Текст книги "Черные дыры и молодые вселенные"

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]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.


[Закрыть], 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]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.


[Закрыть]. 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]8
  Proceedings of the Royal Society («Труды Королевского общества») – официальный печатный орган британского Королевского общества. – Прим. ред.


[Закрыть]. 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]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.


[Закрыть]. 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]10
  В астрофизике так называют катастрофически быстрое сжатие звезды под действием собственных сил тяготения, в результате чего разрушаются даже атомные ядра. – Прим. ред.


[Закрыть] («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]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.)


[Закрыть]

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]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.


[Закрыть]. 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.