Текст книги "Саммари книги «Краткие ответы на большие вопросы»"

Саммари книги «Краткие ответы на большие вопросы»
Текст Алины Григорьевой

Последние сорок лет жизни астрофизик Стивен Хокинг занимался изучением чёрных дыр и тем, как можно объединить квантовую теорию с общей теорией относительности.

Книга «Краткие ответы на большие вопросы» – сборник серьезных тем, над которыми ученый размышлял до самой смерти.

Ответы на шесть вопросов глубоко связаны с научными интересами Стивена:

● Есть ли Бог?

● Как всё началось?

● Можно ли предсказать будущее?

● Что находится внутри черных дыр?

● Возможно ли путешествие во времени?

● Как мы формируем будущее?

Ответы на четыре других вопроса не имеют прямого отношения к темам, которыми он занимался, тем не менее его ответы и здесь демонстрируют глубокую мудрость и креативность.

● Сохранится ли жизнь на Земле?

● Есть ли другая разумная жизнь во Вселенной?

● Надо ли осваивать космос?

● Превзойдет ли нас искусственный интеллект?

Стивен Хокинг и тяга к знаниям

Людей всегда интересовали вопросы экзистенциального характера. Раньше мы искали ответы в суевериях, теперь же наука может ответить на большинство из них. Откуда мы взялись? Как родилась Вселенная? Стоит ли за всем этим глубокий замысел? Есть ли еще кто-то, кроме нас, в космосе? Теоретическая физика кажется сложной наукой, но многие фундаментальные аспекты возможно объяснить простыми словами, не прибегая к сложным формулам.

Стивен Хокинг появился на свет ровно через 300 лет после смерти Галилея (ему всегда хотелось думать, что это как-то повлияло на его научную жизнь).

Стивен вырос в Лондоне, ходил в школу для мальчиков, где был «среднячковым» учеником. Он увлекался наукой и, как и его отец, поступил в Оксфорд, но и там учился не очень прилежно.

После выпуска путешествовал в Иран. По возвращении в 1962 году Хокинг поступил в Кембридж на факультет прикладной математики и теоретической физики. В тот же год после множества обследований он впервые услышал свой диагноз – боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь моторных нейронов, при которой нервные клетки головного и спинного мозга атрофируются, а затем рубцуются.

Болезнь быстро прогрессировала, врачи полагали, что Стивену осталось не больше полугода. Он впал в депрессию. Но пока есть жизнь, есть и надежда. К тому же он встретил прекрасную женщину по имени Джейн, которой суждено было стать его женой. Она подарила ему трех замечательных детей.

Хокинг продолжал заниматься изучением черных дыр, что вылилось в публикацию книги с Джорджем Эллисом «Крупномасштабная структура пространства-времени» (1973). В 1974 году его избрали членом Королевского общества, а через три года Стивен стал профессором.

Болезнь его прогрессировала, теперь Хокинг пользовался инвалидным креслом. После 1985-го ему провели трахеотомию, которая лишила его возможности говорить. Программист из Калифорнии Уолт Уолтосц узнал о его трудностях и написал программу, позволяющую общаться при помощи синтезатора речи.

Несмотря на все трудности, Стивен продолжал заниматься наукой. К тому же написал книгу «Краткая история времени», которая сделала его самым узнаваемым ученым в мире. И он верил, что физика может ответить на большинство вопросов о Вселенной.

Вопрос первый: Есть ли Бог?

Сейчас мы знаем, что Вселенная живет по нерушимым законам. Наука объясняет большинство из них, так что Богу отводится только одно событие – происхождение Вселенной.

Для того чтобы создать собственную Вселенную, нужно всего три ингредиента: материя, энергия и пространство. Но благодаря Эйнштейну мы знаем, что масса, т. е. материя, и энергия, по сути, одно и то же. Значит, нам нужны только пространство и энергия. И всё это возникло спонтанно из-за события, названного «Большой взрыв». Но кто запустил этот процесс? Что стало катализатором?

Законы природы не только говорят, что Вселенная может внезапно возникнуть без посторонней помощи, как протон, но и не исключают того, что у Большого взрыва вообще не было причины. Никакой.

Это объяснение опирается на теории Эйнштейна и его идею о том, что пространство и время во Вселенной имеют фундаментальную взаимосвязь. В момент Большого взрыва произошло нечто очень интересное: началось само Время.

Чтобы понять это, представьте черную дыру. По сути, черная дыра – это звезда, обладающая такой сильной гравитацией, что даже свет не может ее преодолеть. И это притяжение настолько сильное, что искажает не только свет, но и время. Внутри черной дыры времени попросту не существует.

Это и есть ключевой фактор в понимании рождения Вселенной. По мере путешествия во времени к моменту Большого взрыва Вселенная будет становиться всё меньше и меньше, пока не достигнет точки, в которой превратится в пространство, настолько малое, что станет, по сути, одной, бесконечно малой, бесконечно плотной черной дырой. И согласно законам природы время внутри нее останавливается. Нельзя продвинуться во времени до начала Большого взрыва, потому что до Большого взрыва времени просто не существовало. Причины нет, потому что нет времени, в котором могла возникнуть эта причина. Для Хокинга это означает, что нет возможности существования Творца, потому что нет времени, в котором этот Творец мог бы существовать.

Вопрос второй: Как всё началось?

Раньше принято было считать, что Вселенная существует вечно, а значит, у нее нет начала. Однако еще в 1915 году Эйнштейн разработал революционную теорию относительности. Согласно этой теории пространство и время не являются абсолютом, не являются фиксированным фоном для всех событий. До этого время представлялось скорее абстрактной величиной, будто бы оно течет из бесконечного прошлого в бесконечное будущее.

С помощью современных технологий, таких как телескоп «Хаббл», ученые выяснили, что Вселенная бесконечно расширяется, галактики будто бы убегают друг от друга. Судя по нынешней скорости расширения, можно вычислить, что десять-пятнадцать миллиардов лет назад они располагались очень близко. Значит, Вселенная не всегда была в том виде, в каком мы видим ее сейчас.

Стивен Хокинг с британским физиком и математиком Роджером Пенроузом смогли доказать: если общая теория относительности Эйнштейна верна и соблюдаются определенные рациональные условия, то Вселенная должна иметь начало. Вселенная началась с Большого взрыва, с момента, когда Вселенная и всё, из чего она состоит, были втиснуты в единственную точку бесконечной плотности, в пространственно-временную сингулярность.

Хокингу и ряду других ученых не очень нравится идея сингулярности, потому что тогда общая теория относительности перестает работать, а значит, перестают работать законы природы. И тогда не приведет ли это к тому, что законы не будут работать и в других случаях? Но в 1927 году оказалось, что в природе существует определенный уровень хаотичности, или случайности, который не может исключить ни одна, даже лучшая, теория. Это отражено в принципе неопределенности, предложенном немецким ученым Вернером Гейзенбергом. То есть невозможно точно определить положение и скорость всех частиц в пространстве в любой момент времени. Чтобы понять происхождение Вселенной, необходимо совместить принцип неопределенности с общей теорией относительности Эйнштейна. Это сложнейшая задача для физиков-теоретиков, которая не решена до сих пор.

Благодаря принципу неопределенности Гейзенберга ученые могут только предполагать, где и в какое время находятся, находились или будут находиться частицы. Можно лишь определить вероятность конкретных комбинаций положения и скорости. Это приводит к тому, что у Вселенной множество вариантов как будущего, так и прошлого. Американский физик Ричард Фейнман предложил устанавливать каждому варианту истории степень вероятности.

Получается, что из множества вероятностей возникновения Вселенной нам выпала та, в которой появились существа, способные спросить: «Почему Вселенная именно такая?» Это называется антропным принципом.

Таким образом, можно отбросить все истории, в которых жизнь на Земле не зародилась, оставив лишь ту подгруппу, где мы существуем.

В современной науке есть надежда на подтверждение всех этих теорий с помощью Большого адронного коллайдера (БАК), ускорителя заряженных частиц, который работает в ЦЕРНе (крупнейшей в мире лаборатории физики высоких энергий), недалеко от Женевы. Он работает при низких энергиях, но, если повезет, будут хотя бы первые намеки на то, что теория относительности в купе с принципом неопределенности правдивы.

Вопрос третий: Есть ли другая разумная жизнь во Вселенной?

То, что мы обычно понимаем как «жизнь», основано на цепочках атомов углерода с вкраплением некоторых других атомов, например, азота или фосфора. Можно допустить существование жизни на какой-то иной химической основе, например кремния, но углерод представляется наиболее подходящим, потому что обладает высочайшей способностью образовывать химические связи различного типа. То, что атомы углерода должны присутствовать всюду, со свойствами, которыми они обладают, требует тонкой настройки ряда физических констант.

Таким образом, вновь возвращаемся к антропному принципу. В нашей Вселенной, скорее всего, действует так называемый «слабый антропный принцип», так как мы возникли потому, что Вселенная так тонко настроена, а не наоборот. Если нет никакого Творца, который подстроил Вселенную под людей, то выходит, что возникновение жизни – лишь удачно сбывшаяся вероятность.

13,8 миллиарда лет назад произошел Большой взрыв и родилась Вселенная. Тогда было так жарко, что всё вещество должно было существовать в виде частиц, которые мы называем протонами и нейтронами. Изначально протонов и нейтронов было поровну. Однако по мере расширения Вселенная остывала. Некоторые нейтроны сталкивались с протонами, сливались и образовывали другой простейший элемент – гелий. Но молодая Вселенная всё равно оставалась еще слишком горячей для того, чтобы атомы могли создавать молекулы. Вселенная продолжала расширяться и остывать. Но в некоторых ее участках плотность оказывалась несколько выше, коллапс вещества стал приводить к образованию звезд и галактик. Это началось примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва. Некоторые из первых звезд должны были быть массивнее нашего Солнца, температура их тоже была выше и способствовала превращению первоначальных гелия и водорода в более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и железо.

Наша Солнечная система образовалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, или чуть меньше 9 миллиардов лет после Большого взрыва, из газа, содержащего остатки ранних звезд. Земля сформировалась преимущественно из тяжелых элементов, в том числе из углерода и кислорода. Каким-то образом отдельные атомы смогли объединиться в виде молекул ДНК. На самом деле, шанс на возникновение цепочек ДНК был крайне мал. Если зарождение жизни на конкретной планете очень и очень маловероятно, но всё же возможно, то для этого потребуется весьма длительное время. И еще должно хватить времени на последующую эволюцию таких разумных существ, как мы с вами, прежде чем Солнце распухнет и поглотит Землю.

Поначалу эволюция шла медленно. Потребовалось 2,5 миллиарда лет для того, чтобы первые клетки эволюционировали до многоклеточных организмов. За последующий миллиард лет некоторые из них развились до рыб, а некоторые рыбы, в свою очередь, превратились в млекопитающих. С тех пор скорость эволюции неизменно возрастала.

На эволюцию первых млекопитающих до нас ушло всего 100 миллионов лет. По сути, мы, люди, имеем тот же набор органов, что и остальные млекопитающие. Но, в отличие от животных, можем эволюционировать не только через ДНК, но и через передачу знаний, в том числе через письменную речь. Объем знаний от поколения к поколению возрастает.

Уже сейчас у нас есть карта ДНК, так что есть высокая вероятность, что вскоре мы начнем искусственно изменяться и совершенствоваться на генном уровне. Это приведет к возникновению нового поколения человеческих существ. Вероятно, эти существа смогут колонизировать новые планеты, хотя космические перелеты всё еще будут представлять сложность. Согласно теории относительности, ничто не может перемещаться быстрее света, поэтому полет до ближайшей звезды и обратно потребует как минимум восьми лет, а в центр Галактики – около пятидесяти тысяч лет.

Но каковы шансы встретить другую разумную жизнь во Вселенной?

Не исключено, что вероятность спонтанного зарождения жизни настолько мала, что Земля оказалась единственной планетой в Галактике или в наблюдаемой Вселенной, на которой это оказалось возможно.

1. Существует реальная вероятность, что большинство форм жизни не эволюционировали до уровня разумных существ.

Бактерии и иные одноклеточные организмы имеют гораздо большую вероятность выживания, чем люди. Возможно, на каких-то планетах разум был отвергнут в ходе эволюции как необязательная составляющая для выживания.

2. Жизнь может не проэволюционировать до разумных форм.

Например, если планета столкнется с астероидом или кометой. Считается, что столкновение некоего тела с Землей, произошедшее 66 миллионов лет назад, привело к исчезновению динозавров. Несколько видов мелких ранних млекопитающих выжили, но всё живое размером с человека и крупнее почти наверняка было уничтожено. Вероятно, такие столкновения могут происходить раз в 20 миллионов лет. Так что нам просто повезло, возможно, как никому другому во Вселенной.

3. Существует немалая вероятность для жизни сформироваться и развиться до разумных существ, но затем система становится нестабильной и разумная жизнь уничтожает себя.

4. В космосе существуют другие формы разумной жизни, но мы их не замечаем.

Вопрос четвертый: Можно ли предсказать будущее?

Весь 19 век в науке доминировала теория научного детерминизма: у французского ученого Пьера-Симона Лапласа была теория о том, что если мы можем определить положение любых частиц во Вселенной в любой момент времени, то можно вычислить их поведение в любой момент прошлого и будущего. Таким образом, его теория утверждала, что можно предсказать будущее и сложность только в математических вычислениях.

А теперь перенесемся в 1927 год, когда немецкий физик Вернер Гейзенберг указал, что невозможно одновременно точно определить положение и скорость частицы. Принцип неопределенности Гейзенберга, о котором уже писалось выше, подрывает теорию Лапласа. Как можно предсказывать будущее, если невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частиц даже в настоящее время? Каким бы мощным ни был ваш компьютер, если вы заложите в него некачественные данные, вы получите некачественные предсказания.

Современные ученые выдвинули теорию квантовой механики, но и она не может дать точных ответов. В квантовой механике частицы не обладают четко определенными положением и скоростью. Они представлены в виде так называемой волновой функции. Значение волновой функции указывает на вероятность нахождения частицы в конкретном месте. Однако новейшие исследования ставят под сомнение и эту степень определенности. Проблема возникает потому, что гравитация может искривлять пространство-время до такой степени, что мы просто не в состоянии наблюдать некоторые области пространства, например, пространство внутри Черных дыр.

Вопрос пятый: Что внутри черных дыр?

Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Он вывел теорию о так называемой скорости убегания: это скорость, при которой частица сможет преодолеть силу гравитации и улететь. Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду, а для Солнца – примерно 617 километров в секунду. Но обе они гораздо меньше скорости света, поэтому он без труда покидает и Землю, и Солнце.

Но что если во Вселенной существуют объекты гораздо больше Солнца? Они обладают несравнимо большей гравитацией. Черная дыра – область, где гравитация настолько сильна, что свет не может ее покинуть.

На протяжении основной части жизни обычной звезды, длящейся много миллиардов лет, она противостоит собственной гравитации за счет теплового давления, создаваемого термоядерным процессом, в ходе которого водород превращается в гелий. Но постепенно ядерное топливо звезды заканчивается. Звезда начинает сжиматься. 1939 году Роберт Оппенгеймер предположил, что такие звезды не в состоянии сохранять необходимое давление. А при отсутствии давления однородная сферическисимметричная звезда должна сжаться до точки, обладающей бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью.

Извне невозможно понять, что происходит внутри черной дыры. Черная дыра имеет границу, которая называется горизонтом событий. В этой области сила гравитации достаточно сильна, чтобы удерживать свет и не дать ему покинуть черную дыру. А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, то и всё остальное тоже постоянно затягивается назад и не может ее покинуть. Всё, что можно определить, – это ее массу, заряд и вращение. Это означает, что черная дыра должна хранить множество информации, скрытой от внешнего мира.

И только в 1974 Хокинг исследовал, как будет вести себя материя поблизости от черной дыры согласно законам квантовой механики. И выяснил, что черная дыра, судя по всему, все-таки с равномерной интенсивностью излучает частицы. Т. е. кое-что всё-таки способно покинуть черную дыру. С тех пор математические доказательства наличия теплового излучения у черной дыры были подтверждены многими учеными.

Черная дыра размером с Солнце теряла бы частицы в таком темпе, что их невозможно было бы обнаружить. Но если бы мы могли обнаружить и «приручить» черную дыру размером, например, с гору, то она должна испускать рентгеновские и гамма-лучи с интенсивностью примерно в 10 миллионов мегаватт, чего хватило бы для обеспечения энергией нашей планеты. Впрочем, поиски миниатюрных черных дыр такой массы ведутся, но пока ни к чему не привели.

По мере того как частицы покидают черную дыру, она теряет массу и съеживается. Это увеличивает интенсивность испускания частиц. Постепенно черная дыра потеряет всю свою массу и исчезнет.

А что тогда произойдет со всеми частицами и неудачливыми астронавтами, которые в нее упали? После исчезновения черной дыры они не могут восстановиться. Частицы, покидающие черную дыру, должны быть абсолютно хаотическими и не иметь никакого отношения к тому, что когда-то упало в дыру. Получается, что информация о том, что оказалось в черной дыре, теряется навсегда. Если информация в черных дырах действительно пропадает, мы не сможем предсказывать будущее, поскольку черная дыра может испускать любой набор частиц.

Вопрос шестой: Возможно ли путешествие во времени?

Со школьной скамьи мы знаем, что Евклидова геометрия говорит о том, что углы любого треугольника в сумме равны 180 градусам. Представим теперь треугольник на поверхности Земли, сторонами которого будут экватор, нулевой меридиан, проходящий через Лондон, и меридиан в 90 градусов восточной долготы, проходящий через Бангладеш. Эти два меридиана пересекают экватор под прямым углом в 90 градусов. На Северном полюсе они тоже встречаются под углом в 90 градусов. Таким образом, получается треугольник с тремя прямыми углами. Сумма их составляет, как нетрудно посчитать, 270 градусов, что гораздо больше суммы углов треугольника, прочерченного на плоскости.

Этот пример показывает, что невозможно судить о геометрии мира, исходя из основных принципов, как полагали древние греки. Необходимо измерять пространство, в котором мы живем, и экспериментальным путем выяснять его геометрию.

Раньше подобные искривления пространства интересовали только математиков. Но в 1915 году Эйнштейн выступил со своей теорией относительности. Эта теория имеет отношение не только к искривлению пространства, но и к искривлению, или искажению, времени. Каждая точка пространства-времени помечена четырьмя параметрами, которые определяют ее положение в пространстве и времени. Объединить пространство и время в пространство-время было бы несложно, если бы существовал уникальный способ определения времени и положения каждого события.

В статье 1905 года Эйнштейн написал, что время и положение, в котором, как считается, происходит событие, зависят от того, как движется наблюдатель. Это означает, что время и пространство неразрывно связаны между собой. Время, в которое происходит событие, для разных наблюдателей будет одинаковым, если наблюдатели не движутся относительно друг друга. Но разница будет тем заметнее, чем выше их относительная скорость. Возникает логичный вопрос: а насколько быстро нужно двигаться, чтобы время для одного наблюдателя пошло вспять относительно времени другого наблюдателя?

Ответ: быстрее скорости света. Таким образом, нашему космическому кораблю потребуется бесконечное количество энергии для достижения скорости, превышающей световую. Поэтому Эйнштейну путешествия во времени представлялись невозможными.

В данный момент наиболее перспективной представляется теория струн: космические струны, перемещающиеся одна относительно другой с околосветовой скоростью. Быстродвижущиеся космические струны пространства-времени начинаются такими искаженными и искривленными, что пространство-время искривляется в обратную сторону и путешествие во времени становится возможным.

С путешествием во времени тесно связана способность быстро перемещаться из одной точки пространства в другую. А единственный способ переместиться из одной части Галактики в другую за разумный период времени – возможность свернуть пространство-время таким образом, чтобы получилась небольшая труба, или «кротовая нора».

Классические законы Вселенной отвергают возможность подобного искривления пространства, но новая квантовая теория указывает, что, возможно, в будущем мы сможем освоить подобные технологии, чтобы самим создавать «кротовые норы».

Но в таком случае неизбежно возникает вопрос: если в будущем мы будем иметь возможность путешествовать во времени, то почему до сих пор никто не вернулся к нам из будущего и не рассказал, как это сделать?

Есть способ примирить идею путешествия во времени с тем фактом, что мы никогда не встречались с гостями из будущего. Можно сказать, что такие путешествия станут возможными только в будущем. Пространство-время нашего прошлого фиксированное, потому что мы наблюдали его и видели, что оно недостаточно искривлено для того, чтобы мы имели возможность отправиться назад во времени. А будущее открыто, поэтому когда-нибудь мы научимся искривлять пространство-время и получим возможность путешествий во времени. Но поскольку искривлять пространство-время мы сможем лишь в будущем, то не сможем возвращаться из него в наше настоящее или еще раньше.