ на вопрос, найдем ли мы оставшиеся законы в ближайшем будущем, зависит от точки зрения. Я оптимист и считаю, что вероятность того, что эти законы будут найдены в ближайшие двадцать лет, составляет пятьдесят процентов. Но даже если и не будут, ничего страшного не произойдет. Главное то, что должен существовать свод законов, который полностью определяет эволюцию Вселенной с самой начальной ее стадии. Может быть, эти законы были «изданы» Богом. Но представляется, что Он (или Она) не вмешиваются в дела Вселенной, чтобы эти законы нарушить.
   Возможно, первоначальная конфигурация Вселенной была избрана Богом, а может быть, она была определена законами науки. В любом случае, судя по всему, все во Вселенной затем эволюционировало в соответствии с последними, поэтому трудно до конца считать себя хозяевами своей судьбы.
   Представление о том, что существует великая единая теория, определяющая все во Вселенной, порождает много трудностей. Прежде всего такая теория должна быть компактна и элегантна с математической точки зрения. «Теория всего» должна, с одной стороны, быть простой, а с другой – содержать некую изюминку. Но как могут несколько формул отвечать за весь мир во всей его простоте и сложности? Можно ли всерьез верить в то, что великая единая теория предписала Шинейд О’Коннор занять первую строчку хит-парада на этой неделе или поместила Мадонну на обложку журнала Cosmopolitan?
   Еще один интересный вопрос: определяет ли единая теория содержание и справедливость наших высказываний? Но почему предопределено, что они должны быть правильными? Скорее, наоборот, потому что на каждое правильное существует множество неверных высказываний. Каждую неделю разные люди присылают мне по почте целую кучу различных теорий. Большинство из них никуда не годится. Тем не менее можно предположить, что великая теория велит авторам считать свои теории правильными. Тогда почему мои высказывания должны считаться более обоснованными? Но разве на меня не распространяется действие этой единой теории?
   Третья проблема. Нам кажется, что у нас есть свободная воля, то есть свобода совершать любые поступки. Но если все предопределено законами науки, то свободная воля – всего лишь иллюзия, а если ее у нас нет, где основания полагать, что мы должны отвечать за свои поступки? Мы не наказываем душевнобольных, потому что они ничего не могут поделать со своей болезнью. Но если все предопределено, никто не в силах что-нибудь поделать с самим собой. Почему тогда кто-то за что-то должен отвечать?
   Проблемы детерминизма обсуждаются уже много веков. Эта дискуссия имела несколько отвлеченный характер, поскольку мы были далеки от полного знания законов науки и не представляем, как, собственно, все началось во Вселенной. Теперь эти проблемы приобрели еще большую остроту, поскольку появилась возможность найти единую теорию поля в течение ближайших двадцати лет. И мы понимаем, что Вселенная сама могла быть создана в соответствии с научными законами. Далее я попытаюсь, насколько смогу, решить эти проблемы. Я не претендую на какую-либо оригинальность или глубину, но это лучшее, что я могу предложить на данный момент.
   Начнем по порядку. Как может относительно простая и компактная теория воссоздать Вселенную во всей сложности, о которой нам известно, причем с массой тривиальных мелочей? Разгадкой является квантовомеханический принцип неопределенности, утверждающий, что мы не можем с одинаковой точностью измерить положение и скорость частицы. Чем точнее мы измеряем положение, тем менее точной получается скорость, и наоборот. В настоящее время, когда все объекты достаточно удалены друг от друга, эта неопределенность не столь важна, так как небольшая неточность их координат несущественна. Но в очень молодой Вселенной, где все было так близко друг к другу, простор для неопределенности был очень большим, и перед Вселенной простиралось целое море возможностей. Благодаря ним Вселенная могла бы иметь различные сценарии развития. Во многом эти сценарии в дальнейшем перекликались бы друг с другом. Они описывали бы однородную, гладкую и расширяющуюся Вселенную. Однако они бы различались в деталях: таких как распределение звезд на небе и, более того, звезд на обложках журналов. (Конечно, если бы в этих сценариях было место иллюстрированным журналам.) Таким образом, многообразие во Вселенной возникло из принципа неопределенности, работавшего на ранних стадиях. Благодаря ему мы имеем целое семейство возможных сценариев развития макрокосмоса. Быть может, в некоем параллельном мире во Второй мировой войне победили бы нацисты, хотя вероятность этого и мала. Но нам посчастливилось жить в мире, где победили союзники, а Мадонна попала на обложку журнала Cosmopolitan.
   Теперь я перехожу ко второй проблеме. Если то, что мы делаем, предопределено некоторой единой теорией, она совсем не обязательно предписывает нам делать правильные умозаключения о Вселенной. Почему должны быть справедливыми наши высказывания? Мы ведь запросто можем ошибаться. В решении этой проблемы я опираюсь на теорию естественного отбора Дарвина. Я считаю, что самые примитивные формы жизни на Земле возникли спонтанно из случайных комбинаций атомов. Возможно, эта ранняя форма жизни была большой молекулой. Но, скорее всего, это была не молекула ДНК, поскольку шансы случайного появления такой сложной молекулы на свет крайне малы.
   Ранняя форма жизни начала себя воспроизводить. Квантовый принцип неопределенности в сочетании со случайными тепловыми движениями атомов приводил к разного рода ошибкам и отклонениям при воспроизведении. Большинство этих отклонений были фатальными для выживания организма или его способности к воспроизведению. Особи с такими отклонениями не давали потомства и вымирали. Но чисто случайно происходили и такие очень немногочисленные изменения, которые оказались благоприятными для выживания и воспроизведения организмов. Постепенно эти усовершенствованные механизмы приходили на смену первоначальным.
   Развитие двойной спиральной структуры ДНК, возможно, было одним из таких усовершенствований, происшедших на ранней стадии. Это был грандиозный успех, который мог полностью вытеснить более раннюю форму жизни, какова бы она ни была. Эволюция привела к развитию центральной нервной системы. Создания, которые правильно распознавали данные, собранные их органами чувств, и предпринимали адекватные действия, обладали большей способностью к выживанию и воспроизведению. С появлением человеческой расы началась новая стадия. Что касается нашего тела и ДНК, мы очень похожи на высших приматов. Однако небольшое изменение в наших ДНК привело к появлению языка. Это означало, что у нас появилась способность передавать информацию и накопленный опыт от поколения к поколению, сначала в разговорной форме, а затем и в письменной. Вначале процесс передачи опыта происходил достаточно медленно, путем кодирования через ДНК в результате случайных отклонений при воспроизведении. Но эволюционный процесс начал ускоряться. Не прошло и трех миллиардов лет, как появилась человеческая раса. Навыками письменной речи мы овладели за последние десять тысяч лет. Это и дало нам возможность пройти путь от пещерных жителей до существ, озабоченных поисками всеобъемлющей теории Вселенной.
   За последние десять тысяч лет никаких существенных изменений человеческая молекула ДНК не претерпела. Таким образом, наш интеллект, или наша способность делать правильные заключения из данных, поставляемых органами чувств, остались на уровне пещерных обитателей. Наш интеллект первоначально был приспособлен для убийства одних животных с целью пропитания и для защиты от нападения других. Даже удивительно, что умственные способности, подаренные нам природой для этих целей, оставляют нам возможность сохранять привилегированное положение в очень разных обстоятельствах современной жизни. Очевидно, что открытие единой теории поля или ответы на вопросы, поставленные детерминистами, не сулят особых преимуществ для выживания. Тем не менее даже наш интеллект, развитие которого имело совершенно другую цель, может помочь разрешить все загадки и противоречия.
   Теперь я перехожу к третьей проблеме, касающейся свободной воли и ответственности за свои поступки. Субъективно мы чувствуем, что имеем способность выбирать, кем быть и что делать. Но все это может быть лишь иллюзией. Некоторые люди думают, что они Иисус Христос или Наполеон, но все они правы быть не могут. Нам нужен некий объективный критерий, чтобы определить, обладает ли организм свободной волей. Например, представьте себе, что нас посетил маленький зеленый человечек с другой звезды. Как мы сможем понять, имеет ли он свободную волю или он просто робот, запрограммированный на поведение, подобное нашему?
   Объективный тест на свободную волю может заключаться в ответе на вопрос: существует ли возможность предсказать поведение организма? Если такая возможность есть, это значит, что свободной воли у данного организма не существует и его поведение предопределено. С другой стороны, если предсказать поведение невозможно, то рабочая гипотеза гласит, что организм располагает свободной волей.
   С таким определением свободной воли можно поспорить – на том основании, что как только мы найдем единую теорию, мы сможем предсказать все дальнейшие события и действия. Человеческий мозг тоже подвержен принципу неопределенности. Поведение человека бывает спонтанным, что отсылает нас к области квантовой механики. Но количественный показатель энергии, вырабатываемой в мозге, невелик, поэтому влияние квантовомеханической неопределенности также мало. Стало быть, мы не можем предсказать поведение человека главным образом потому, что это слишком сложный феномен. Мы уже знаем основные физические законы, которые управляют активностью мозга: эти законы относительно просты. Однако непросто решить уравнение, которое описывает сразу несколько частиц. Даже в простой теории гравитации Ньютона точное решение уравнений можно получить только для двух частиц. В случае с тремя – и более – приходится прибегать к приближениям, и трудности возрастают с их количеством. Человеческий мозг содержит приблизительно 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, или сотни миллионов миллиардов миллиардов частиц. Это слишком много: едва ли мы когда-нибудь сможем вычислить, как именно поведет себя мозг, если даже мы будем знать его исходное состояние и расшифруем все сигналы, получаемые им от нервной системы. Конечно же, мы не можем оценить даже исходное состояние мозга, так как для этого мозг нужно извлечь. Даже если мы отважились бы на это, количество частиц для фиксации все равно оказалось бы слишком велико. А актуальное состояние мозга, вероятно, очень зависит от исходного – небольшое изменение в нем может сильно повлиять на поведение в дальнейшем. Таким образом, хотя мы и знаем фундаментальные механизмы, управляющие мозгом, мы не можем использовать их, чтобы предсказать поведение человека.
   Такая ситуация возникает в науке каждый раз, когда мы имеем дело с макроскопической системой, потому что количество частиц всегда слишком велико, чтобы дать какой-либо шанс для решения фундаментальных уравнений. Вместо точного решения мы используем эффективные теории. Эти теории по существу являются приближениями, в которых огромное количество частиц заменяется несколькими величинами. К примеру, возьмем гидромеханику. Жидкость, такая как вода, состоит из миллиардов миллиардов молекул, которые в свою очередь состоят из электронов, протонов и нейтронов. Тем не менее жидкость приближенно можно представить в виде непрерывной среды, характеризующейся лишь скоростью, плотностью и температурой. Предсказания эффективной теории гидромеханики не являются точными – достаточно послушать прогноз погоды, чтобы в этом убедиться, – но они вполне пригодны, чтобы строить корабли и нефтепроводы.
   Позвольте мне предположить, что концепции свободной воли и моральной ответственности за свои собственные поступки по сути есть не что иное, как эффективная теория, подобная гидромеханике. Вполне может быть, что все, что мы совершаем, определено некоторой единой теорией. Если эта теория предполагает, что нам суждено быть повешенными, значит, мы не утонем. И все-таки, даже если вы абсолютно уверены в том, что вас неминуемо ждет виселица, наверное, нужно трижды подумать, прежде чем отправляться в море в шторм на утлой лодчонке. Я замечал, что даже люди, утверждающие, что абсолютно все в мире предопределено и мы ничего не можем изменить, оглядываются по сторонам, прежде чем перейти дорогу. Может быть, потому, что те, кто не оглядывался, не могут поведать нам о своей судьбе.
   Нельзя основывать свое поведение на идее всеобщей предопределенности, потому что никто точно не знает, что для него предопределено. Напротив, гораздо лучше взять на вооружение эффективную теорию о свободной воле и об ответственности за свои поступки. Эта теория не очень хорошо предсказывает человеческое поведение, но мы ее принимаем, потому что у нас нет шансов решить уравнения, вытекающие из фундаментальных законов. Мы также привыкли верить в свободу воли благодаря теории Дарвина: общество, в котором каждый индивидуум чувствует ответственность за свои действия, гораздо более сплоченно и способно выживать, а также сохранять и распространять свои идеалы. Конечно, и муравьи работают вместе. Но муравьиная цивилизация застыла на одном уровне. Она не может отвечать на незнакомые вызовы или развивать новые способности. С другой стороны, сообщество свободных индивидуумов, которые разделяют некоторые общие цели, может работать на их достижение и иметь достаточную гибкость для введения инноваций. Конечно, такое общество более предрасположено к процветанию и распространению системы своих ценностей.
   Концепция свободной воли лежит в другой области, нежели фундаментальные законы науки. Если кто-то попытается вывести поведение человека из законов науки, он окажется пойманным в ловушку логического парадокса системы, которая замкнута сама на себя. Аналогичные проблемы могли бы возникнуть, если бы можно было путешествовать во времени (во что я лично не верю). Если вы способны увидеть, что может случиться в будущем, вы можете изменить ход событий. Если бы вы знали, какая лошадь выиграет на бегах, на этом можно было бы сделать целое состояние. Но одно это действие могло бы изменить ставки. Имеет смысл хотя бы посмотреть фильм «Назад в будущее», чтобы получить представление о проблемах, которые могут возникнуть.
   Парадокс, возникающий в связи с возможностью предсказывать свои действия, тесно связан с проблемой, о которой я уже упоминал: предопределено ли конечной теорией то, что мы придем к верным выводам относительно этой конечной теории? Я утверждал, что идеи Дарвина о естественном отборе вывели нас на правильный путь. Может быть, эти идеи и не дают абсолютно правильного ответа, но естественный отбор, по крайней мере, должен привести нас к открытию физических законов, которые работают достаточно хорошо. Однако мы не можем применить эти физические законы к человеческому поведению по двум причинам. Во-первых, мы не можем решить уравнения. Во-вторых, даже если мы сможем, сам факт нашего предсказания внесет возмущение в систему. С другой стороны, естественный отбор способен привести нас к принятию эффективной теории свободной воли. Если согласиться, что поступки человека имеют причиной свободный выбор, тогда не нужно утверждать, что в некоторых случаях они определяются внешними силами. Концепция «почти свободной воли» не имеет смысла. Но люди склонны путать тот факт, что возможно предугадать выбор того или иного индивидуума, с идеей о том, что выбор не является свободным. Я почти уверен, что большинство из вас будет ужинать сегодня вечером, но вы вполне свободно можете отправиться спать голодными. Один из примеров такой путаницы – это доктрина об ограниченной ответственности, утверждающая, что человек не может быть наказан за свои деяния, если он находится под давлением. Возможно, и есть такие люди, которые с энтузиазмом совершат антиобщественный поступок, находясь под давлением. Но это еще не факт, что мы будем совершать его с большей охотой, даже зная о том, что нам не грозит наказание.
   Исследованием фундаментальных законов науки и изучением человеческого поведения следует заниматься раздельно. По причинам, которые я изложил выше, нельзя использовать фундаментальные законы для прогноза поведения человека. Остается надежда, что мы можем использовать как интеллект, так и силу логического мышления, которую мы развили благодаря естественному отбору. К несчастью, последний наградил нас и такой чертой характера, как агрессивность. Естественный отбор благоприятствовал агрессивности, так как она помогала выжить пещерным жителям в стародавние времена. Чрезмерное совершенствование наших средств разрушения, дарованное современной наукой и технологией, превратило агрессию в очень опасное качество, угрожающее выживанию всей человеческой расы. Вся беда в том, что, по-видимому, наши агрессивные инстинкты закодированы в молекуле ДНК. Изменения в ДНК происходили в результате биологической эволюции в течение миллионов лет, а наши деструктивная мощность выросла значительно за то же время, что и информационный бум последних двух-трех десятилетий. Если мы не сможем обуздать агрессию с помощью своего разума, у человечества останется не так уж много шансов на выживание. Но – пока живем, мы надеемся. Если проживем еще лет сто, мы полетим на другие планеты, а может быть, и к другим звездам. Тогда вероятность того, что человечество будет сметено трагедией ядерной войны, станет намного меньше.
   Итак, я осветил некоторые проблемы, возникающие из убеждения в том, что все на свете предопределено. И в сущности, нет большой разницы, чем вызвано это предопределение: всемогущим Богом или законами науки. В конце концов, можно утверждать, что научные законы являются выражением воли Божьей.
   Я рассмотрел три вопроса. Во-первых, как Вселенная во всей ее сложности и многообразии мельчайших деталей может быть выражена простой системой уравнений? Однако как можно поверить в то, что Бог проработал такие мелкие детали, как внешний вид обложки глянцевого журнала Cosmopolitan? Ответ может заключаться в том, что квантовомеханический принцип неопределенности предполагает существование целого семейства всех возможных историй Вселенной, а вовсе не одной-единственной. В главном эти истории могут быть похожи, но сильно отличаться в повседневных мелочах. Нам выпало жить в нашей конкретной истории, со всеми ее деталями и нюансами. Но есть очень похожие друг на друга люди, которые в нашей конкретной истории умудряются жить в своих собственных историях и не соглашаются друг с другом в том, кто выиграл войну или занял первую строчку хит-парада. Таким образом, тривиальные детали в нашей Вселенной появляются вследствие фундаментальных законов, которые включают в себя квантовую механику с ее элементом неопределенности или случайности.
   Второй вопрос: если все определяется в рамках некоторой фундаментальной теории, то как быть с самой теорией – задается ли она, в свою очередь, другой теорией и почему она обязана быть правильной? Может быть, она неверна или неприменима? Моим ответом на этот вопрос была ссылка на теорию Дарвина о естественном отборе: только те особи, которые делали правильные заключения об окружающем их мире, смогли выжить и умножить свой род.
   Третий вопрос: если все предопределено, как относиться к свободной воле и ответственности за свои поступки? Единственным объективным критерием, подтверждающим наличие свободной воли у организма, является возможность предсказать его поведение. В случае с человеком есть две причины, по которым мы не можем предсказать его поведение, исходя из фундаментальных законов. Во-первых, мы не способны решить уравнения для такого большого количества вовлеченных в них частиц. Во-вторых, даже если бы мы могли найти решение, то сам факт сделанного предсказания будет вносить возмущение в систему и приведет к совершенно другому результату. Итак, если мы не можем предсказать поведение человека, мы с таким же успехом можем принять эффективную теорию о том, что люди вполне свободны и могут сами решать, что им делать. По-видимому, вера в свободную волю и ответственность за свои поступки дает определенные преимущества для выживания рода человеческого. Это означает, что этой вере должен благоприятствовать и естественный отбор. Остается неясным, может ли чувство ответственности, выраженное словами, контролировать агрессивные инстинкты, передаваемые по наследству с помощью ДНК. Если нет, то человеческая раса, скорее всего, окажется тупиковой ветвью развития. Быть может, какая-либо другая разумная раса где-нибудь во Вселенной сумеет достичь лучшего баланса между ответственностью и агрессией. Но если это так, то мы можем ожидать, что они свяжутся с нами или хотя бы мы сможем принять их радиосигналы. Возможно, они знают о нашем существовании, но не хотят раскрывать себя. Воскресив в памяти нашу историю, мы поймем, что это вполне разумно.
   Вспомним заголовок этого эссе: все ли предопределено на свете? Ответ: да. Но, может быть, это и не так, ибо мы этого никогда не узнаем.

Глава тринадцатая
Будущее Вселенной [50 - Лекция в рамках Дарвиновских чтений в Кембриджском университете (январь 1991 г.).]

   Предметом этого эссе является будущее Вселенной или, вернее то, как ученые представляют себе это будущее. Предсказывать сложно, как ни крути. Когда-то я подумывал написать книгу, которая должна была называться так: «Завтра вчерашнего дня. История будущего». Это была бы история различных предсказаний будущего. Надо ли говорить, что почти все предсказатели попали пальцем в небо. Несмотря на все неудавшиеся попытки, ученые по-прежнему считают, что они могут делать прогнозы.
   В прежние времена предсказанием будущего занимались оракулы и сивиллы. Это была их работа. Особенно часто на этом поприще подвизались женщины. Они входили в транс с помощью наркотических веществ или надышавшись вулканическими испарениями. Их бессвязные речи интерпретировались затем присутствующими при церемонии священниками. Это было прежде всего искусство интерпретации. Знаменитый Дельфийский оракул в Древней Греции славился своим умением давать двусмысленные предсказания, устраивающие всех. Когда персы напали на Грецию, спартанцы спросили у него, что будет дальше. Он ответил: либо Спарта будет разрушена, либо ее царь будет убит. Скорее всего, священники считали, что если не произойдет ни то и ни другое, благодарность богу Аполлону полностью затмит для спартанцев неверность предсказания оракула. И действительно, царь был убит при защите Фермопильских ворот, того сражения, которое спасло Спарту и в конечном итоге привело к полному разгрому персов.
   В другой раз царь Лидии Крез, самый богатый человек в Древнем мире, спросил, что случится, если он вторгнется в Персию. Прозвучал ответ: великое царство падет. Крез подумал, что это предсказание относится к Персидской империи, но пало его собственное царство, а затем он сам предположительно был сожжен на костре.
   Современные пророки рискуют даже своими шеями, называя точные даты концов света. Такого рода предсказания частенько вызывают панику на бирже, хотя меня всегда очень удивляет, зачем перед концом света спекулировать акциями. Вряд ли что-то можно забрать с собой на тот свет.
   До сих пор все предсказанные даты концов света прошли без особых инцидентов. Но у пророков всегда наготове объяснения их очевидных неудач. К примеру, Уильям Миллер, основатель секты адвентистов седьмого дня, предсказывал, что Второе пришествие произойдет между 21 марта 1843 года и 21 марта 1844 года. Когда ничего не произошло, дата была перенесена на 22 октября 1844 года. Когда же и эта дата благополучно миновала, была выдвинута новая интерпретация. Согласно ей 1844 год был годом начала Второго пришествия, но вначале надо было сосчитать все имена в Книге Судьбы. Только тогда придет Судный день для тех, кого нет в книге. К счастью, подсчеты, по-видимому, предстоят долгие.
   Конечно, научные предсказания по надежности вряд ли сильно превосходят предсказания оракулов и пророков. Достаточно вспомнить прогнозы погоды. Но в некоторых ситуациях нам кажется, что наши предсказания могут быть вполне надежны. К таким ситуациям относится и судьба Вселенной.
   За последние триста лет мы открыли научные законы, которые обычно управляют веществом во всех нормальных ситуациях. Но мы до сих пор не знаем точных законов, которым подчиняется вещество в экстремальных условиях. Открытые нами законы важны для понимания обстоятельств возникновения Вселенной, но они не затрагивают будущую эволюцию Вселенной, если только она не начнет сжиматься до сверхплотного состояния. По сути, мерой того, насколько мало законы высоких энергий сейчас влияют на Вселенную, является необходимость тратить огромные средства на строительство гигантских ускорителей частиц для проверки этих законов.
   Хотя нам кажется, что мы знаем подходящие законы, которым подчиняется Вселенная, вряд ли мы в состоянии пользоваться ими для предсказания будущего. Все дело в том, что в решениях уравнений физики проявляется такое свойство, как хаос. Это означает, что решения могут быть нестабильными: если внести небольшое изменение в систему, то все ее дальнейшее поведение весьма скоро может стать совершенно иным. Например, если вы слегка измените вращение колеса рулетки, цифры окажутся другими. Практически невозможно предсказать, какое число выпадет; в противном случае физики зарабатывали бы бешеные деньги в казино.
   В нестабильных и хаотических системах всегда существует шкала времени, на которой небольшое изменение, внесенное в начальное состояние, вырастет в два раза. В земной атмосфере эта шкала времени соответствует примерно пяти дням; в течение этого времени воздушные массы облетают вокруг земного шара. Поэтому можно делать относительно точные прогнозы погоды на пять дней. Но предсказывать погоду на более длительный срок – неблагодарный труд, потому что он требует очень точного знания текущего состояния атмосферы и невероятно сложных вычислений. Не существует способа предсказания погоды на полгода вперед. Можно только привести средние данные сезонных наблюдений за несколько лет.
   Мы также знаем основные законы химии и биологии, так что в принципе мы можем понять, как работает мозг. Но уравнения, описывающие деятельность мозга, почти наверняка ведут себя хаотически, в том смысле, что очень маленькое изменение первоначального состояния может привести к совершенно неожиданным результатам. Таким образом, на практике мы не можем предсказать поведение человека, даже если мы знаем уравнения, которые этим поведением управляют. Наука не способна предсказать будущее человеческого общества и имеется ли это будущее вообще. Опасность заключается в том, что силы, имеющиеся в нашем распоряжении, с помощью которых мы можем нанести ущерб окружающей среде или друг другу, умножаются куда быстрее, чем наши мудрость и дальновидность.
   Вселенную будет мало заботить любой исход событий на нашей планете. В течение длительного времени движение планет по орбитам вокруг Солнца будет меняться. Это означает, что ошибки в предсказаниях будут становиться грубее с течением времени. Спустя какое-то время станет невозможно предсказывать детали движения. Мы можем быть совершенно уверены, что в обозримом будущем Земля не столкнется с Венерой. Но мы не можем знать наверняка, что небольшие возмущения орбит не приведут к такому столкновению, например, через миллиард лет. Движение Солнца и других звезд вокруг центра Галактики и Галактики в местной группе галактик также не поддается точному прогнозу. Мы наблюдаем, что другие галактики удаляются от нас, и чем дальше, тем быстрее. Это означает, что Вселенная в ближайших окрестностях расширяется: расстояния между разными галактиками со временем растут.
   Наблюдения космического фона микроволнового излучения показывают, что это расширение гладкое и не хаотичное. Вы сами можете зафиксировать это излучение, настроив телевизионный приемник на пустой канал. Вы увидите на экране мелькание маленьких штрихов. Это и есть микроволновое излучение, приходящее из-за пределов Солнечной системы. Такое же излучение, только гораздо более сильное, возникает, когда вы включаете микроволновку. Космический микроволновой фон способен разогреть вашу еду всего лишь до 2,7 градуса выше абсолютного нуля, т. е. разогреть заказанную в ресторане пиццу с его помощью не получится. Полагают, что это излучение блуждает во Вселенной с тех пор, как закончилась ее ранняя горячая стадия. Самое удивительное то, что излучение это практически однородно во всех направлениях. Космическая обсерватория COBE [51 - COBE (Cosmic Background Explorer) – космическая обсерватория, запущенная в ноябре 1989 г. для измерения реликтового фона микроволнового излучения Вселенной. Наблюдения проводились на разных участках неба с беспрецедентной точностью и показали, что спектр излучения соответствует модели абсолютно черного тела с температурой 2,7 градуса по шкале Кельвина, а само излучение почти однородно – вариации его на небе необычайно малы и составляют всего 1/100 000 от среднего значения яркости неба. Ученые полагают, что изменения яркости реликтового излучения отражают начальные возмущения плотности, которые существовали в первичном веществе ранней Вселенной. Затем эти возмущения нарастали и в результате гравитационной неустойчивости превратились в звезды, галактики и скопления галактик, которые мы сейчас наблюдаем. – Прим. ред.] очень точно измерила микроволновой фон. На основании измерений фона была составлена карта неба, показывающая, как меняется температура излучения, приходящего с разных направлений. Изменения температуры оказались очень малы: они составляют не более одной стотысячной от некоторой средней величины. Различия в микроволновом фоне на разных направлениях понятны, ведь Вселенная не является совершенно гладкой. Имеются локальные неоднородности: звезды, галактики, скопления галактик. Но эти вариации микроволнового излучения минимальны, они соответствуют незначительным неоднородностям в виде отдельных космических тел, возникших на фоне космической пустоты. Подумать только, 99 тысяч из 100 – именно это число выражает степень однородности микроволнового фона.
   В древние времена люди полагали, что Земля находится в центре Вселенной. Они бы не удивились, узнав, что фон везде одинаковый. Усилиями Коперника мы и наш дом были разжалованы до заурядной планетки, вращающейся вокруг весьма средней звезды на краю типичной галактики – одной из сотен миллиардов галактик, которые мы наблюдаем на небе. Наше положение настолько скромно, что мы не можем претендовать на какое-либо особое место во Вселенной. Поэтому нам остается признать, что фон также одинаков в любом направлении рядом с любой галактикой. Это возможно только в том случае, если средняя плотность Вселенной и скорость ее расширения одинаковы везде. Любое отклонение в средней плотности или скорости расширения привело бы к различиям микроволнового фона, наблюдаемого на разных направлениях. Это означает, что в очень больших масштабах поведение Вселенной является достаточно простым и совсем не хаотическим. Следовательно, его можно предсказать на длительный срок вперед.
   Так как расширение Вселенной такое однородное, его можно описать с помощью одного параметра, а именно расстояния между двумя галактиками. В настоящее время оно увеличивается, но можно ожидать, что гравитационное притяжение между разными галактиками будет замедлять скорость расширения. Если плотность Вселенной превышает определенную критическую величину, гравитационное притяжение в конце концов остановит расширение и заставит Вселенную снова сжиматься. Вселенная схлопнется с Большим хрустом… [52 - Большой хруст (тж. Большой Хлопок или Большое Сжатие) – конечная стадия пульсационного цикла Вселенной.] Это будет нечто подобное Большому взрыву, с которого началась Вселенная. Большой хруст ознаменует то, что называется сингулярностью, т. е. такое состояние бесконечной плотности, в котором законы физики работать не будут. Даже если произойдут какие-либо события после этого Большого хлопка, предсказать их будет невозможно. Но если отсутствует причинно-следственная связь между событиями, то бессмысленно говорить о том, какое из них произошло раньше. С таким же успехом можно сказать, что наша Вселенная закончит свое существование при Большом хлопке, а любые события, которые произойдут далее, будут событиями другой, отдельной вселенной. Это чем-то напоминает реинкарнацию. Какой смысл говорить, что новорожденный младенец появился вместо кого-то, ранее жившего, если ребенок не унаследовал качества характера и память из своей предыдущей жизни? Вполне можно сказать, что это совсем другой индивидуум.
   Если средняя плотность Вселенной меньше критической величины, Вселенная не будет схлопываться, а будет расширяться вечно. Пройдет какое-то время, и плотность станет настолько малой, что гравитационное притяжение не будет оказывать существенного влияния на замедление расширения [53 - До конца 1990-х годов считалось, что Вселенная расширяется с замедлением. Существовавшие космологические модели предполагали, что основную часть массы Вселенной составляет видимая и невидимая (темная) материя. Но в конце прошлого века на основании наблюдений сверхновых I типа в удаленных галактиках был сделан вывод, что Вселенная расширяется с ускорением. Яркость этих сверхновых оказалась ниже, чем должна была быть согласно ранее установленной постоянной Хаббла. Постоянная Хаббла – это коэффициент, входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления. На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, предположили, что во Вселенной существует ранее неизвестная энергия с отрицательным давлением. Ее назвали «темной энергией». Таким образом, теперь говорят о двух неизвестных величинах, от которых зависит эволюция Вселенной – о темной материи и темной энергии. – Прим. ред.]. Галактики продолжат разбегаться с постоянной скоростью.
   Таким образом, ключевой вопрос для будущего Вселенной таков: какова ее средняя плотность? Если она меньше критической, Вселенная будет расширяться вечно. Но если больше, то Вселенная будет схлопываться и само время придет к своему концу с Большим хрустом. У меня, тем не менее, есть серьезные преимущества перед другими предсказателями судьбы. Даже ежели Вселенная собирается сжаться, я точно могу предсказать, что теперешняя экспансия не остановится по крайней мере еще в течение десяти миллиардов лет. Я не думаю, что кто-нибудь сумеет доказать мою неправоту.
   Мы можем попытаться оценить среднюю плотность Вселенной из наблюдений. Если мы посчитаем звезды и сложим их массы, это даст меньше одного процента критической плотности. Даже если мы прибавим массу газовых облаков, наблюдаемых во Вселенной, опять-таки получится не более одного процента критического значения. Но мы знаем, что Вселенная должна также содержать темную материю, которую мы не можем непосредственно наблюдать. Существование темной материи подтверждают спиральные галактики. Они представляют собой огромные блинообразные конгломераты звезд и газа. Мы наблюдаем, что они вращаются вокруг своих центров, но скорость вращения настолько высока, что они разлетелись бы, если бы состояли только из газа и звезд, видимых нами. Там должна быть какая-то невидимая форма материи, гравитационное притяжение которой достаточно велико, чтобы удерживать вращающиеся галактики.
   Еще одно доказательство существования темной материи дают скопления галактик. Мы наблюдаем, что галактики распределены во Вселенной неравномерно; они собраны в скопления, которые содержат от нескольких до нескольких миллионов галактик. Предположительно эти скопления возникли за счет притяжения галактик друг к другу. Мы можем измерить скорости отдельных галактик в этих скоплениях. Мы найдем, что эти скорости очень высоки: галактики из этих скоплений разлетелись бы, если бы их не удерживали силы гравитационного притяжения. Масса, требуемая для их удержания, значительно больше наблюдаемой массы всех галактик. Даже если мы учтем вращение галактик, их масс будет недостаточно. Следовательно, в этих скоплениях, кроме самих галактик, которые мы в них видим, должна присутствовать дополнительная темная материя.
   Можно сделать достаточно надежную оценку количества темного вещества в этих галактиках и скоплениях. И все-таки полученный результат будет соответствовать всего лишь десяти процентам критической плотности, необходимой для сжатия Вселенной. Если исходить из наблюдений, которые у нас есть, можно предсказать, что Вселенная будет расширяться вечно. Примерно через пять миллиардов лет ядерная печь Солнца погаснет. Солнце раздуется до размеров красного гиганта и поглотит Землю и другие близлежащие планеты. Затем оно успокоится и превратится в белый карлик с диаметром в несколько тысяч километров. Итак, я предсказываю конец света, но только не сейчас. Не думаю, что мое предсказание слишком всколыхнет биржу: на горизонте маячат гораздо более насущные проблемы. В любом случае, к тому времени, как Солнце раздуется, нам следует освоить искусство межзвездных путешествий, если, конечно, к тому времени мы друг друга не уничтожим.
   Через десять миллиардов лет выгорит большинство звезд во Вселенной. Звезды солнечной массы станут либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, которые еще меньше и плотнее, чем белые карлики. Более массивные звезды могут стать черными дырами, размеры которых еще меньше, а гравитационное поле настолько сильное, что даже свет не может вырваться из его тисков. Но все эти звездные останки продолжат двигаться вокруг центра нашей Галактики с периодом порядка сотни миллионов лет. Некоторые из них в результате близкого прохождения друг к другу смогут развить достаточные скорости, чтобы преодолеть гравитационное поле Галактики и вырваться за ее пределы. Остальные будут постепенно переходить на все более близкие к центру орбиты и в конце концов соберутся вместе и образуют гигантскую черную дыру в центре Галактики. Чем бы ни являлась темная материя, содержащаяся в галактиках и скоплениях, она, скорее всего, тоже упадет в эту огромную черную дыру.
   Итак, основная часть вещества в галактиках и скоплениях предположительно окажется в черных дырах в конце своей эволюции. Хотя некоторое время тому назад я сделал открытие, что черные дыры в сущности не такие уж и черные, как их малюют. Принцип неопределенности, известный из квантовой механики, говорит, что положение и скорость частиц не могут одновременно быть точно определены. Чем точнее определяется местоположение частицы, тем менее точно мы можем рассчитать ее скорость, и наоборот. Если частица находится в черной дыре, то про нее точно известно, что она именно там, внутри дыры. Это означает, что скорость ее неизвестна. Поэтому скорость частицы может превысить скорость света. Такая частица может удрать из черной дыры. Таким образом частицы вещества и излучение будут медленно просачиваться наружу из черной дыры. Размеры гигантской черной дыры в центре Галактики могут составлять миллионы километров в поперечнике. То есть местоположение частицы внутри нее будет весьма и весьма неопределенным. С другой стороны, скорость частицы при этом чуть более предсказуема; это означает, что частице потребуется очень много времени, чтобы выбраться из черной дыры. Но в конце концов это у нее получится. Большой черной дыре в центре Галактики потребуется 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

лет, чтобы испариться и полностью исчезнуть. Это намного больше, чем возраст Вселенной, который составляет 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

лет (единица с десятью нулями). Так что времени впереди еще много, если Вселенная намерена расширяться вечно.
   Будущее у такой вечно расширяющейся Вселенной достаточно скучное. Но это совершенно не обязательно, что она будет вечно расширяться. Мы имеем точные доказательства наличия только одной десятой доли от плотности, необходимой для начала сжатия Вселенной. Однако могут существовать и другие типы не обнаруженной нами темной материи, которые могут увеличить среднюю плотность Вселенной до критического уровня или выше. Эта дополнительная темная материя может находиться вне галактик и скоплений галактик. Иначе мы заметили бы ее влияние на их вращение и их движение в скоплениях.
   Почему мы думаем, что во Вселенной может содержаться достаточное количество темной материи, чтобы со временем заставить Вселенную сжиматься? Почему бы нам не согласиться с тем количеством вещества, относительно которого у нас есть очевидные доказательства? Причина в том, что даже одна десятая критической плотности требует очень аккуратного выбора значений начальной плотности и скорости расширения. Если плотность Вселенной через секунду после Большого взрыва была бы больше только на одну долю из тысячи миллиардов, Вселенная схлопнулась бы за десять лет. С другой стороны, если бы плотность в то время была бы меньше на ту же величину, начиная с десятилетнего возраста эта Вселенная была бы практически пустой.
   Как случилось, что первоначальная плотность Вселенной была выбрана настолько тщательно? Наверное, на то есть причина. Предположительно, существуют два объяснения. Одно объяснение – так называемый антропный принцип, который можно выразить следующим образом: Вселенная такова, как она есть, потому что иначе не было бы нас, наблюдающих за ней. Идея заключается в том, что могло быть много различных вселенных с разными плотностями. Но только те из них, в которых плотность была близка к критической, могли существовать достаточно долго и содержать достаточно вещества для образования звезд и планет. Только в этих вселенных возникнут разумные существа, которые зададут вопрос: почему плотность столь близка к критической? Если дело заключается именно в этом, то нет причин полагать, что Вселенная содержит больше вещества, чем уже обнаружено. Десятой доли от критической плотности уже достаточно, чтобы образовались галактики и звезды.
   Многим, однако, не нравится антропный принцип, так как он придает слишком большое значение нашему существованию. Поэтому поиски другой причины продолжаются. Эти поиски привели к созданию теории инфляции в ранней Вселенной. Идея заключается в ускоренном расширении Вселенной по сравнению со стандартной моделью. Нечто подобное происходит в странах с галопирующей инфляцией, где цены удваиваются каждые несколько месяцев. Инфляция во Вселенной должна была быть гораздо более стремительной: возрастание по меньшей мере в миллиард миллиардов миллиардов раз заставило бы Вселенную иметь плотность настолько близкую к критической, что она до сих пор была бы близка к этому критическому значению. Таким образом, если теория инфляции верна, Вселенная должна содержать достаточно темной материи, чтобы ее плотность была близка к критической. Это означает, что Вселенная, вероятно, в конце концов начнет сжиматься, но примерно столько же времени (примерно пятнадцать миллиардов лет), сколько она уже расширяется.
   Что же такое неизвестная темная материя (если верна теория инфляции)? По-видимому, она отличается от обычного вещества, из которого состоят звезды и планеты. Мы можем вычислить количество различных легких элементов, которые образовались на ранней стадии горячей Вселенной в первые три минуты после Большого взрыва. Количество этих легких элементов зависит от количества обычного вещества во Вселенной. Нарисуем график, по вертикальной оси которого отложим количество легких элементов, а по горизонтальной – количество нормального вещества во Вселенной. Результат вполне соответствует тому, что мы наблюдаем, если количество нормального вещества составляет только -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

от нынешнего критического значения. Может быть, эти вычисления и не верны, но тот факт, что мы получаем наблюдаемые значения для нескольких различных элементов, очень впечатляет.
   Если существует критическая плотность темной материи, главным кандидатом на роль этой темной материи могут быть следы ранних состояний Вселенной. Это могут быть, например, элементарные частицы. Имеются несколько гипотетических кандидатов – частицы, которые, по нашему мнению, могут существовать, но которые мы еще не обнаружили. Но самый вероятный вариант – это нейтрино, существование которого подтверждается вескими доводами. Вначале полагали, что нейтрино не имеет собственной массы, но из последних наблюдений следует, что нейтрино может иметь небольшую массу. Если это подтвердится и масса нейтрино окажется такой, как мы ожидаем, то наличие этих частиц сможет поднять плотность Вселенной до критического значения.
   Еще одну возможность предоставляют черные дыры. Не исключено, что в ранней Вселенной произошел фазовый переход. Примерами фазовых переходов являются кипение и замерзание воды. При фазовом переходе в первоначально однородной среде (типа воды) появляются некоторые особенности; для воды это куски льда или пузырьки пара. Такие неоднородности могут схлопнуться и образовать черные дыры. Если бы черные дыры были очень маленькими, они бы испарились к настоящему моменту из-за квантовомеханического принципа неопределенности, как было сказано выше. Но если бы они имели массу в несколько миллиардов тонн (масса большой горы), они бы по-прежнему роились вокруг нас и их было бы очень трудно обнаружить.
   Единственный способ обнаружить темную материю, однородно распределенную во Вселенной, – зафиксировать ее влияние на расширение Вселенной. Замедление расширения можно отметить, измеряя скорость, с которой от нас удаляются галактики. Дело в том, что мы видим эти галактики такими, какими они были в далеком прошлом, когда свет только покинул их и направился к нам. Можно нарисовать график зависимости скорости галактик от их видимой яркости или звездной величины, которая характеризует их расстояние до нас. Разным темпам замедления расширения будут соответствовать различные виды зависимости на этом графике. График, загибающийся вверх, соответствует Вселенной, которая будет сжиматься. На первый взгляд наблюдения свидетельствуют именно о такой зависимости. Но следует помнить, что видимая яркость галактики все-таки не очень хорошо отражает ее реальное расстояние до нас. Подлинные яркости галактик могут сильно отличаться друг от друга, кроме того, они могут меняться со временем. Поскольку мы точно не знаем, как меняется со временем яркость галактик, мы не можем точно сказать, о чем свидетельствует темп замедления: достаточен ли он для того, чтобы заставить Вселенную в конце концов начать сжиматься, или же она будет продолжать расширяться вечно. Придется ждать, пока не будут найдены другие, более точные способы измерения расстояний до галактик. Но мы по крайней мере можем быть уверены, что темп замедления не настолько большой, чтобы стать причиной для беспокойства в ближайшие несколько миллиардов лет.
   Ни вечное расширение, ни сжатие, которое может прийти ему на смену через сотню миллиардов лет, не являются теми событиями, которые способны нас взбудоражить. Нет ли в запасе чего-то такого, что может сделать наше будущее более захватывающим? Один способ, кажется, просматривается, и это – путешествие в черную дыру. При этом черная дыра должна быть достаточно большой, с массой больше миллиона солнечных масс. Есть большой шанс, что такая большая черная дыра существует в центре нашей Галактики.
   Мы не знаем достоверно, что происходит внутри черной дыры. Существуют такие решения уравнений ОТО, которые допускают возможность путешествия внутрь черной дыры и последующего выхода из белой дыры где-либо в другом месте. Белая дыра – это черная дыра, обращенная во времени. Это объект, из которого все выходит, но ничего туда не попадает. Белая дыра может находиться в какой-то другой части Вселенной. Казалось бы, возникает возможность быстрого внегалактического путешествия. Но беда заключается в том, что оно может оказаться чересчур быстрым. Если бы путешествие сквозь черную дыру было возможно, в принципе ничто не препятствовало бы вам вернуться назад ранее момента отправления. Вы бы могли тогда совершить какое-то ужасное деяние, вплоть до убийства своей собственной матери, которое изначально положило бы конец всем вашим перемещениям.
   По-видимому, к счастью для нашего собственного выживания (и безопасности наших матерей), такие путешествия во времени вряд ли разрешены законами физики. Складывается впечатление, что существует специальное Бюро защиты хронологии, которое гарантирует историкам безопасность мира, запрещая путешествия в прошлое. Возможно, при попытке отправиться туда, принцип неопределенности привел бы к появлению мощной радиации. Эта радиация либо вызвала бы сильную деформацию пространства-времени, из-за которой нельзя было бы попасть во вчера, либо вообще покончила бы с пространством-временем в результате развития сингулярности типа Большого взрыва или Большого хлопка. В любом случае наше прошлое оказалось бы недоступно для злонамеренных личностей. Гипотеза о защите хронологии подтверждается расчетами, выполненными недавно мной и некоторыми другими специалистами. Но самым лучшим доказательством того, что путешествия во времени невозможны и никогда не будут возможны, является отсутствие в нашем настоящем толп туристов из будущего.
   Давайте подведем итоги. Ученые уверены в том, что Вселенная подчиняется строгим законам, которые в принципе дают возможность предсказывать будущее. Но изменения, к которым приводит действие законов, часто хаотичны. Это означает, что крохотное изменение первоначальной ситуации может привести к серьезным изменениям в дальнейшем поведении изучаемого объекта, и они будут быстро усугубляться. Таким образом, на практике возможно только точное прогнозирование ближайшего будущего. Однако Вселенная на очень больших масштабах вполне гармонична и предсказуема. Поэтому открывается возможность просчитать, будет ли Вселенная расширяться вечно или в конце концов начнет сжиматься. Это зависит от современного значения плотности Вселенной. Значение плотности, установленное в настоящее время, приближается к критической плотности, разделяющей два сценария развития Вселенной: сжатие и бесконечное расширение. Если теория инфляции верна, Вселенная по сути находится на острие ножа. Следуя доброй традиции оракулов и пророков, я не возьму на себя смелость сделать твердый и решительный выбор между двумя сценариями, предоставив право на существование им обоим.

   Глава четырнадцатая
   Пластинки для необитаемого острова
   (Интервью)

   Программа BBC «Пластинки для необитаемого острова» вышла в эфир в 1942 году, побила все рекорды по времени своего существования на радио и стала своего рода визитной карточкой Британии. За все время ее существования в эфире программы побывало великое множество гостей. Ведущие брали интервью у писателей, актеров, музыкантов, кинорежиссеров, спортсменов, комиков, шеф-поваров, садовников, учителей, танцоров, политиков, членов королевской семьи, карикатуристов – и ученых. Гостей, которые исполняли роль потерпевших кораблекрушение, просили выбрать восемь музыкальных пластинок (а после – дисков), которые они взяли бы с собой, если бы судьба забросила их на необитаемый остров. Захватить с собой можно было также что-то неодушевленное и дорогое, в том числе их сердцу. В багаже могла присутствовать и книга, которая помогла бы скрасить одиночество на острове (по умолчанию священная религиозная книга – Библия, Коран или свод другого религиозного культа – присутствовала всегда, равно как пьесы Шекспира). Само собой разумеется, что имелся и проигрыватель. Когда-то программа даже начиналась такими словами: «Предположим, у вас есть с собой патефон и неисчерпаемый запас патефонных игл…» Сегодня патефон заменил CD-плеер на солнечных батареях.
   Программа выходит в эфир раз в неделю и длится сорок минут. На всем ее протяжении в эфире звучат музыкальные композиции, выбранные гостем. Исключение было сделано для рождественской программы 1992 года с участием Стивена Хокинга: она шла дольше.
   Программу вела Сью Лоули.
   Сью: Стивен, ведь вы в какой-то мере уже знакомы с чувством изоляции, которое испытывает человек на необитаемом острове, отрезанный от нормальной полноценной жизни и лишенный естественных средств общения. Насколько одиноким вы себя чувствуете?
   Стивен: Я не считаю себя отрезанным от нормальной жизни и думаю, что окружающие меня люди разделяют эту мою точку зрения. Я не чувствую себя человеком с ограниченными возможностями: у меня всего-навсего некоторое заболевание двигательных нейронов. В каком-то смысле я дальтоник. Конечно, мою жизнь трудно назвать обычной, но внутри я чувствую себя совершенно нормальным.
   Сью: Тем не менее вы уже доказали самому себе, в отличие от большинства гостей нашей программы, что вы интеллектуально вполне самодостаточны, что вам хватает теорий и вдохновения, чтобы дать пищу уму.
   Стивен: Да, конечно, от природы я немного интроверт. Мои трудности в общении вынудили меня полагаться на себя. Но мальчишкой я был большим болтуном. А теперь я очень люблю дискуссии, они воодушевляют меня. Когда я рассказываю о своих идеях другим, это очень помогает мне в работе. Даже если мои собеседники не высказывают никаких суждений, сам факт того, что я должен привести в порядок свои мысли, чтобы донести их до слушателей, часто указывает мне дорогу.
   Сью: А как же эмоциональные потребности? Даже блестящий физик нуждается в других людях, чтобы жить полной жизнью.
   Стивен: Физика – превосходная наука, но совершенно бесстрастная. Я бы не смог примириться со своей жизнью, если бы у меня была лишь она. Как и все остальные люди, я нуждаюсь в теплоте, любви, привязанности. И мне очень повезло в этом смысле – гораздо больше, чем многим другим в моем положении, – потому что я не могу пожаловаться на недостаток любви. Музыка также занимает в моей жизни важное место.
   Сью: Скажите, что доставляет вам большее удовольствие – физика или музыка?
   Стивен: Должен сказать, что удовольствие, которое я получал от верно найденного решения в физике, сильнее того, что я когда-либо испытывал, слушая музыку. Но такие сильные переживания случаются обычно несколько раз в жизни, а пластинку можно послушать в любое время.
   Сью: И какую же пластинку вы первой послушали бы на необитаемом острове?
   Стивен: «Глорию» Пуленка. Впервые я услышал ее прошлым летом в городе Аспен в Колорадо. Аспен в основном известен своим горнолыжным курортом, хотя летом там проводятся конференции по физике. Рядом с физическим центром располагается огромный тент, где проходят музыкальные фестивали. Представьте: вы сидите и пытаетесь разобраться, что происходит при испарении черных дыр, а в это время рядом репетируют оркестры. Главные мои увлечения, физика и музыка, сливаются воедино. Идеальное сочетание! Если бы и то, и другое могло сопровождать меня на необитаемом острове, ни о чем другом я бы и не мечтал. Ну, пожалуй, до тех пор, пока не сделал бы открытия в теоретической физике, о котором захотел бы поведать всему миру. Но, как я полагаю, спутниковая тарелка, с помощью которой я мог бы получать свежие научные статьи по электронной почте, не входит в перечень разрешенных предметов.
   Сью: Радио скрывает физические недостатки, но в нашем случае оно маскирует еще одно обстоятельство. Семь лет тому назад, Стивен, вы в буквальном смысле потеряли голос. Не могли бы вы рассказать, что произошло?
   Стивен: Летом 1985 года я был в Женеве, в ЦЕРНе, на большом ускорителе частиц. Я хотел поехать в Байройт, в Германию, чтобы послушать оперный цикл Вагнера «Кольцо Нибелунга». Но я заболел воспалением легких и попал в больницу. В женевской клинике моей жене предложили отключить меня от аппарата искусственного поддержания жизни. Но она не согласилась. Меня перевели в Адденбрукскую клинику в Кембридже, где хирург Роджер Грей сделал мне операцию трахеостомии. Эта операция спасла мне жизнь, но лишила меня голоса.
   Сью: Но уже тогда ваша речь становилась все более невнятной, не так ли? Наверное, в конце концов вы все равно потеряли бы речь?
   Стивен: Несмотря на неразборчивость моей речи, близкие меня понимали. Я мог проводить семинары с помощью переводчика и мог диктовать научные статьи. А в течение какого-то времени после операции я чувствовал себя совершенно опустошенным. Мне казалось, что если голос не вернется ко мне, то жить дальше не имеет смысла.
   Сью: Компьютерный специалист из Калифорнии узнал о вашем бедственном положении и создал ваш голос заново. Как это работает?
   Стивен: Его звали Уолт Волтош. У его приемной матери был такой же недуг, как и у меня, и он разработал компьютерную программу, чтобы помочь ей в общении. Курсор двигается по экрану. Когда он доходит до нужной позиции, вы можете «кликнуть» на эту позицию с помощью движения головы или глаз. Я делаю это рукой. Таким образом можно выбирать слова, которые будут печататься в нижней части экрана. Когда будет составлена желаемая фраза, можно озвучить ее с помощью речевого синтезатора или сохранить на диске.
   Сью: Но все это довольно медленно.
   Стивен: Да, это медленно, примерно в десять раз медленнее обычной речи. Но зато речевой синтезатор говорит намного разборчивее, чем получалось у меня до болезни. Британцы говорят, что у меня теперь американский акцент, а американцы утверждают, что он скорее скандинавский или ирландский. В любом случае, как бы то ни было, все меня понимают. Мои старшие дети привыкали к моей речи по мере того, как она ухудшалась, а вот мой младший сын, которому было всего шесть лет ко времени моей операции, совсем не понимал меня раньше. Теперь такой проблемы нет. Я просто счастлив.
   Сью: Это также значит, что у вас больше времени подумать над вопросом, который вам задают, и вы можете давать более продуманные и взвешенные ответы, не так ли?
   Стивен: Обычно, если мое интервью записывают для радиопередачи, мне помогает заранее предоставленный список вопросов, и мне не приходится тратить лишнее время и пленку на запись ответов. В каком-то смысле это дает мне возможность контролировать ситуацию. Но все-таки я предпочитаю давать ответы в режиме реального времени, навскидку. Именно так я и делаю после семинаров и популярных лекций.
   Сью: Вы говорите, что это дает вам возможность управлять ситуацией, а я знаю, что это очень важно для вас. Ваши родные и друзья иногда называют вас упрямым и властным. Вы признаете справедливыми такие обвинения?
   Стивен: Любого человека со здравым смыслом иногда можно назвать упрямым. Я бы предпочел говорить, что я волевой человек. Если бы я таким не был, меня бы здесь не было.
   Сью: Вы всегда были таким?
   Стивен: Я всего лишь хочу контролировать свою жизнь так же, как это делают все. Очень часто людьми с ограниченными возможностями управляют другие. Никто из здоровых людей с этим мириться не будет.
   Сью: Давайте вернемся к музыке. Какая ваша вторая любимая пластинка?
   Стивен: Скрипичный концерт Брамса. Это была первая пластинка, которую я купил в своей жизни. Шел 1957 год, и в Британии только что появились проигрыватели, работавшие со скоростью 33 оборота в минуту. Мой отец считал, что покупать такой проигрыватель – верх безрассудства, но я убедил его, что сам сумею собрать «вертушку» из частей, которые куплю по дешевке. Этот довод для него, как для йоркширца, стал решающим. В старый корпус патефона на 78 оборотов я смонтировал диск с движком, тонарм и усилитель. К сожалению, я не сохранил его, а ведь этот проигрыватель сейчас был бы большим раритетом.
   Собрав этот аппарат, я захотел что-нибудь на нем послушать. Школьный приятель посоветовал мне найти скрипичный концерт Брамса, потому что среди наших друзей ни у кого не было этой пластинки. Я помню, она стоила тридцать пять шиллингов [54 - Около 20 советских рублей. В Советском Союзе подобная пластинка после 1961 года стоила 1 руб. 70 коп. – Прим. ред.], что в те времена было баснословно дорого, особенно для меня. Конечно, цены на пластинки в абсолютном смысле с тех пор поднялись, но относительно других товаров они стали дешевле.
   Когда я впервые прослушал эту пластинку в магазине, мне она показалась довольно странной. Я совершенно не был уверен, что она мне нравится, но правила приличия заставили меня сказать обратное. Однако через несколько лет она стала мне очень дорога. Сейчас я хотел бы послушать начало адажио.
   Сью: Один из старинных друзей вашей семьи сказал мне, что вашу семью считали – я цитирую – «очень интеллигентной, очень умной и очень эксцентричной». Теперь, заглядывая в прошлое, скажите: верно ли это?
   Стивен: Мне трудно сказать, была ли наша семья интеллигентной, но эксцентричными мы себя точно не чувствовали. Хотя, конечно, мы могли казаться такими по меркам Сент-Олбанса, весьма степенного и консервативного по тем временам городка.
   Сью: Ваш отец был специалистом по тропическим болезням.
   Стивен: Мой отец проводил исследования в области тропической медицины. Он часто уезжал в Африку, чтобы в полевых условиях испытать новые медикаменты.
   Сью: Значит, ваша мать имела на вас большее влияние? И если это так, как вы могли бы охарактеризовать это влияние?
   Стивен: Нет, отец имел на меня большее влияние. Я брал с него пример. Он был ученым, исследователем, и я воспринимал научную карьеру как нечто само собой разумеющееся. Разница была только в том, что меня не интересовали медицина и биология, так как они казались мне слишком неточными и описательными науками. Я хотел чего-то более фундаментального, и я нашел это в физике.
   Сью: По утверждению вашей матери, вы всегда умели удивляться. «Я понимала, что его могут привлечь звезды», – говорила она. Вы помните это?
   Стивен: Я помню, как однажды ночью возвращался домой из Лондона. В те времена уличное освещение в целях экономии выключали в полночь. Я увидел звездное небо таким, каким до этого не видел никогда: Млечный Путь от края и до края. На моем необитаемом острове не будет ни одного уличного фонаря, уж там я наслажусь видом ночного неба.
   Сью: Очевидно, вы были очень ярким ребенком, верховодили в играх с сестрой. В то же время в школе вы могли быть одним из последних в классе, и вас это совсем не волновало. Так ли это?
   Стивен: Так было в тот год, когда я начал учиться в школе Сент-Олбанса. Но надо сказать, что это был очень сильный класс. Мне было куда легче сдавать экзамены, чем ежедневно присутствовать на занятиях. Я был уверен, что могу достичь большего, но все дело портили почерк и общая неаккуратность, которые тянули меня на дно классной иерархии.
   Сью: Какова же пластинка номер три?
   Стивен: Когда я учился на последнем курсе в Оксфорде, я прочел роман Олдоса Хаксли «Контрапункт». Он был задуман как сага о 1930-х годах, там было множество действующих лиц. Большинство из них, правда, были выписаны достаточно схематично, но один герой выглядел очень жизненно и, очевидно, был во многом списан автором с самого себя. Этот персонаж убил лидера британских фашистов, прототипом которого был сэр Освальд Мосли. Затем он поставил в известность о своем поступке других членов обезглавленной им партии и стал слушать пластинку Бетховена, струнный квартет, опус 132. В середине третьей части позвонили в дверь его дома. Он открыл дверь и был застрелен фашистами.
   Сам роман мне не понравился, но я целиком поддерживаю Хаксли в его выборе музыки. Если бы мне сказали, что на мой остров надвигается цунами, я бы решил послушать под конец именно третью часть этого квартета.
   Сью: Вы поступили в университетский колледж в Оксфорде, чтобы учиться физике и математике. По вашим собственным оценкам, вы посвящали учебе в среднем около одного часа в сутки. Я читала, что вы занимались греблей, участвовали в пивных вечеринках, разыгрывали людей ради собственного удовольствия. Как вы это объясните? Почему вы так мало времени уделяли учебе?
   Стивен: Это был конец 1950-х годов, молодежь была разочарована в политической правящей элите. Никому, казалось, ничего не нужно было в жизни, кроме изобилия и еще раз изобилия. Консерваторы одержали свою очередную, третью победу на выборах с лозунгом «Еще никогда не было так хорошо». Большинство моих ровесников, включая и меня тоже, откровенно устали от всего этого.
   Сью: Тем не менее вы смогли за несколько часов решить те задачи, над которыми ваши сокурсники бились несколько недель. Они считали, и не раз говорили об этом, что вы обладали исключительным талантом. А вы сами догадывались о своих талантах?
   Стивен: Курс физики в Оксфорде в то время был смехотворно простым. Можно было вообще не ходить на лекции, а лишь пару раз в неделю посещать семинары. Память особенно напрягать тоже было не нужно, достаточно было запомнить несколько уравнений.
   Сью: Но ведь именно в Оксфорде вы заметили, что руки и ноги перестают подчиняться вам. Как вы тогда это себе объясняли?
   Стивен: Первое, что я заметил, это то, что мне стало труднее грести. Потом я упал с лестницы, выходя из студенческой комнаты отдыха. Я пошел к университетскому доктору, так как боялся, что у меня может быть сотрясение мозга, но он сказал, что у меня все в порядке, и посоветовал мне завязать с пивом. Сдав в Оксфорде выпускные экзамены, я уехал на лето в Иран. Когда я вернулся, то чувствовал себя гораздо хуже, но думал, что сказываются последствия расстройства желудка.
   Сью: В какой момент вы признали, что с вами что-то неладно, и решили обратиться к врачу?
   Стивен: Я был в Кембридже. На Рождество я поехал домой. Была очень холодная зима, примерно 17 градусов мороза. Моя мама уговорила меня пойти покататься на коньках на нашем озере в Сент-Олбансе, хотя мне этого совсем не хотелось. Там я упал и поднялся с большим трудом. Мама сильно забеспокоилась и повела меня к семейному врачу.
   Сью: Вы провели три недели в больнице, после чего вам сказали, что дело плохо?
   Стивен: Я лежал в госпитале Святого Варфоломея в Лондоне (отец мой хорошо знал это учреждение). Я провел там две недели, сдавал анализы, но ничего конкретного мне не сообщали. Только что у меня не рассеянный склероз и что это нетипичный случай. Мне не говорили, каковы мои перспективы, но я понимал, что ничего хорошего меня не ждет, и поэтому даже не спрашивал.
   Сью: В конце концов вам сказали, что вам осталось жить пару лет или около того. Теперь давайте отдохнем, Стивен, и послушаем вашу следующую пластинку.
   Стивен: «Валькирия», акт первый. Это была также одна из первых пластинок, с Мельхиором и Леман в главных партиях. Сначала, перед войной, она была записана на скорости 78 оборотов, а в начале 1960-х ее переписали в новом формате. Когда у меня диагностировали заболевание двигательных нейронов, я обратился к Вагнеру, так как он со своим трагическим мистицизмом более всего соответствовал моему тогдашнему настроению. К несчастью, мой речевой синтезатор недостаточно образован и слишком мягко произносит букву «W». Для синтезатора фамилию композитора мне приходится писать как «V-A-R-G-N-E-R», чтобы она звучала более-менее похоже.
   Четыре оперы цикла «Кольцо Нибелунга» – это величайшее творение Вагнера. Я ездил слушать его в Байройт в Германию со своей сестрой Филиппой в 1964 году. В то время я еще не очень хорошо был знаком с этим циклом, и вторая опера, «Валькирия», произвела на меня ошеломляющее впечатление. Она была поставлена оперным режиссером Вольфгангом Вагнером, и вся сцена тонула во тьме. Это любовная история о близнецах, Зигмунде и Зиглинде, которых разлучили в детстве. Они встретились спустя несколько лет, когда Зигмунд скрывался в доме Гундинга, мужа Зиглинды и своего противника. Отрывок, который я хочу послушать, – это рассказ Зиглинды о своей вынужденной свадьбе с Гундингом. В разгар свадебного торжества в зал входит старик. Оркестр играет тему Вальгаллы, одну из самых знаменитых в «Кольце». Старик-странник оказывается Одином, главным из богов, и отцом Зигмунда и Зиглинды. Он вонзает меч в ствол ясеня. Этот меч предназначен для Зигмунда. В конце акта Зигмунд вытаскивает меч, и брат с сестрой скрываются в лесу.
   Сью: Когда знакомишься с историей вашей жизни, Стивен, то возникает впечатление, что смертный приговор, вынесенный вам, возродил вас к жизни, или, говоря другими словами, жизнь для вас стала самым главным.
   Стивен: Первой реакцией была глубокая депрессия. Мне казалось, что болезнь моя очень быстро прогрессирует. Мне не хотелось ничего делать, не хотелось работать над диссертацией, потому что я не знал, успею ли ее закончить. Но затем дела пошли на лад. Болезнь перестала прогрессировать, и я опять принялся за работу, в частности, продолжал разрабатывать теорию возникновения Вселенной в результате Большого взрыва.
   Сью: Вы даже сказали в одном интервью, что вы сейчас более счастливы, чем до болезни.
   Стивен: Да, сейчас я более счастлив. До своей болезни я был очень утомлен жизнью. Но перспектива ранней смерти заставила меня понять, что жизнь – такая штука, ради которой стоит жить. Мы так много можем успеть сделать, каждый из нас. Я очень рад тому, что сделал скромный и в то же время существенный вклад в копилку человеческих знаний, несмотря на свою болезнь. Конечно, я счастлив, но любой человек может достигнуть больших успехов, если сильно постарается.
   Сью: То есть вы хотите сказать, что достигли всего благодаря вашей болезни? Или это слишком упрощенный взгляд на вещи?
   Стивен: Нет, я не думаю, что нейромоторное заболевание дает какие-либо преимущества. Но для меня болезнь не стала таким тяжелым испытанием, каким она могла бы стать для других людей, потому что она не остановила моих попыток понять, как работает Вселенная. Я продолжал делать то, чего хотел.
   Сью: Еще одним источником вдохновения, человеком, который помог вам смириться с болезнью, была молодая девушка Джейн Уайлд. Вы познакомились с ней на вечеринке, влюбились в нее, и впоследствии она стала вашей супругой. Насколько вы обязаны своими успехами ей?
   Стивен: Без нее я бы просто не справился. Помолвка с ней помогла мне выбраться из пучины отчаяния, в которой я находился. Поскольку мы хотели пожениться, то я должен был найти работу и закончить свою диссертацию. Я начал усердно трудиться и вскоре понял, что мне это приносит удовольствие. Джейн сама ухаживала за мной, без посторонней помощи, по мере того, как болезнь прогрессировала. На этом этапе никто нам помощи не предлагал, да мы и не могли позволить себе ее.
   Сью: И вместе с ней вы бросили вызов докторам. Вы не только продолжали жить, но более того – у вас появились дети. Роберт родился в 1967 году, Люси – в 1970 году, Тимоти – в 1979 году. Насколько шокированы были доктора?
   Стивен: Врач, поставивший мне диагноз, фактически умыл руки. Он считал, что ничего нельзя сделать. Я никогда с ним не встречался после того диагноза. Настоящим доктором для меня стал мой отец, и именно к нему я обращался за советами. Он сказал: нет никаких оснований считать, что болезнь может передаться по наследству. Джейн заботилась и обо мне, и о наших детях. И только когда мы поехали в Калифорнию в 1974 году, нам пришлось попросить о помощи посторонних людей. Вначале нам помогал мой ученик, живший с нами, а позже мы наняли сиделок.
   Сью: Но сейчас вы с Джейн больше не вместе.
   Стивен: После трахеостомии мне нужна была круглосуточная сиделка. Наш брак подвергся серьезному испытанию на прочность. В конце концов я переехал в новую квартиру в Кембридже. Теперь мы живем отдельно.
   Сью: Давайте снова послушаем музыку.
   Стивен: «Битлз», «Please Please Me» [55 - «Пожалуйста, порадуй меня» (англ.). Дебютная пластинка группы «Битлз». – Прим. ред.]. После первых четырех серьезных пластинок хочется немного отдохнуть. Для меня, как и для многих других, «Битлз» стали желанным глотком свежего воздуха на общем фоне затхлой и блеклой популярной музыки. Раньше я слушал лучшую двадцатку композиций по «Радио Люксембург» воскресными вечерами.
   Сью: Несмотря на все ваши регалии, титулы и звания, мистер Стивен Хокинг, – я хочу специально отметить, что вы являетесь Лукасовским профессором математики в Кембридже на кафедре Исаака Ньютона, – вы решили написать популярную книгу о вашей работе. Мне кажется, причина очень проста: вы нуждаетесь в деньгах.
   Стивен: Я никогда не рассчитывал на большие доходы от своих книг. И я писал «Краткую историю времени», потому что мне это нравилось. Я не надеялся, что она так хорошо пойдет.
   Сью: Действительно, это издание побило все рекорды и вошло в Книгу рекордов Гиннесса по продолжительности своего нахождения в списке бестселлеров. И книга до сих пор в этом списке. Никто не может точно сказать, сколько экземпляров продано по всему миру, но это число уже перевалило за десять миллионов. Люди ее покупают. Но возникает вопрос: действительно ли они читают ее?
   Стивен: Я знаю, что Бернард Левин [56 - Британский журналист и радиоведущий. – Прим. ред.] остановился на двадцать девятой странице. Но я знаю и тех, кто пошел дальше. Люди из разных уголков планеты пишут мне, что им очень нравится моя книга. Может быть, они не прочитали ее до конца и не все поняли в прочитанном, но по крайней мере они получили представление о том, что мы живем во Вселенной, управляемой рациональными законами. Эти законы мы можем открыть и понять.
   Сью: Конечно, воображение поражает в первую очередь концепция черной дыры. Именно она возродила интерес к космологии. Видели ли вы серии «Звездного пути» (англ. Star Trek), в которых «человек отважно идет туда, где никогда не был раньше», и так далее? Если смотрели, понравились ли они вам?
   Стивен: Подростком я читал много научной фантастики о космосе. Но теперь, когда я сам работаю в этой области, научная фантастика представляется мне все-таки поверхностной. Легко писать о путешествиях в гиперпространстве или телепортации, особенно если вы не заботитесь о том, чтобы создать целостную картину. Реальная наука способна взволновать куда сильнее, потому что она описывает то, что происходит на самом деле. У научных фантастов не хватило фантазии предсказать существование черных дыр. Только физики сделали это. А теперь у нас есть веские основания полагать, что они существуют.
   Сью: Что же случится, если вы провалитесь в черную дыру?
   Стивен: Все, кто читал современную научную фантастику, знают, что произойдет при падении в черную дыру. Вы превратитесь в спагетти. Но самое интересное, что черные дыры не до конца черные. Они постоянно испускают частицы и излучение. В результате чего черная дыра постепенно испаряется. Но мы не знаем, что произойдет в конце концов с черной дырой и ее содержимым. Вот это по-настоящему захватывающая область исследований, но научные фантасты еще не поднялись до таких высот.
   Сью: Излучение, о котором вы упомянули, конечно, называется излучением Хокинга. Хотя и не вы открыли черные дыры, но именно вы доказали, что они не совсем черные. Но ведь именно открытие черных дыр подтолкнуло вас к размышлениям о происхождении Вселенной, не так ли?
   Стивен: Процесс коллапса звезды, которая превращается в черную дыру, очень похож на процесс расширения Вселенной, пущенный вспять. Звезда коллапсирует из состояния с низкой плотностью в состояние с очень высокой плотностью. А Вселенная расширяется от очень высокой плотности к более низкой. Но есть и большое отличие: мы вне черной дыры, но внутри Вселенной. Но и там, и там существует тепловое излучение.
   Сью: По вашим словам, неизвестно, что случится в конце концов с черной дырой и ее содержимым. Но мне казалось, что – как предполагает теория, что бы ни случилось, что бы ни поглотила черная дыра (включая астронавта), это все в конечном итоге возродится в виде излучения Хокинга.
   Стивен: Энергия массы астронавта возродится в виде излучения, испущенного черной дырой. Но сам астронавт и даже частицы, из которых состоит его тело, не смогут выйти из черной дыры. Возникают вопросы: что с ними произойдет? Будут ли они разрушены или они перейдут в другую вселенную? Вот это меня интересует более всего. Сам я вовсе не думаю о прыжке в черную дыру.
   Сью: Стивен, помогает ли вам интуиция? То есть я хочу сказать, бывает ли так, что в голову приходит идея, которая вам нравится, и Вы начинаете ее разрабатывать и доказывать? Или же вы, как ученый, всегда полагаетесь на логику, чтобы прийти к тем или иным выводам, и не пытаетесь угадать ответ заранее?
   Стивен: Я придаю интуиции очень большое значение. Сначала я пытаюсь угадать результат, но потом мне надо доказать его. И на этом этапе часто мои первоначальные мысли оказываются неправильными, появляется нечто, о чем я вообще раньше не думал. Именно так я понял, что черные дыры не являются полностью черными. На самом деле я хотел доказать кое-что другое.
   Сью: Давайте вернемся к музыке.
   Стивен: Одним из моих любимейших композиторов всегда был Моцарт. Он написал множество музыкальных произведений. На мой пятидесятилетний юбилей, который я отпраздновал в этом году, мне подарили полное собрание его сочинений на CD, более двухсот часов непрерывного звучания. Я регулярно слушаю эту музыку. Несомненно, «Реквием» – одно из величайших музыкальных произведений. Моцарт не успел закончить эту вещь, она была завершена одним из его учеников, который использовал фрагменты, созданные учителем. Мы сейчас послушаем интроит [57 - Интрóит (от лат. introitus – вступление) – входное песнопение литургической мессы в католическом и лютеранском богослужении. – Прим. ред.], единственную часть, которая была полностью написана и оркестрована Моцартом.
   Сью: Боюсь трактовать ваши теории чересчур упрощенно (я надеюсь, Стивен, вы меня за это простите), но вы вначале полагали, что когда-то существовал момент творения, Большой взрыв. Теперь вы уже так не думаете. Вы считаете, что начала не было, как не будет и конца, и что Вселенная самодостаточна. Значит ли это, что не было акта творения и, следовательно, для Бога нет места?
   Стивен: Да, вы чересчур упростили. Я до сих полагаю, что Вселенная имела начало в реальном времени в виде Большого взрыва. Но существует еще одно время, воображаемое, направленное под прямым углом к реальному. В этом воображаемом времени у Вселенной нет ни начала, ни конца и способ возникновения Вселенной определяется законами физики. Из этого не следует, что Бог обустроил Вселенную в произвольной манере, неподвластной нашему разуму. В моих теориях нет ни слова о том, существует Бог или нет. Утверждается только, что Он не поступает произвольным образом.
   Сью: Если существует вероятность того, что Бога нет, как вы объясняете все то, что находится за пределами научного познания: любовь, веру – в частности, вам и вашему озарению?
   Стивен: Любовь, вера, мораль – эти категории физика не рассматривает. Физические законы не определяют модель поведения. Но можно надеяться, что логический способ мышления, на котором основаны физика и математика, будет служить подспорьем для человеческой морали.
   Сью: Но мне кажется, многие считают, что вы научились обходиться без Бога. Так ли это?
   Стивен: Из результатов моей работы всего лишь следует, что нам не следует считать, будто Вселенная возникла по прихоти Бога. Но остается главный вопрос: почему Вселенная вообще существует? Если хотите, можете считать Бога ответом на этот вопрос.
   Сью: Давайте послушаем пластинку номер семь.
   Стивен: Я очень люблю оперу. Вначале я хотел остановить свой выбор на восьми операх, включая Глюка, Моцарта, Вагнера, Верди и Пуччини. Но потом я решил ограничиться двумя. Вагнера мы уже слушали. Пусть теперь будет Пуччини. «Турандот», несомненно, величайшая опера этого композитора, но опять-таки – он умер, не успев ее закончить. Я выбрал отрывок, в котором рассказывается о том, как китайская принцесса Турандот была похищена монголами. Непокорная Турандот отказывается выходить замуж до тех пор, пока потенциальный супруг не разгадает три ее загадки. Если он не сможет дать правильный ответ, его ожидает казнь.
   Сью: Что значит для вас Рождество?
   Стивен: Для меня это как американский День благодарения, когда вся семья собирается вместе и с благодарностью вспоминает события уходящего года. Это также время обратить свои взоры в наступающий год, о чем нам напоминает Рождество Христово.
   Сью: Давайте вновь спустимся на землю. Какие подарки вы хотели бы получить к празднику? Или вы настолько обеспечены, что вам ничего не нужно?
   Стивен: Я предпочитаю сюрпризы. Если кто-то заказывает себе подарки, то он лишает дарителя свободы использовать собственное воображение. Но не собираюсь держать ото всех в секрете тот факт, что люблю шоколадные трюфели.
   Сью: Стивен, вы уже живете на тридцать лет дольше, чем вам было отведено врачами. Вы стали отцом детей, хотя вам предсказывали, что детей у вас не будет. Вы написали бестселлер. Вы перевернули устоявшиеся представления о пространстве и времени. Что вы еще планируете сделать до того, как покинете эту планету?
   Стивен: Все это стало возможным только благодаря огромной помощи, оказанной мне. Я доволен всем тем, что сделал, но многое мне еще предстоит. Не буду говорить о своей личной жизни. А в научном плане я хотел бы узнать, как можно объединить гравитацию с другими силами природы и с квантовой механикой. В частности, я хочу понять, что происходит с черной дырой в процессе ее испарения.
   Сью: И последняя пластинка.
   Стивен: Я хочу, чтобы вы сами произнесли ее название: мой речевой синтезатор ограничен американским английским, французским произношением он не владеет. Я хочу послушать песню Эдит Пиаф «Je ne regrette rien» [58 - «Я ни о чем не жалею» (фр.) – Прим. ред.]. Эта песня подводит итог и моей жизни.
   Сью: Итак, Стивен, если бы вам пришлось взять на необитаемый остров только одну из этих восьми пластинок, какую бы вы выбрали?
   Стивен: «Реквием» Моцарта. Я готов слушать его, пока не сядут батарейки в моем плеере.
   Сью: А ваша книга? Напоминаю, что Библия и полное собрание сочинений Шекспира уже с вами по умолчанию.
   Стивен: Я возьму «Миддлмарч» Джордж Элиот. Не помню, кто точно, кажется, Вирджиния Вулф сказала, что это книга для взрослых. Я не уверен, что уже взрослый, но попробую им стать.
   Сью: И предмет роскоши?
   Стивен: Я бы взял неисчерпаемый запас крем-брюле. Для меня это воплощение роскоши.
   Сью: Значит, запишем: крем-брюле вместо шоколадных трюфелей. Спасибо большое, доктор Стивен Хокинг, за то, что вы и ваша музыка были с нами во время путешествия на необитаемый остров. Счастливого вам Рождества!
   Стивен: Спасибо, что пригласили меня. Шлю вам рождественские поздравления с моего необитаемого острова. Сдается мне, что погода у меня здесь получше!

Стивен Хокинг Черные дыры и молодые вселенные

-------| Библиотека iknigi.net|-------| -------

Глава вторая Оксфорд и Кембридж

Глава шестая Моя позиция [20 - Первоначально это эссе было представлено как доклад в мае 1992 г. в колледже Гонвилл и Киз.]

Глава восьмая Мечта Эйнштейна [31 - Лекция прочитана в рамках мероприятия, проходившего в японской IT-компании NTT Data Communications Systems (Токио, июль 1991 г.).]

Глава десятая Квантовая механика черных дыр [37 - Статья опубликована в журнале Scientific American в январе 1977 г.]

Глава одиннадцатая Черные дыры и молодые вселенные [45 - Лекция прочитана в пользу фонда Хичкока в Калифорнийском университете в Беркли в апреле 1988 г.]

Глава двенадцатая Все ли предопределено на свете? [49 - Лекция прочитана на семинаре клуба «Сигма» в Кембриджском университете (апрель 1990 г.).]

Глава тринадцатая Будущее Вселенной [50 - Лекция в рамках Дарвиновских чтений в Кембриджском университете (январь 1991 г.).]

Глава четырнадцатая Пластинки для необитаемого острова (Интервью)