Стивен Хокинг

Черные дыры и молодые вселенные

© Stephen Hawking, 1993

© Кононов М., перевод на русский язык, 2001

© Издание на русском языке, оформление. ЗАО «Торгово-издательский дом «Амфора», 2008

* * *

Введение

Эта книга представляет собой сборник статей – от автобиографических очерков до размышлений о философии науки, – написанных мною в период с 1976 по 1992 год в попытках объяснить тот жгучий интерес, который я испытывал к науке и Вселенной. Книга завершается стенограммой передачи «Диски необитаемого острова», где я рассказываю о себе. В Великобритании есть такая программа: гостю предлагают представить себя на необитаемом острове и просят выбрать восемь музыкальных дисков, с которыми он предпочел бы коротать время до своего вызволения. К счастью, мне не пришлось слишком долго ждать возвращения к цивилизации.

Статьи были написаны в течение шестнадцати лет и отражают уровень моих знаний на то время, – надеюсь, с годами они возросли, поэтому я снабдил каждую статью датой и пояснением, по какому случаю она появилась. Все они создавались как законченные произведения, и потому от повторений никуда не деться. Я постарался уменьшить их количество, но кое-что все равно осталось.

Множество статей этой книги предназначались для устного изложения. Мое произношение всегда было нечетким, так что мне приходилось передавать проведение лекций и семинаров другим – как правило, кому-нибудь из моих практикантов, тому, кто хорошо меня понимал, а текст озвучивал лучше. Однако в 1985 году, после операции, я совсем утратил способность говорить и на некоторое время остался безо всяких средств общения. В конце концов я вооружился компьютерной системой и замечательным речевым синтезатором. К своему удивлению, я обнаружил в себе способности выступать перед большой аудиторией. Мне нравилось объяснять научные теории и отвечать на вопросы. Конечно, еще нужно учиться и учиться, чтобы совершенствовать эти способности, но надеюсь, я делаю успехи – о чем можете судить сами, читая эти страницы.

Я не согласен с мнением, что Вселенная – это загадка, нечто не поддающееся пониманию и анализу, то, о чем можно получить лишь интуитивное представление. Я чувствую, что такое воззрение несправедливо по отношению к научной революции во всех областях мироздания, начатой почти четыреста лет назад Галилеем и продолженной Ньютоном. Эти двое показали, что по крайней мере некоторые части Вселенной ведут себя не произвольным образом, а подчиняются точным математическим законам. За прошедшие годы мы распространили результаты Галилея и Ньютона почти на все области. Теперь у нас есть математические законы, управляющие всем, с чем мы обычно сталкиваемся. И мерилом нашего успеха является факт расходования миллиардов фунтов на постройку гигантских машин, разгоняющих частицы до такой высокой энергии, что мы еще не знаем, к чему приведет их столкновение. Частицы с такой высокой энергией не встречаются на Земле в обычных условиях, поэтому огромные затраты на их исследования могут показаться чисто академическими и не очень нужными. Но такие частицы могли встречаться, когда Вселенная была молодая, и поэтому, если хотим понять, как она возникла, мы должны выяснить, что происходит при этих энергиях.

Мы еще очень многого не знаем о Вселенной, многого не понимаем. Но уже достигнутый нами прогресс, в частности за последние сто лет, должен воодушевить нас и придать уверенности в том, что полное понимание – в границах возможного. Думаю, мы не обречены вечно бродить на ощупь в темноте. Совершив рывок к созданию полной теории Вселенной, мы станем ее истинными хозяевами.

Научные статьи этой книги были написаны в надежде, что Вселенная подчиняется какому-то порядку, который сейчас мы можем постигнуть отчасти, а полностью – не в таком уж далеком будущем. Возможно, эта надежда всего лишь мираж; возможно, никакой окончательной теории нет, а даже если и есть, мы можем никогда ее не узнать. Но, несомненно, лучше стремиться к полному пониманию, чем отчаяться в человеческом разуме.

Стивен Хокинг31 марта 1993 г.

1. Детство

[1]

Я родился 8 января 1942 года, ровно через триста лет после смерти Галилея. Однако, по моим оценкам, в этот день родилось еще двести тысяч детей. Не знаю, заинтересовался ли астрономией кто-либо из них. Я появился на свет в Оксфорде, хотя мои родители жили в Лондоне. Так вышло потому, что во время Второй мировой войны Оксфорд был хорошим местом для рождения: немцы согласились не бомбить Оксфорд и Кембридж при условии, что англичане не будут бомбить Гейдельберг и Гёттинген. Жаль, что такое цивилизованное соглашение не распространялось на другие города.

Мой отец был родом из Йоркшира. Его дед, мой прадед, был зажиточным фермером. Он купил слишком много ферм и обанкротился во время депрессии в сельском хозяйстве в начале XX века. Это поставило родителей моего отца в очень затруднительное положение, но им все же удалось послать сына в Оксфорд изучать медицину. Позже он занялся исследованиями в области тропических болезней и в 1937 году уехал в Восточную Африку, а когда началась война, совершил поездку через весь континент, чтобы на корабле вернуться в Англию и пойти добровольцем в армию. Однако отцу сказали, что бо́льшую ценность он представляет, занимаясь медицинскими исследованиями.

Моя мать родилась в Глазго, в семье врача, где была вторым ребенком из семи. Когда ей было двенадцать лет, они переехали на юг, в Девон. Как и семья моего отца, семья матери не очень преуспевала. Тем не менее родители смогли послать дочь в Оксфорд. По окончании Оксфорда она сменила много разных мест работы, в том числе была налоговым инспектором, что ей очень не нравилось. Эту должность она оставила, чтобы стать секретаршей, и в таком качестве в первые годы войны встретила моего отца.

Мы жили в Хайгейте, на севере Лондона. Моя сестра Мэри родилась через полтора года после меня. Говорят, я не приветствовал ее появление. Все детские годы между нами были определенные трения, подпитываемые незначительной разницей в возрасте. Однако во взрослой жизни эти трения исчезли, поскольку каждый из нас пошел своим путем. Мэри стала врачом, чем порадовала отца. А младшая сестренка, Филиппа, родилась, когда мне было почти пять лет и я уже понимал происходящее. Помню, что я с радостью ожидал ее появления, чтобы можно было играть втроем. Филиппа была очень впечатлительным и восприимчивым ребенком. Я всегда с уважением относился к ее суждениям и мнениям. Мой брат Эдвард появился много позже, когда мне было четырнадцать, поэтому он не вошел в мои детские воспоминания. Эдвард сильно отличался от нас троих: в нем не было ни капли академичности, и он не был интеллектуалом. Возможно, это оказалось и к лучшему. Эдвард был довольно трудным ребенком, что не помешало ему стать всеобщим любимцем.

Мои самые ранние воспоминания – как я остался в яслях Байрон-Хауза в Хайгейте и оглушительно ревел. Мне казалось, что все дети вокруг играют в какие-то чудесные игрушки. Я тоже хотел поиграть с ними, но мне было всего полтора года и меня впервые оставили с незнакомыми людьми. Думаю, родители слегка удивились моей реакции, потому что я был их первым ребенком и они следовали книжкам по воспитанию детей, а там было написано, что детям следует начинать социальное общение в два года. Но после того жуткого утра меня забрали и еще полтора года не отдавали в Байрон-Хауз.

Тогда, во время войны и сразу после нее, Хайгейт был районом, где жил академический и научный народ. В другой стране их бы назвали интеллектуалами, но англичане не допускают, что и у них есть интеллектуалы. Все эти родители посылали детей в школу Байрон-Хауз, очень прогрессивную для того времени. Помню жалобы на моих родителей, что они ничему меня не учат. Они не верили в принятый тогда способ вдалбливания знаний, а старались научить читать исподволь, чтобы ты и не понимал, что тебя чему-то учат. В конце концов читать я все же научился, но только в довольно зрелом, восьмилетнем возрасте. Мою сестру учили более традиционными методами, и она умела читать уже к четырем годам. Впрочем, она была определенно способнее меня.

Мы жили в высоком и узком доме Викторианской эпохи, который мои родители купили по дешевке во время войны, когда все думали, что бомбежки сровняют Лондон с землей. И в самом деле, в несколько домов по соседству попали ракеты «Фау-2». В это время меня с матерью и сестрой не было, но отец находился дома. К счастью, он не пострадал, и дом тоже серьезно не повредило. Но еще несколько лет неподалеку оставались развалины, где мы часто играли с моим другом Говардом, жившим через дом от нас, чуть подальше от этих развалин. Говард стал для меня открытием, потому что его родители не были интеллектуалами, в отличие от родителей всех остальных моих знакомых детей. Он ходил в муниципальную школу, а не в Байрон-Хауз и разбирался в футболе и боксе – видах спорта, интересоваться которыми моим родителям и в голову не могло прийти.

Другое раннее воспоминание – игрушечная железная дорога. Игрушки во время войны не выпускались – по крайней мере, для продажи в частные руки. Но игрушечные поезда были моей страстью. Отец попробовал сделать мне деревянный поезд, но меня это не удовлетворило, потому что хотелось что-то работающее. Тогда отец купил подержанный заводной поезд, при помощи паяльника починил его и подарил мне, трехлетнему карапузу, на Рождество. Тот поезд не очень-то хорошо работал. Но сразу после войны отец съездил в Америку и, вернувшись на «Куин Мэри», привез матери несколько нейлоновых вещей, в то время недоступных в Великобритании, сестре Мэри – куклу, которая закрывала глаза, когда ее укладывали, а мне – американскую игрушечную железную дорогу с рельсами в виде восьмерки. У паровозика был даже отбрасыватель – железная решетка спереди. До сих пор помню свой восторг, когда я открыл коробку.

Заводные поезда были прекрасны, но чего мне действительно не хватало – так это электрической железной дороги. В конце концов, потихоньку от родителей, я взял из Почтового банка весь свой скромный капитал, накопленный из сумм, подаренных мне по особым случаям вроде крестин, и потратил эти деньги на электрическую железную дорогу. Однако, к моему большому разочарованию, работала она не слишком хорошо. Теперь, когда мы знаем о правах потребителя, я бы вернул покупку обратно и потребовал от магазина или от производителя замены, но в те годы считалось удачей купить хоть что-то, а если попался брак – что ж: значит, вам не повезло. Поэтому я заплатил еще и за починку электромотора в паровозике, но он так и не заработал как следует.

Позже, уже на втором десятке лет, я делал модели аэропланов и кораблей. Особым мастерством я никогда не отличался, но мне помогал мой школьный товарищ Джон Мак-Кленан, более умелый, к тому же у его отца в доме была мастерская. Я всегда стремился делать работающие модели, которыми можно было бы управлять, а их внешний вид меня не заботил. Думаю, это и привело меня вместе с другим моим школьным товарищем, Роджером Фернихоком, к изобретению целого ряда очень сложных игр. Например, у нас была такая «промышленная» игра: заводы производили разноцветные детали, для перевозки которых прокладывались шоссе и железные дороги, и к тому же была еще фондовая биржа. А еще игра в войну, в которую играли на доске с четырьмя тысячами клеток, и «феодальная» игра, где каждый игрок представлял целую династию с генеалогическим древом. Думаю, эти игры, так же как железные дороги, корабли и аэропланы, рождались из моего стремления понять, как что работает и как этим управлять. Когда я начал свою диссертацию, это стремление помогло мне в исследованиях в области космологии. Если понимаешь, как устроена Вселенная, то некоторым образом можешь ею управлять.

В 1950 году учреждение, где работал мой отец, переехало из Хэмпстеда, неподалеку от Хайгейта, в заново построенный Национальный институт медицинских исследований в Милл-Хилле, на северной окраине Лондона. Чем ездить туда из Хайгейта, казалось разумнее переехать из Лондона за город. Поэтому мои родители купили дом неподалеку от собора в Сент-Олбансе – городке милях в десяти к северу от Милл-Хилла и в двадцати милях от самого Лондона. Это был просторный дом Викторианской эпохи, довольно изящный и оригинальный. У родителей тогда не было лишних денег, и им пришлось над ним немало потрудиться, прежде чем мы смогли туда переехать. Позже мой отец, как потомственный йоркширец, отказался платить за дальнейший ремонт, а лишь старался поддерживать здание таким, как есть, и иногда подкрашивать. Дом был велик, а отец не отличался большим умением в подобных работах, однако здание было построено прочно и выдержало такое небрежное отношение. Родители продали его в 1985 году, когда отец серьезно заболел (он умер в 1986-м). Недавно я видел этот дом. Похоже, никто его больше не ремонтировал, но внешне он почти не изменился.

Дом был рассчитан на семью с прислугой, и на панели рядом с кухней можно было увидеть, из какой комнаты позвонили. Конечно, прислуги у нас не было, но моя первая спальня располагалась в комнате, по форме напоминавшей букву «Г». Наверное, в ней раньше жили горничные. Я поделился своим предположением с двоюродной сестрой Сарой, которая была чуть старше меня и которую я обожал. Она сказала, что нам будет здорово на новом месте. Одним из преимуществ той комнаты была возможность вылезать через окно на крышу сарая, где держали велосипеды, а оттуда спрыгивать на землю.

Сара была дочерью Джанет, старшей сестры моей матери. Джанет выучилась на врача и вышла замуж за психоаналитика. Они жили в похожем доме в Харпендене – деревне в пяти милях к северу. Отчасти потому мы и поселились в Сент-Олбансе. Я был рад оказаться рядом с Сарой и часто ездил на автобусе в Харпенден. Сам Сент-Олбанс располагался неподалеку от развалин древнеримского города Веруламиум, который когда-то являлся самым значительным после Лондона римским поселением в Британии. В Средние века там находился самый богатый в Британии монастырь. Его построили на месте Сент-Олбансских мощей – гробницы римского центуриона, который, по преданию, был первым человеком в Британии, казненным за христианскую веру. Все, что осталось от того аббатства, – огромная и довольно безобразная церковь да старые пристройки к монастырским воротам, где теперь располагается часть сент-олбансской школы, в которую я позже ходил.

Сент-Олбанс был довольно дремучим и консервативным местом по сравнению с Хайгейтом и Харпенденом. Мои родители ни с кем там не подружились – отчасти по собственной вине, поскольку от природы были нелюдимы, особенно отец, – но свою роль сыграло и то, что Сент-Олбанс населяли люди совсем другого сорта: никого из родителей моих школьных друзей нельзя было назвать интеллектуалами.

В Хайгейте наша семья казалась вполне нормальной, но в Сент-Олбансе, думаю, нас определенно считали чудаками. Этому способствовало и поведение моего отца, который совершенно не заботился о внешности, если это позволяло сэкономить деньги. В молодости он жил в очень бедной семье, что оставило свой отпечаток. Отец предпочитал не тратить деньги на собственный комфорт даже потом, когда мог себе это позволить. Он отказывался установить центральное отопление, хотя страшно мерз, а вместо этого надевал несколько свитеров и поверх них халат. Тем не менее по отношению к другим он был очень щедр.

В пятидесятые годы ему казалось, что мы не можем позволить себе новый автомобиль, и потому он купил довоенное лондонское такси; вместе с отцом мы собрали металлический гараж. Соседи негодовали, но ничего не могли поделать. Как большинство мальчишек, я чувствовал потребность быть как все и стеснялся родителей. Но никогда не досаждал им.

Когда мы впервые приехали в Сент-Олбанс, меня отдали в школу для девочек, куда, несмотря на ее название, принимали мальчиков до десяти лет. Прошел семестр, и отец отправился в одну из своих ежегодных поездок в Африку, в этот раз на более продолжительное время, почти на четыре месяца. Чтобы не чувствовать себя брошенной, мать взяла нас с сестрами к своей школьной подруге Берил, вышедшей замуж за поэта Роберта Грейвса. Они жили в деревне Дея на испанском острове Майорка. После войны прошло всего пять лет, и испанский диктатор Франсиско Франко, бывший союзник Гитлера и Муссолини, еще был у власти. (Вообще-то он оставался у власти еще двадцать лет.) Тем не менее моя мать, до войны состоявшая в Лиге молодых коммунистов, с тремя детьми отправилась поездом и пароходом на Майорку. В Дее мы сняли дом и прекрасно проводили там время. Меня с сестрами отдали на попечение Уильяму, воспитателю сына Роберта. Это был протеже Грейвса, и его больше занимало написание сценариев для Эдинбургского фестиваля, чем наше обучение. Поэтому он каждый день заставлял нас читать какую-нибудь главу из Библии и писать по ней сочинение. Цель была – преподать нам красоту английского языка. До моего отъезда мы прошли все Бытие и часть Исхода. Из этого обучения я постиг, пожалуй, одно: нельзя начинать предложение с союза «и». Но когда я заметил, что в Библии большинство предложений именно так и начинается, мне сказали, что со времен короля Якова[2] английский язык сильно изменился. В таком случае, возразил я, зачем же нам читать Библию? Но все доводы были напрасны. В то время Роберт Грейвс увлекался символизмом и мистицизмом в Библии.

Когда я вернулся с Майорки, меня на год отдали в другую школу, а потом я прошел так называемый экзамен «одиннадцать-плюс». Это был тест интеллектуальных способностей для тех, кто хотел получить государственное образование. Теперь этот тест отменен, в основном из-за того, что множество детей из среднего класса проваливались на нем и их отдавали в неакадемические школы. Но тесты и экзамены я всегда сдавал лучше, чем учился в течение года, так что успешно прошел и этот и получил бесплатное место в одной из сент-олбансских школ.

Когда мне исполнилось тринадцать, отец решил попробовать отдать меня в Вестминстерскую школу, одну из самых привилегированных частных школ. В то время образование четко разделялось по классовому принципу. Отец считал, что его неумение вести себя и отсутствие связей не позволили ему взять верх над людьми не такими одаренными, но стоящими на более высокой ступени в обществе. Поскольку мои родители были не очень богаты, мне приходилось бороться за свое образование. Однако экзамены я проболел и потому остался в сент-олбансской школе, где получил образование не хуже, если не лучше, чем получил бы в Вестминстере. Отсутствие же светскости меня никогда не затрудняло.

Английское образование в то время имело строгую иерархическую структуру. Школы не только разделялись на академические и неакадемические, но и академические делились на потоки А, В и С. Это давало преимущество учащимся потока А над учащимися потока В, а те, кто учился на С, вообще чувствовали себя ущемленными. По результатам экзамена «одиннадцать-плюс» меня приняли на поток А, но по истечении года всех в классе, кто не вошел в первую двадцатку, перевели на поток В. Это был страшный удар по самолюбию, от которого некоторые так и не оправились. В мои первые два семестра в Сент-Олбансе я был по успеваемости двадцать четвертым и двадцать третьим, но в третьем семестре оказался восемнадцатым и избежал этой участи.

В классе я всегда был середнячком (это был очень способный класс). Тетради у меня были страшно неаккуратными, а почерк приводил учителей в отчаяние. Но одноклассники прозвали меня Эйнштейном – наверное, чувствовали какие-то задатки. Когда мне исполнилось двенадцать, один из моих друзей поспорил с другим на мешок конфет, что из меня ничего не выйдет. Не знаю, разрешился ли когда-нибудь этот спор и в чью пользу.

У меня было шесть-семь близких друзей, и с большинством из них я по-прежнему поддерживаю контакт. Мы часто подолгу спорили на самые разные темы – от радиоуправляемых моделей до религии и от парапсихологии до физики. Одна из тем касалась природы Вселенной и вопроса о том, нужен ли был Бог для ее создания и приведения в движение. Я слышал, что свет от удаленных галактик смещается к красному краю спектра, и это якобы означало, что Вселенная расширяется (а смещение к синему краю свидетельствовало бы о ее сжатии). Но я не сомневался, что для смещения к красному краю существует другая причина. Может быть, свет просто уставал и оттого краснел по пути к нам. Неизменность и вечность основ Вселенной казались гораздо более естественными. Только через пару лет работы над диссертацией я понял свое заблуждение.

В последние два года моей учебы в школе я решил специализироваться в математике и физике. У нас был просто одержимый учитель математики, а в школе только что отстроили новый кабинет, где мы и размещались. Мой отец был против. Он думал, что математик сможет работать только учителем. А ему очень хотелось, чтобы я занялся медициной. Я же не проявлял к биологии ни малейшего интереса. Она казалась мне слишком описательной и недостаточно фундаментальной. К тому же в школе биология не считалась престижной. Самые способные ребята занимались физикой и математикой, а биологией – менее одаренные. Отец знал, что биолога из меня не выйдет, но заставлял серьезно учить химию, а математику лишь чуть-чуть. Он считал, что с выбором научных предпочтений не нужно торопиться. Теперь я профессор математики, но так и не получил никакого формального математического образования с тех пор, как в семнадцать лет окончил сент-олбансскую школу. Все мои математические знания я нахватал между делом. Я частенько курировал кембриджских студентов последнего курса и осваивал лекции всего за неделю до них.

Отец по долгу службы исследовал тропические болезни и часто брал меня с собой в лабораторию в Милл-Хилле. Мне это нравилось – особенно смотреть в микроскоп. Он часто водил меня в помещение с насекомыми, где держал москитов, инфицированных тропическими болезнями. Там мне всегда было тревожно, так как казалось, что несколько москитов летают на свободе. Отец был очень трудолюбив и предан своим исследованиям, но всегда был готов повздорить, так как ему казалось, что другие, менее подготовленные, но имевшие соответствующее родство и связи, могут обойти его. Он предостерегал меня от таких людей, но я думал, что физика несколько отличается от медицины. Не важно, в какую школу ты ходил или чей ты родственник, – важно, что ты делаешь.

Меня всегда очень интересовало, как что работает, и я часто разбирал всякие механизмы, чтобы посмотреть, как они устроены, но собрать их снова уже не мог. Практические способности у меня всегда отставали от теоретических. Отец поощрял мой интерес к науке и даже натаскивал меня по математике, пока я не превзошел его. Вот с таким багажом, да еще учитывая работу отца, мне казалось естественным заняться научными исследованиями. В детстве я не видел разницы между науками, но в тринадцать-четырнадцать лет понял, что хочу заниматься физикой, поскольку из всех наук она самая фундаментальная. И это несмотря на то, что в школе физика была самым скучным предметом, поскольку все в ней казалось легким и очевидным. Химия представлялась куда веселее, так как предполагала всякие происшествия, вроде взрывов. Но физика и астрономия давали надежду понять, откуда мы взялись и почему мы здесь. Мне хотелось погрузиться в глубины Вселенной. Возможно, до какой-то степени мне это удалось, но еще так много всего хочется узнать.

2. Оксфорд и Кембридж

Отец очень хотел, чтобы я поступил в Оксфорд или Кембридж. Сам он учился в Юниверсити-колледже в Оксфорде и потому думал, что мне тоже стоит пойти туда, так как у меня больше шансов поступить. В то время в совете Юниверсити-колледжа не было ни одного математика, и это явилось второй причиной, по которой, как он полагал, я должен был заняться химией и попытаться получить естественно-научное образование, а не математическое.

Остальные члены семьи уехали на год в Индию, но мне пришлось остаться, чтобы закончить школу и поступить в университет. Директор школы считал меня слишком молодым для Оксфорда, но в марте 1959 года я поехал туда держать экзамен вместе с двумя ребятами, закончившими школу на год раньше. Я был убежден, что подготовлен плохо, и меня угнетало, что во время практического экзамена университетские преподаватели подходили говорить с другими, а не со мной. Однако через несколько дней после возвращения из Оксфорда я получил телеграмму с сообщением, что поступил.

Мне было семнадцать, а большинство других студентов на курсе уже прошли службу в армии и были много старше. Весь первый курс и часть второго я чувствовал себя довольно одиноко и только на третьем ощутил себя действительно счастливым. В то время в Оксфорде преобладало враждебное отношение к труду. Предполагалось, что или твои способности позволяют не прикладывать никаких усилий, или же ты признаешь свою ограниченность и получаешь «неуды». Усердно же работать, чтобы получить более высокую оценку, считалось признаком серости – страшнейший эпитет в оксфордском лексиконе.

В то время курс физики в Оксфорде был построен так, что избежать работы не представляло большой сложности. Я сдал один экзамен до приезда туда, а потом за три года пришлось сдать лишь выпускной экзамен. Однажды я подсчитал, что за три года пребывания в Оксфорде выполнил работ примерно на тысячу часов – в среднем час в день. Я не горжусь тем, что мало работал, а просто описываю свои воззрения того времени, и такие же взгляды были у большинства моих товарищей; они чувствовали только скуку и считали, что нет такой цели, для достижения которой стоит прилагать усилия. Одним из результатов моей болезни является полная перемена воззрений: зная, что можешь рано умереть, понимаешь – жизнь стоит того, чтобы ее прожить, и есть множество вещей, которые надо сделать.

Поскольку занимался я мало, то планировал сдать выпускной экзамен, рассматривая проблемы теоретической физики и избегая вопросов, требующих фактических знаний. Однако в ночь перед экзаменом из-за нервного напряжения я не мог уснуть и отвечал не блестяще. Моя оценка оказалась на грани между «хорошо» и «отлично», и, чтобы окончательно определиться, экзаменаторы задавали дополнительные вопросы. Они спросили о моих планах на будущее, и я ответил, что хотел бы заняться исследовательской работой. Если бы мне поставили «отлично», я бы отправился в Кембридж, если всего лишь «хорошо» – остался бы в Оксфорде. Мне поставили «отлично».

Я видел для себя две фундаментальные области теоретической физики, которыми мог бы заняться: одна – космология, изучение необъятного, другая – элементарные частицы, изучение бесконечно малого. Элементарные частицы казались мне менее привлекательными, потому что для них не было соответствующей теории, несмотря на то что ученые все время находили множество новых частиц. Исследователи просто разбивали их на семейства, как в ботанике. А в космологии существовала хорошо проработанная теория – общая теория относительности Эйнштейна.

Но в Оксфорде тогда никто не занимался космологией, а в Кембридже работал Фред Хойл – выдающийся астроном того времени. Я подал заявку, чтобы работать над диссертацией у Хойла. Заявка была принята, так как я получил «отлично», но меня опечалило, что моим руководителем стал не Хойл, а некто по имени Денис Сиама, о котором я ничего не слышал. Однако потом оказалось, что это было и к лучшему: Хойл проводил много времени за границей, и, вероятно, я бы не часто с ним виделся, а Сиама был на месте и всегда подстегивал меня, хотя зачастую я и не разделял его идей.

Поскольку и в школе, и в Оксфорде я мало занимался математикой, общая теория относительности показалась мне сначала трудной, и я не сильно в ней продвинулся. К тому же в последний год своего пребывания в Оксфорде я заметил, что становлюсь все более неуклюжим в движениях. Вскоре по приезде в Кембридж мне поставили диагноз АБС – амиотрофический боковой склероз (нейромоторное заболевание, в Соединенных Штатах его называют также болезнью Лу Герига). Врачи не могли предложить никакого лечения и не давали гарантий, что мое состояние не ухудшится.

Сначала болезнь как будто прогрессировала довольно быстро. В своих исследованиях я не видел большого смысла, поскольку не предполагал дожить до получения докторской степени. Однако время шло, а развитие болезни словно замедлилось. К тому же я начал постигать общую теорию относительности и продвинулся в своей работе. Но по-настоящему все изменила моя помолвка с девушкой по имени Джейн Уайлд, с которой я познакомился примерно в то же время, когда мне поставили диагноз. Это дало мне стимул к жизни.

Раз мы собирались пожениться, я должен был получить место, а для получения места нужно было закончить диссертацию. Поэтому я впервые в жизни принялся за работу. К моему удивлению, мне это понравилось. Возможно, не совсем правильно называть это работой. Кто-то однажды сказал: ученые и проститутки берут деньги за то, что им самим доставляет удовольствие.

Я решил подать заявку на должность научного сотрудника в Гонвилл-энд-Кейс-колледже и надеялся, что Джейн напечатает ее, но, когда она приехала ко мне в Кембридж, ее рука была в гипсе – перелом. Должен признать, я проявил меньше сочувствия, чем следовало бы. Сломана была левая рука, и Джейн смогла под мою диктовку написать заявку, а я нашел того, кто ее напечатал.

В заявке нужно было назвать двух людей, которые могли бы дать отзыв о моих работах. Мой руководитель предложил попросить отзыв у Германа Бонди. Бонди был профессором математики в лондонском Кингс-колледже, специалистом по общей теории относительности. Я встречался с ним пару раз, он видел одну мою статью в журнале «Просидингс оф зе Ройял Сосаети», и после лекции, которую Бонди читал в Кембридже, я попросил его дать отзыв. Он взглянул на меня и сказал, что даст, но, очевидно, меня не вспомнил, поскольку, когда к нему обратились по этому поводу из колледжа, Бонди ответил, что никогда обо мне не слышал. Сейчас поступает очень много заявок на место научного сотрудника, и если одно из указанных в заявке лиц говорит, что не знает заявителя, это конец. Но в то время к подобному относились спокойнее. Из колледжа мне сообщили об обескураживающем ответе одного рецензента, и мой руководитель связался с Бонди и освежил его память. После этого Бонди написал мне отзыв – наверное, лучше, чем я заслуживал, и с тех пор я научный сотрудник Кейс-колледжа.

Получение места означало, что мы с Джейн можем пожениться. В июле 1965 года мы это и сделали. В качестве свадебного путешествия мы провели неделю в Суффолке – это все, что нам позволяли средства. Потом отправились на летние курсы по общей теории относительности при Корнеллском университете на севере штата Нью-Йорк. Это было ошибкой. Мы поселились в общежитии, полном супружеских пар с шумливыми маленькими детьми, и это придало странный оттенок нашему браку. Однако в других отношениях летние курсы оказались для меня очень полезны, так как я встретился со многими корифеями в этой области.

До 1970 года мои исследования касались космологии, изучения Вселенной в крупном масштабе. Моя самая значительная работа в этот период была о сингулярностях. Наблюдения отдаленных галактик показывали, что они движутся от нас, – Вселенная расширяется. Это подразумевало, что в прошлом галактики должны были быть ближе друг к другу. Возникал вопрос: было ли в прошлом такое время, когда галактики находились все вместе и плотность Вселенной была бесконечной? Или до того была фаза сжатия, когда галактикам удалось избежать столкновения? Возможно, они пронеслись мимо друг друга и начали разлетаться? Для ответа на этот вопрос требовались новые математические методы. Они были разработаны в 1965–1970 годах, главным образом Роджером Пенроузом и мной. Пенроуз тогда работал в Биркбек-колледже в Лондоне, сейчас он в Оксфорде. Воспользовавшись этими методами, мы показали, что если общая теория относительности верна, то в прошлом должно было быть состояние с бесконечной плотностью.

Такое состояние с бесконечной плотностью называется сингулярностью Большого Взрыва. Это означает, что, если общая теория относительности верна, наука не могла бы рассчитать, как возникла Вселенная. Однако моя более поздняя работа показывает, что если принять во внимание теорию квантовой физики – теорию мельчайших частиц, то рассчитать, как возникла Вселенная, все-таки можно.

Общая теория относительности также утверждает, что массивные звезды, когда израсходуют свое ядерное топливо, сожмутся внутрь себя. Работа, которую проделали мы с Пенроузом, показывает, что они будут продолжать сжиматься, пока не достигнут сингулярности, или бесконечной плотности. Эта сингулярность стала бы концом времени – по крайней мере для звезды и всего сущего на ней. Гравитационное поле сингулярности было бы столь сильным, что свет не мог бы вырваться из области вокруг нее, а затягивался бы этим полем назад. Область, из которой невозможно вырваться, называется черной дырой, а ее границы – горизонтом событий. Все, что падает в черную дыру через горизонт событий, приходит к концу времени в этой сингулярности.

Однажды ночью (это было в 1970 году, вскоре после рождения моей дочери Люси) я размышлял о черных дырах, и вдруг меня осенило, что многие из разработанных Пенроузом и мною методов для доказательства сингулярностей можно применить и к черным дырам. В частности, область горизонта событий, граница черной дыры, не может уменьшаться со временем. И если две черные дыры столкнутся и сольются в одну, то площадь горизонта событий получившейся дыры будет больше суммы площадей горизонтов исходных черных дыр. Это накладывает существенное ограничение на величину энергии, которая выделится при столкновении. Я был так взволнован, что заснуть в ту ночь уже не мог.

С 1970 по 1974 год я работал в основном над черными дырами. Но в 1974-м я сделал, возможно, мое самое удивительное открытие: черные дыры не совершенно черные! Если принять в расчет мелкомасштабное поведение материи, частицы и излучение могут просочиться из черной дыры: она испускает излучение, словно горячее тело.

С 1974 года я работаю над приведением общей теории относительности и квантовой механики в одну согласованную теорию. Одним из результатов этого стало предположение, сделанное мной в 1983 году вместе с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре: время и пространство конечны, но не имеют границ или краев. Это можно сравнить с поверхностью Земли, но не в трех, а в пяти измерениях. Земная поверхность не бесконечна, но границ не имеет. Сколько я ни путешествовал, мне так и не удалось упасть с края мира. Если бы данное предположение оказалось верно, не было бы никаких сингулярностей и научные законы выполнялись бы везде, в том числе и в начале Вселенной. Как возникла Вселенная, можно было бы определить научными законами. Я бы удовлетворил свои амбиции и открыл, как возникла Вселенная. Но я так и не знаю, почему она возникла.

3. Моя жизнь с АБС

[3]

Меня довольно часто спрашивают: «Что вы думаете о своей болезни?» И я отвечаю: «Я не очень много о ней думаю. Стараюсь по мере возможности жить как нормальный человек, не задумываться о своем состоянии и не жалеть о том, что оно чего-то не позволяет мне делать. Да таких вещей не так уж и много».

Когда обнаружилось, что у меня нейромоторное заболевание, это было для меня страшным ударом. В детстве я не отличался хорошей координацией движений, не блистал в играх с мячом. Возможно, по этой причине я не уделял большого внимания спорту и вообще занятиям, требующим физической активности. Но все изменилось, когда я поехал в Оксфорд. Я стал заниматься греблей и был рулевым. Конечно, я не соответствовал стандартам регаты, но мог выступать на соревнованиях в колледже.

Однако на третьем году учебы в Оксфорде я заметил, что становлюсь каким-то неуклюжим, пару раз я даже упал без видимой причины. Но только после года моего пребывания в Кембридже мать заметила это и отвела меня к врачу. Тот отправил меня к специалисту, и вскоре после моего двадцать первого дня рождения я прошел обследование в больнице. Пролежал я там две недели, в течение которых подвергался самым разнообразным испытаниям: у меня брали пробу мышечной ткани руки, втыкали в меня электроды, впрыскивали в позвоночник какую-то жидкость и в рентгеновских лучах наблюдали, как она поднимается и опускается при изменении угла наклона кровати. И после всего этого не сказали, какая у меня болезнь, а только заверили, что это не рассеянный склероз и, кроме того, у меня не типичный случай. Я понял, однако, что врачи предполагают ухудшение, но не могут предложить мне ничего, кроме витаминов. От витаминов нельзя было ожидать большого эффекта, а расспрашивать о подробностях не хотелось, так как ничего хорошего мне это не сулило.

Осознав, что у меня неизлечимая болезнь, которая, видимо, через несколько лет меня убьет, я был потрясен. Как такое могло случиться именно со мной? За что мне такой конец? Будучи в больнице, я видел, как на койке напротив умирал от лейкемии мальчик. Наблюдать это было тяжело, и мне стало ясно, что некоторым повезло еще меньше, чем мне. По крайней мере, меня не тошнило. Каждый раз, собираясь пожалеть себя, я вспоминаю того мальчика.

Я не знал, что меня ожидает и как быстро болезнь будет прогрессировать. Врачи разрешили мне возвратиться в Кембридж и продолжать исследования в общей теории относительности и космологии, которые я только начал. Но я не очень продвигался в этом, так как не имел достаточной математической подготовки, да ведь я мог и не дожить до завершения диссертации. Ощущая себя трагическим персонажем, я начал слушать Вагнера, но пресса явно преувеличивает, сообщая, будто я тогда запил. Беда в том, что, когда одна статья утверждает нечто подобное, другие тут же копируют ее, потому что это хороший сюжет, а все, что выходит большим тиражом, непременно должно быть правдой.

Мои мечты в то время несколько смешались. До того как поставили диагноз, жизнь представлялась мне скучной. Казалось, в ней нет ничего такого, чем стоило бы заняться. Выйдя из больницы, я ощущал себя приговоренным к казни и вдруг понял, что очень многим мог бы заняться, если бы исполнение приговора отложили. Не раз меня посещала мысль пожертвовать жизнью ради спасения других. В конце концов, все равно пришлось бы умереть, а так это могло бы принести кому-то пользу.

Но я не умер. И хотя над моим будущим нависли тучи, я, к своему удивлению, обнаружил, что настоящее приносит мне больше радости, чем раньше. Я начал продвигать свои исследования, обручился, женился и получил место в Кейс-колледже в Кембридже.

Место в колледже решило мои проблемы с занятостью. Мне повезло, что я решил работать в теоретической физике, так как это была одна из немногих областей, где состояние моего здоровья не являлось серьезной помехой. И мне повезло, что по мере его ухудшения моя научная репутация росла. Благодаря этому я мог занять должность, позволяющую вести исследования, не читая лекций.

Нам также повезло с жильем. Когда мы поженились, Джейн еще училась на последнем курсе Уэстфилд-колледжа в Лондоне, так что на неделе ей приходилось туда ездить. Поэтому нам нужно было подыскать что-то такое, где я мог бы сам управляться и чтобы это было в центре, поскольку я не мог далеко ходить. Я поинтересовался в колледже, не помогут ли мне, но в ответ услышал: «Политика колледжа – не помогать сотрудникам с жильем». Поэтому мы встали на очередь на одну из новых квартир, что строились у рынка (через несколько лет я узнал, что на самом деле эти квартиры принадлежали колледжу, но там мне об этом не сказали). Однако когда, проведя лето в Америке, мы вернулись в Кембридж, квартиры еще были не достроены. Как большое одолжение нам предложили комнату в общежитии для аспирантов, сказав при этом: «Обычно за такую комнату мы берем двенадцать шиллингов и шесть пенсов в день. Однако раз вас двое, будем брать двадцать пять шиллингов».

Мы прожили там всего три дня, а потом неподалеку нашли себе домик. Он принадлежал другому колледжу, который предоставил его одному из своих сотрудников. Тот недавно переехал в пригород и на оставшиеся три месяца передал его нам в субаренду. За эти три месяца мы подыскали другой пустующий дом на той же улице. Сосед вызвал из Дорсета хозяйку и выразил ей свое возмущение по поводу того, что дом пустует, в то время как молодые люди ищут пристанища, и она пустила нас жить. Через несколько лет нам захотелось купить этот дом и отремонтировать, и мы попросили у колледжа ссуду. Нашу просьбу рассмотрели и сочли это слишком рискованным, так что в конце концов пришлось взять ссуду в строительном кооперативе, а мои родители дали денег на ремонт.

Мы прожили там еще четыре года, пока мне не стало слишком трудно подниматься по лестнице. К тому времени в колледже меня уже ценили и предложили квартиру на первом этаже принадлежавшего колледжу дома. Это меня устраивало, так как там были просторные комнаты и широкие двери. Дом располагался недалеко от центра, и я мог добираться до кафедры на своей электрической коляске. Он также пришелся по душе нашим троим детям, потому что вокруг был сад, за которым ухаживали садовники колледжа.

До 1974 года я мог сам есть, сам вставать и ложиться в постель. Джейн удавалось помогать мне и воспитывать двоих детей без посторонней помощи. Однако потом положение ухудшилось, и у нас всегда жил кто-нибудь из моих студентов. За бесплатное жилье и мое особое внимание студенты помогали мне вставать и ложиться. В 1980 году мы перешли к системе добровольного дежурства и частных сиделок, которые приходили на час-два утром и вечером. Так продолжалось до тех пор, пока в 1985 году я не заболел воспалением легких. Мне сделали трахеотомию, и с того момента я нуждался в круглосуточном присмотре. Это оказалось возможным благодаря грантам нескольких организаций.

До операции моя речь становилась все более неразборчивой, и понять ее могли только люди, хорошо меня знавшие. Но, по крайней мере, я мог хоть как-то общаться. Я писал научные труды, диктуя секретарю, а семинары проводил с переводчиком, который четко повторял мои слова. Однако трахеотомия совсем лишила меня возможности говорить. Какое-то время единственным способом общения для меня было поднятие бровей, когда кто-либо указывал в таблице на нужную букву. Таким образом трудно поддерживать беседу, не говоря уж о написании научных трудов. Однако один компьютерщик из Калифорнии, по имени Уолт Уолтосц, прослышал о моем плачевном состоянии и прислал компьютерную программу «Эквалайзер», которую сам написал. Это позволило мне выбирать слова из меню на экране, нажимая рукой на ключ. Программа также реагировала на движения головы и глаз. Построенную таким образом фразу я мог послать на речевой синтезатор.

Сначала я запускал «Эквалайзер» на настольном компьютере. Потом Дэвид Мэйсон из «Кембридж Адаптив Коммюникейшенз» встроил маленький персональный компьютер и речевой синтезатор в мою коляску. Эта система позволила мне общаться еще лучше, чем раньше. Я мог набирать до пятидесяти слов в минуту, чтобы или выговаривать написанное, или записывать на диске. Потом я мог распечатать это или вызвать снова и проговорить предложение за предложением. При помощи этой системы я написал две книги и ряд научных работ. Я также сделал множество научных и научно-популярных докладов, и их хорошо воспринимали – думаю, в немалой степени благодаря качеству речевого синтезатора, изготовленного фирмой «Спич Плас». Голос очень важен. Если вы говорите неразборчиво, люди склонны считать вас умственно неполноценным. Тот синтезатор – самый лучший из всех, что я когда-либо слышал, поскольку он интонирует текст, а не говорит на манер Далека[4]. Единственная беда – у него американский акцент. Однако теперь я уже сроднился с этим голосом и не хотел бы менять его, даже если бы мне предложили британское произношение. Я бы почувствовал себя другим человеком.

Я страдаю нейромоторным заболеванием практически всю мою взрослую жизнь, но это не помешало мне иметь прекрасную семью и добиться успехов в работе. И все это благодаря помощи, оказанной мне женой, детьми и многими другими людьми и организациями. Мне повезло, что мое состояние ухудшалось медленнее, чем в большинстве таких случаев. Это доказывает, что никогда не надо терять надежды.

4. Отношение людей к науке

[5]

Нравится нам это или нет, но мир, в котором мы живем, за последние сто лет здорово изменился и, похоже, в следующее столетие изменится еще больше. Некоторым хотелось бы остановить эти перемены и вернуться к тому времени, которое им кажется более чистым и простым. Но, как показывает история, прошлое не было таким уж чудесным. Оно было не так плохо для привилегированного меньшинства, но даже этому меньшинству приходилось обходиться без современной медицины, и рождение детей было для женщин весьма опасно. А для подавляющего большинства населения жизнь была ужасна, жестока и коротка.

Как бы то ни было, при всем желании невозможно повернуть время вспять. Знания и технику нельзя игнорировать. И нельзя остановить дальнейший прогресс. Даже если изъять все деньги, выделенные правительством на исследования (а нынешнее правительство старается это делать), конкуренция все равно призовет на помощь преимущества технологий. Более того, нельзя запретить пытливым умам думать о фундаментальной науке, независимо от того, платят им за это или нет. Единственный путь воспрепятствовать дальнейшему развитию – это тоталитарное государство, подавляющее все новое, но человеческая инициатива и изобретательность таковы, что даже и это не поможет. Все, чего удастся достичь, это замедлить темп перемен.

Если мы понимаем, что нельзя помешать науке и технике изменить мир, мы можем, по крайней мере, попытаться сделать так, чтобы эти изменения шли в правильном направлении. В демократическом обществе это означает, что народ должен иметь некоторое представление об основных научных понятиях, чтобы использовать информацию для принятия решений, а не делать это прерогативой специалистов. В настоящий момент у людей довольно двойственное отношение к науке. Они ждут, что новые достижения науки и техники приведут к дальнейшему повышению жизненных стандартов, но в то же время не доверяют науке, потому что не понимают ее. Это недоверие ясно проявляется в карикатурном изображении ученого, делающего в своей лаборатории Франкенштейна. Оно также находит свое выражение в поддержке партий зеленых. И в то же время интерес к науке в обществе очень высок, особенно к астрономии, что видно по той широкой аудитории, которую привлекают научно-фантастические телевизионные сериалы.

Что можно сделать, чтобы направить этот интерес в нужное русло и дать народу научную подготовку, необходимую для принятия обоснованных решений в таких вопросах, как кислотные дожди, парниковый эффект, ядерное оружие и генная инженерия? Ясно, что фундамент должен быть заложен в школе. Но школьная наука часто преподается в сухой и неинтересной форме. Дети учатся механически запоминать, чтобы сдать экзамен, и не видят связи науки с окружающим миром. Более того, наука часто преподносится в виде формул. Хотя формулы являются сжатым и точным способом описания математической мысли, большинство людей их пугаются. Когда я недавно писал научно-популярную книжку, меня предупредили, что каждая формула в ней вдвое уменьшит объем продаж. Я включил только одну – знаменитую формулу Эйнштейна E = mc². Возможно, без нее мне бы удалось продать вдвое больше экземпляров.

Ученые и инженеры стремятся выразить свои мысли в виде формул, потому что им нужно знать точные количественные значения величин. Но для всех остальных достаточно качественного понимания научных концепций, а это можно передать словами и диаграммами, без формул. Я не изучал в школе молекулярную биологию и транзисторы, но генная инженерия и компьютеры – это два достижения, которые, скорее всего, изменят наш будущий образ жизни. Научно-популярные книги и статьи в журналах могут помочь в объяснении новых достижений науки, но даже самые удачные из них читает лишь малая часть населения. Только телевидение может собрать поистине массовую аудиторию. На телевидении есть несколько очень хороших научно-популярных программ, но остальные представляют чудеса науки просто как волшебство, без объяснений, не демонстрируя, как они вписываются в рамки научных идей. Продюсеры этих программ должны понять, что в их обязанность входит просвещать народ, а не только развлекать его.

В отношении каких научных вопросов людям в ближайшем будущем предстоит принять решение? Самый насущный – вопрос о ядерном оружии. Действие других глобальных проблем, таких как обеспечение продовольствием или парниковый эффект, довольно замедленно, но ядерная война за несколько дней положит конец существованию человечества на Земле. Разрядка напряженности между Востоком и Западом, почти прекратившая холодную войну, означает, что страх перед ядерной войной отступил на второй план. Но опасность еще остается, поскольку в мире достаточно оружия, чтобы многократно уничтожить все население планеты. В бывших советских республиках и в США ядерное оружие все еще пребывает в готовности уничтожить все крупные города Северного полушария. Какая-нибудь компьютерная ошибка или бунт обслуживающего персонала может начать мировую войну. А еще более тревожно то, что и сравнительно маленькие державы обзаводятся теперь ядерным оружием. Крупные державы до сих пор вели себя ответственно, но нельзя питать подобной уверенности относительно маленьких стран, таких как Ливия или Ирак, Пакистан или даже Азербайджан. Опасность заключается не столько в ныне существующем ядерном оружии, которым эти страны скоро могут завладеть, – оно было бы довольно примитивным, хотя все равно могло бы убить миллионы человек. Страшнее то, что в ядерную войну между малыми странами могут быть втянуты и большие державы с их гигантскими арсеналами.

Очень важно, чтобы люди осознали эту опасность и оказали давление на свои правительства, заставляя их согласиться на значительное разоружение. Вероятно, полностью уничтожить ядерное оружие нереально, но путем снижения его количества мы можем уменьшить угрозу войны.

Даже если нам удастся избежать ядерной войны, все равно остаются опасности, способные уничтожить нас всех. Известна мрачная шутка: мы якобы не входим в контакт с иными цивилизациями потому, что они имеют тенденцию самоуничтожаться, когда достигают нашего нынешнего уровня. Но я верю в здравый смысл людей и надеюсь: мы докажем, что это не так.

5. Краткая история «Краткой истории»

[6]

Я все еще ошеломлен тем приемом, какой получила моя книга «Краткая история времени». В течение тридцати семи недель она оставалась в списке бестселлеров «Нью-Йорк Таймс» и в течение двадцати семи недель – в списке «Санди Таймс» (в Великобритании ее опубликовали позже, чем в Соединенных Штатах). Ее перевели на двадцать языков (или двадцать один, если не считать американский язык английским). Это гораздо больше, чем я ожидал, когда в 1982 году мне пришла в голову мысль написать популярную книжку о Вселенной. Отчасти причиной была необходимость заработать денег, чтобы оплатить учебу дочери в школе (на самом деле ко времени выхода книги дочь уже была в последнем классе). Но главное – мне хотелось объяснить, как далеко, по моему представлению, мы зашли в нашем понимании Вселенной, как близко мы подошли к единой завершенной теории, описывающей Вселенную и все сущее в ней.

Раз уж я собрался потратить время на написание книги, я бы хотел, чтобы с нею познакомилось как можно большее число людей. До этого мои публикации выходили в издательстве «Кембридж Юниверсити Пресс». Оно проделало хорошую работу, но я не чувствовал, что книги пользуются спросом у массового читателя, а мне хотелось именно этого. Поэтому я связался с литературным агентом Элом Цукерманом, с которым меня познакомил один мой коллега, представив Эла своим зятем. Я дал ему набросок первой главы и высказал свое пожелание, чтобы книга была из тех, что продаются на лотках в залах ожидания аэропортов. Он сказал, что это невозможно. Она может хорошо пойти среди профессоров и студентов, но на территорию Джеффри Арчера[7] такие книги не пробиваются.

В 1984 году я предоставил Цукерману набросок книги. Он разослал его нескольким издателям и порекомендовал мне принять предложение от американской фирмы «Нортон», выпускающей книги скорее для интеллектуальной элиты. Вместо этого я решил принять предложение от издательства «Бантам Букс», ориентированного на более широкий рынок. Это издательство не специализировалось на публикации научных книг, но зато его издания продавались в аэропортах. Мою рукопись они приняли, вероятно, из-за интереса, проявленного к ней одним из редакторов, Питером Гудзарди. Он отнесся к своей работе очень серьезно и заставил меня переписать книгу, чтобы сделать ее понятной не для ученых, а для простых людей вроде него самого. Каждый раз, когда я посылал ему переписанную главу, он присылал мне перечень возражений и вопросов, которые хотел бы прояснить. Временами мне казалось, что этот процесс никогда не закончится. Но Питер Гудзарди оказался прав: в результате книга стала гораздо лучше.

Вскоре после того, как я принял предложение от издательства «Бантам Букс», я заболел воспалением легких. Мне пришлось перенести трахеотомию, в результате чего я лишился голоса. Какое-то время я мог общаться лишь поднимая брови, когда мне показывали нужную букву в таблице, и у меня бы не было никакой возможности закончить книгу, если бы не подаренная мне компьютерная программа. Она работала довольно медленно, но я и думаю медленно, так что она меня вполне устроила. С ее помощью по настоянию Гудзарди я почти полностью переписал первый вариант. В этом мне помогал один из моих студентов, Брайан Уитт.

На меня произвел большое впечатление телевизионный сериал Джейкоба Броновски «Восхождение человека» (такое сексистское название сегодня бы не разрешили[8]). Он давал ощущение подвига рода человеческого, развившегося от примитивных дикарей, каковым он был всего пятнадцать тысяч лет назад, до нынешнего состояния. Мне хотелось передать то же чувство, которое возникает при осознании нашего прогресса в понимании законов, управляющих Вселенной. Я не сомневался, что почти всем интересно, как функционирует Вселенная, но большинство не выносит математических формул – я и сам-то их не очень люблю. Отчасти это вызвано тем, что мне их трудно писать, но главная причина в том, что у меня нет интуитивного чувства формулы. Вместо этого я мыслю картинками и в книге пытался выразить образы словами с помощью знакомых аналогий и нескольких диаграмм. Таким образом я надеялся дать большинству людей возможность разделить со мной восхищение замечательным прогрессом, достигнутым физиками за последние двадцать пять лет, и ощущение подвига.

И все же, даже если избежать математических выкладок, некоторые идеи остаются непривычными и трудными для понимания. Передо мной стояла дилемма: следует ли попытаться объяснить с риском запутать читателей, или лучше затушевать трудности? Некоторые непривычные концепции, например то, что наблюдатели, движущиеся с разной скоростью, по-разному измеряют временн́ые промежутки между одними и теми же событиями, были не так существенны для картины, которую я хотел нарисовать. Поэтому мне казалось, что можно просто упомянуть о них, не вдаваясь глубоко. Но были и сложные идеи, лежащие в основе того, что мне хотелось донести до читателя. В частности, я чувствовал, что обязательно должен включить два понятия. Одно из них – так называемая сумма историй. Это идея о том, что у Вселенной не одна история. Есть совокупность самых разных историй, и все они одинаково реальны (что бы это ни означало). Другое понятие, необходимое для того, чтобы придать сумме историй математический смысл, – это мнимое время. Сейчас я чувствую, что тогда мне следовало приложить больше усилий для объяснения этих двух очень непростых понятий, особенно мнимого времени, – мне кажется, они доставляют читателю наибольшие трудности. Однако на самом деле нет такой уж необходимости точно понимать, что же такое мнимое время, – просто оно отличается от того времени, которое мы называем реальным.

Когда книга приближалась к выходу в свет, один ученый, которому послали сигнальный экземпляр для рецензии в журнале «Нейчур», пришел в ужас, обнаружив там кучу ошибок – неверно размещенных фотографий и диаграмм с неправильными подписями. Он позвонил в издательство, там тоже пришли в ужас и решили в тот же день забраковать весь тираж. Три недели всю книгу интенсивно корректировали и перепроверяли, и она была готова в срок, чтобы к апрелю, к назначенной дате, появиться в книжных магазинах. К тому времени журнал «Тайм» опубликовал мой краткий биографический очерк. И все же редакторы не ожидали такого спроса. Сейчас выходит семнадцатое издание в Америке и десятое в Великобритании[9].

Почему на эту книгу был такой спрос? Мне трудно быть объективным, и потому, пожалуй, я подожду, что скажут другие. Большинство отзывов я счел благосклонными, но не вносящими особой ясности. Все они были построены по одной схеме: Стивен Хокинг страдает болезнью Лу Герига (в американских отзывах), или нейромоторным заболеванием (в британских); он прикован к инвалидной коляске, не может говорить и может только двигать энным числом пальцев (количество пальцев варьировалось от одного до трех, в зависимости от того, насколько точна была статья обо мне, с которой ознакомился рецензент), и все же он написал эту книгу, посвященную вопросу вопросов: откуда мы взялись и куда мы идем? Ответ, предлагаемый Хокингом, таков: Вселенная не возникла и не исчезнет – она просто есть. Чтобы сформулировать свою мысль, Хокинг вводит понятие мнимого времени, которое мне (рецензенту), охватить трудновато. И все же если Хокинг прав и мы найдем полную обобщенную теорию, то действительно поймем замысел Бога. В корректуре я чуть было не вычеркнул последнюю фразу книги, где говорилось, что мы поймем замысел Бога. Если бы я сделал это, число продаж могло снизиться вдвое.

Более проникновенной, по моему мнению, была статья в «Индепендент», где говорилось, что даже серьезная научная книга вроде «Краткой истории времени» может стать культовой. Мое произведение сравнили с книгой «Дзен и искусство ухода за мотоциклом». Жена пришла в ужас, а я был даже польщен и надеялся, что оно, подобно «Дзен…», даст людям понять, что не нужно отстраняться от великих философских и интеллектуальных вопросов.

Несомненно сыграл свою роль простой человеческий интерес к тому, как я умудряюсь быть физиком-теоретиком несмотря на свой недуг. Но купивших книгу только ради этого ждало разочарование, поскольку в ней всего пару раз упоминалось о моем состоянии. Книга посвящалась истории Вселенной, а не мне. Но это не помешало некоторым обвинить «Бантам» в том, что он бесстыдно спекулирует на моей болезни и что я тоже приложил к этому руку, разрешив поместить на обложке свой портрет. На самом же деле, согласно договору, я не мог контролировать обложку. Однако мне удалось убедить издательство взять для британского издания фото получше, чем жалкая устаревшая фотография на американском издании. Но американскую обложку оставили без изменений, сказав, что американская публика уже идентифицирует ее с самой книгой.

Подразумевалось также, что люди покупают мою книгу и потому, что видели отзывы на нее в списке бестселлеров, но не читают, а просто прячут в шкаф или кладут на кофейный столик, поставив себе в заслугу ее приобретение, но не приложив ни малейших усилий к тому, чтобы понять ее. Не сомневаюсь, что такое случается, но, думаю, не чаще, чем с другими серьезными книгами, включая Библию и Шекспира. С другой стороны, я знаю, что хоть кто-то наверняка прочел ее, потому что каждый день получаю кипу писем и многие задают вопросы и подробно комментируют мою книгу, а это свидетельствует о том, что они ее читали, хотя не всё в ней поняли. Меня даже останавливали на улице незнакомые люди и говорили, что книга им очень понравилась. Конечно, меня нетрудно узнать: я, может быть, не самый выдающийся автор, но внешность выдает меня быстрее, чем других. Однако по частоте, с которой я получаю такие комплименты на улице (к большому смущению моего девятилетнего сына), похоже, можно судить о соотношении купивших книгу и действительно прочитавших ее.

Теперь меня спрашивают, что я собираюсь делать дальше. Вряд ли я смогу написать продолжение «Краткой истории времени». А как бы я назвал его? «Более длинная история времени»? «По ту сторону конца времени»? «Сын времени»?[10] Мой агент предложил мне дать согласие на съемку фильма о моей жизни. Но у меня и моих близких не останется ни капли самоуважения, если мы разрешим актерам изображать нас. То же самое, хотя и в меньшей степени, можно сказать о намерении позволить и помочь кому-то описать мою жизнь. Конечно, я не могу запретить кому-либо сделать это самостоятельно при условии, что там не будет клеветы, но я стараюсь удерживать людей от этого, говоря, что собираюсь сам написать автобиографию. Может быть, и напишу. Но не тороплюсь. Есть еще много научных проблем, которыми я хочу заняться.

6. Моя позиция

[11]

Эта статья не о том, верю ли я в Бога. Вместо этого я объясню свой подход к пониманию Вселенной: каково состояние и значение всеобщей теории, «теории всего». Вот тут действительно есть проблема. Люди, которые должны изучать эти вопросы и отвечать на них, – философы – в большинстве своем не имеют достаточной математической подготовки, чтобы угнаться за современными достижениями теоретической физики. Существует подотряд, называемый философами науки, которые должны бы быть более подкованными. Но многие из них – неудавшиеся физики, которым показалось слишком трудным делом разрабатывать новые теории, и вместо этого они пишут о философии физики. Они по-прежнему спорят о научных теориях начала века и не касаются передовых рубежей современной физики.

Возможно, я слишком суров к философам, но и они со мной были не слишком любезны. Мой подход они называли наивным и простодушным, а меня самого – номиналистом, инструменталистом, позитивистом, реалистом и всякими прочими «истами». Это метод опровержения путем очернения: если сможешь наклеить на мой подход ярлык, то и не надо доказывать, чем же он неверен, – разумеется, все знают фатальную ошибочность всех этих «измов».

Те, кто действительно продвинулся в теоретической физике, мыслят совсем не теми категориями, что постоянно для них придумывают философы и историки науки. Я уверен, что Эйнштейна, Гейзенберга и Дирака не беспокоило, реалисты они или инструменталисты. Их заботой было лишь то, что существовавшие теории не стыковались друг с другом. В теоретической физике для продвижения вперед поиск логической последовательности всегда был важнее, чем экспериментальные результаты. Многие прекрасные теории отвергались, так как не согласовывались с наблюдениями, но я не знаю ни одной серьезной теории, которая продвинулась бы только на основе эксперимента. Теория всегда приходит первой, она возникает из желания получить стройную математическую модель. Затем делаются предположения, которые проверяются наблюдением. Если наблюдения согласуются с предположениями, это не доказывает теорию, но она остается жить, чтобы сделать новые предположения, которые снова проверяются наблюдениями. Если наблюдения войдут в противоречие с предположениями, теория отвергается.

Точнее, считается, что все происходит именно так. На практике люди очень неохотно расстаются с теорией, на которую потратили много сил и времени. Обычно начинают ставить под сомнение точность наблюдений. Если это не удается, то пытаются подправить теорию в манере ad hoc[12], и в конце концов она превращается в некое безобразное сооружение. Тогда кто-нибудь предлагает новую теорию, стройную и естественную. Примером этого может служить проведенный в 1887 году опыт Майкельсона – Морли, который показал, что скорость света всегда одна и та же, как бы ни двигались источник света и наблюдатель. Это казалось смешно. Конечно же, тот, кто движется навстречу свету, должен измерить бо́льшую скорость, чем тот, кто движется в одном направлении со светом! И все же эксперимент показал, что оба наблюдателя измеряют одинаковую скорость. В течение последующих восемнадцати лет такие люди, как Хендрик Лоренц и Джордж Фицджералд, пытались согласовать это наблюдение с общепринятыми представлениями о времени и пространстве. Они выдвинули ad hoc некоторые предположения, как, например, то, что объекты, двигаясь с большой скоростью, становятся короче, – и весь каркас физики стал неуклюжим и уродливым. В 1905 году Эйнштейн предложил гораздо более привлекательную точку зрения, в которой время не рассматривалось как нечто отдельное и совершенно самостоятельное. Оно сливалось с пространством в четырехмерный объект, называемый пространство-время. Эйнштейна привели к этой мысли не столько результаты экспериментов, сколько желание заставить две части теории слиться в гармоничное целое. Этими двумя частями были законы, управляющие электрическим и магнитным полями, и законы, управляющие движением тел.

Не думаю, что Эйнштейн или кто-либо еще в 1905 году сознавал, какой простой и стройной оказалась эта новая теория относительности. Она полностью перевернула наше понимание пространства и времени. Этот пример хорошо иллюстрирует, как трудно быть реалистом в философии науки: ведь то, что мы считаем реальностью, во многом обусловлено используемой нами теорией. Я уверен, что Лоренц и Фицджералд считали себя реалистами, интерпретируя эксперимент со скоростью света в терминах ньютоновских идей об абсолютном пространстве и абсолютном времени. Казалось, что эти понятия пространства и времени отвечают здравому смыслу и реальности. Но теперь те, кто знаком с теорией относительности, – а их все еще пугающе мало – имеют несколько иной взгляд. Мы должны рассказывать людям о современном понимании таких основополагающих концепций, как пространство и время.

Если то, что считать реальным, зависит от нашей теории, как же мы можем сделать реальность основой нашей философии? Я бы назвал себя реалистом в том смысле, что признаю существование вне нас Вселенной, ожидающей, когда ее исследуют и поймут. Я считаю, что позиция солипсиста – якобы все сущее есть наше воображение – это пустая трата времени. Никто не действует, опираясь на такую точку зрения. Но без какой-либо теории мы не можем выделить, что же во Вселенной реально. Поэтому я принимаю точку зрения, названную простодушной и наивной, что физическая теория – это просто математическая модель, используемая нами для описания результатов наблюдений. Теория является хорошей, если модель изящна, если она описывает большой класс наблюдений и предсказывает результаты новых наблюдений. В противном случае не имеет смысла спрашивать, соответствует ли теория реальности, так как мы знаем, что реальность зависит от теории. Подобный взгляд на научные теории, возможно, делает меня инструменталистом или позитивистом – как я уже говорил, меня называли и так и так. Человек, назвавший меня позитивистом, пошел дальше: он добавил, что всем известно, как позитивизм устарел, – еще один случай опровержения путем наклеивания ярлыка. Может быть, он действительно устарел в том, что было пунктиком интеллектуалов вчерашнего дня, но тому, кто ищет новые законы и новые методы описания Вселенной, эта очерченная мной позитивистская позиция представляется единственно возможной. Нехорошо апеллировать к реальности, когда у нас нет независимой от модели концепции этой реальности.

По моему мнению, невысказанная вера в независимую от модели реальность и является глубинной причиной тех трудностей, с которыми философы науки сталкиваются при изучении квантовой механики и принципа неопределенности. Существует знаменитый мысленный эксперимент, называемый «кошкой Шрёдингера». Кошку помещают в запечатанный ящик. На ящик направлена пушка, которая выстрелит, если радиоактивный нуклид распадется. Вероятность этого 50 процентов (сегодня никто не посмеет предположить такую вещь даже для мысленного эксперимента, но во времена Шрёдингера никто не слышал о правах животных).

Если откроют ящик, то обнаружат кошку живой или мертвой. Но до того, как его откроют, квантовое состояние кошки будет смесью состояния мертвой кошки с состоянием живой. Философам науки очень трудно допустить это. Кошка не может быть наполовину застреленной, а наполовину незастреленной, как нельзя быть наполовину беременной. Эта трудность возникает оттого, что они косвенно пользуются классической концепцией реальности, где объект имеет определенную и единственную предысторию. Но весь фокус в том, что у квантовой механики другой взгляд на реальность. Согласно ему, объект имеет не единственную предысторию, но все возможные предыстории. В большинстве случаев вероятность какой-то одной предыстории отменяется вероятностью несколько иной предыстории, но в определенных случаях вероятности соседних предысторий усиливают друг друга. И одну из этих усиленных предысторий мы видим как предысторию объекта.

В случае с кошкой Шрёдингера две возможные предыстории усилили друг друга. В одной кошку застрелили, а в другой она осталась жива. В квантовой теории обе возможности могут существовать вместе. Но некоторые философы сбиваются с толку, поскольку косвенно предполагают, что кошка может иметь только одну предысторию.

Природа времени – еще один пример области, где физическая теория определяет нашу концепцию реальности. Принято считать очевидным, что время течет всегда, независимо от того, что происходит; но теория относительности, соединяя время и пространство, говорит, что и то и другое может искривляться или деформироваться материей Вселенной. Так что наше восприятие природы времени изменилось: раньше считалось, что оно независимо от Вселенной, а теперь считается, что оно ею формируется. И тогда становится возможным понять, что время до какого-то определенного момента было просто не определено; если двинуться во времени вспять, то можно натолкнуться на непреодолимый барьер – сингулярность, за которую не зайти. В таком случае имело бы смысл спросить, что произвело Большой Взрыв. Если мы говорим о причинности, это неявно подразумевает, что до Большого Взрыва сингулярности что-то было. Но как нам известно уже двадцать пять лет, общая теория относительности Эйнштейна говорит, что время должно было начаться с сингулярности пятнадцать миллиардов лет назад. Однако философы не подхватили эту идею. Их все еще заботят основы квантовой механики, заложенные шестьдесят пять лет назад. Они не понимают, что передовой край физики продвинулся дальше.

Еще хуже обстоит дело с математическим понятием мнимого времени, с помощью которого Джим Хартл и я предположили, что Вселенная, возможно, не имеет начала и конца. За слова о мнимом времени на меня яростно набросился один философ науки. «Как может математическая хитрость вроде мнимого времени иметь что-то общее с реальной Вселенной!» – воскликнул он. Думаю, этот философ перепутал математические термины «вещественное число» и «мнимое число» с соответствующими словами, которые мы используем в повседневной жизни. Это только иллюстрирует мою точку зрения: как можем мы знать, что такое реальное, независимо от теории или модели, при помощи которой мы это интерпретируем?

Я воспользовался примерами из теории относительности и квантовой механики, чтобы показать проблемы, с которыми мы сталкиваемся, пытаясь осмыслить Вселенную. И на самом деле не важно, разбираетесь ли вы в теории относительности и квантовой механике или нет и даже верны ли эти теории. Надеюсь, я продемонстрировал, что только нечто вроде такого позитивистского подхода, когда теория рассматривается как модель, может помочь понять Вселенную – по крайней мере, физикам-теоретикам. Я полон надежд, что мы найдем стройную и непротиворечивую модель, описывающую всё во Вселенной, и тогда это будет истинным триумфом человечества.

7. Виден ли конец теоретической физике?

[13]

На этих страницах я хочу обсудить вопрос, может ли конечная цель теоретической физики быть достигнута в не столь отдаленном будущем – скажем, к концу XX столетия. Под этим я понимаю возможность построить полную, гармоничную и всеобщую теорию физических взаимодействий, которая описала бы все доступные нам наблюдения. Конечно, в таких предположениях нужно быть очень осторожным. Мы уже по крайней мере дважды думали, что находимся на грани окончательного построения. В начале века верилось, что все можно понять в терминах непрерывной механики, нужно только измерить некоторые коэффициенты: упругость, вязкость, проводимость и т. п. Эти надежды были разбиты открытием квантовой механики и строения атома. В двадцатых годах Макс Борн сказал группе ученых, приехавших в Гёттинген: «Физика, как мы теперь понимаем, через полгода будет исчерпана». Это произошло вскоре после открытия Полем Дираком, предыдущим главой люкасовской кафедры, уравнения, описывающего поведение электрона. Предполагали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона – второй из двух известных тогда частиц. Однако открытие нейтрона и ядерных сил развеяло эти надежды. Теперь мы знаем, что ни протон, ни нейтрон не являются элементарными, а состоят из еще меньших частиц. Тем не менее за последние годы мы достигли большого прогресса, и, как я покажу дальше, есть некоторые основания для осторожного оптимизма: мы можем создать полную теорию еще при жизни тех, кто сейчас читает эти страницы.

Но даже если мы и достигнем полной теории, мы не сможем детально предсказать ничего, кроме простейших ситуаций. Например, нам уже известно, как физические законы управляют тем, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Как определил сам Дирак, его уравнение стало основой «для большей части физики и для всей химии». Однако мы можем решить это уравнение только для очень простой системы – атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. Для более сложных атомов с бо́льшим числом электронов, не говоря уж о молекулах из нескольких ядер, нам остается прибегать к аппроксимациям и интуитивным догадкам сомнительной надежности. Для макроскопических систем, состоящих, например, из 10²³ частиц, нам приходится прибегать к статистическим методам, и мы вынуждены расстаться со своими притязаниями на точное решение уравнения. Хотя в принципе нам известны уравнения, управляющие всеми биологическими процессами, мы не можем свести исследование человеческого поведения к отрасли прикладной математики.

Что же мы назвали бы всеобщей физической теорией? Наши попытки смоделировать физическую реальность, как правило, состоят из двух частей. Это а) множество частных законов, которым подчиняются различные физические величины, и б) множество граничных условий, которые сообщают нам о состоянии некоторых областей Вселенной в определенное время и о тех эффектах, которые распространяются затем в нее из этих областей.

Многие заявили бы, что роль науки ограничивается первой частью и, когда мы получим полный набор частных физических законов, теоретическая физика достигнет своей цели. Вопрос о начальных условиях для Вселенной они отнесли бы к области метафизики или религии. Некоторым образом это похоже на то, как в прежние века препятствовали научным изысканиям, говоря, что все природные явления – деяния Бога и не следует выяснять их причины. Думаю, что начальные условия Вселенной – такой же подходящий предмет для научных исследований и теорий, как и частные физические законы. Мы не получим завершенной теории, пока не сможем чего-то большего, чем просто сказать: «Вещи таковы, каковы они есть, потому что они были такими, какими были».

Вопрос об уникальности начальных условий тесно связан с вопросом о произвольности частных физических законов: нельзя считать теорию завершенной, если она содержит ряд регулируемых параметров и позволяет подгонять константы, которым можно задавать произвольные значения. В действительности, похоже, ни начальные условия, ни значения параметров в теории не являются произвольными, а каким-то образом очень тщательно выбираются или устанавливаются. Например, если разница масс протона и нейтрона не была бы примерно вдвое больше массы электрона, не получилось бы около двух сотен стабильных нуклидов, из которых созданы все элементы, являющие собой основу химии и биологии. Аналогично, если бы гравитационная масса протона значительно отличалась от действительной, не получилось бы звезд, в которых эти нуклиды могли бы строиться, а если бы начальное расширение Вселенной было чуть меньше или чуть больше, она бы схлопнулась до того, как эти звезды смогли развиться, или разлетелась бы так быстро, что звезды никогда бы не сформировались за счет гравитационной конденсации.

В самом деле, некоторые люди дошли до того, чтобы возвести эти ограничения на начальные условия и параметры в принцип, в антропный принцип, который можно изложить так: «Вещи таковы, каковы они есть, потому что мы существуем». Согласно одной версии этого принципа, существует множество других, отдельных вселенных с другими значениями физических параметров и другими начальными условиями. Большинство этих вселенных не обеспечивают условий для развития сложных структур, нужных для возникновения разумной жизни. Только в некоторых из них, там, где условия и параметры схожи с нашей Вселенной, возможно возникновение разумной жизни, которая может задать вопрос: «Почему Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем?» Ответ, конечно же, состоит в том, что если бы она была иной, то некому было бы и задать вопрос.

Этот антропный принцип дает некоторое объяснение многих замечательных числовых соотношений, которые наблюдаются между значениями различных физических параметров. Однако остается некая неудовлетворенность – нельзя избавиться от чувства, что есть более глубокое объяснение. Он также не учитывает все области Вселенной. Например, Солнечная система несомненно является необходимым условием нашего существования, так же как и ранние поколения ближайших звезд, в которых путем ядерного синтеза смогли сформироваться тяжелые элементы. Даже возможно, что потребовалась вся наша Галактика. Но не видно никакой необходимости в существовании каких-либо других галактик, не говоря уж о тех миллионах миллионов, что мы видим более-менее равномерно разбросанными по всей доступной наблюдению Вселенной. Эта макроскопическая однородность Вселенной очень мешает поверить, что строение Вселенной определяется чем-то таким периферийным, как сложные молекулярные структуры на одной из малых планет, вращающихся вокруг самой обычной звезды на окраинах довольно заурядной спиральной галактики.

Если мы не собираемся обратиться к антропному принципу, нам нужно как-то обобщить теорию, чтобы учесть начальные условия Вселенной и значения различных физических параметров. Однако слишком трудно придумать завершенную теорию всего сразу (впрочем, похоже, некоторых это не останавливает – я получаю по почте две-три всеобщие теории в неделю). Вместо этого мы ищем частные теории, которые опишут ситуации, где некоторые взаимодействия можно оставить без внимания или каким-то простым способом аппроксимировать. Сначала мы делим материальное содержимое Вселенной на две части: вещественные частицы, такие как кварки, электроны, мюоны и т. п., и взаимодействия, такие как гравитация, электромагнетизм и прочее. Вещественные частицы описываются полями с полуцелым спином и подчиняются принципу Паули, который не допускает, чтобы хотя бы две такие тождественные частицы были в одном состоянии. Вот почему твердые тела не сжимаются в точку и не испускают лучи в бесконечность. Вещественные частицы делятся на две группы: адроны, состоящие из кварков, и лептоны, включающие в себя все остальное.

Взаимодействия феноменологически делятся на четыре категории. В порядке убывания силы они таковы: сильные ядерные взаимодействия, относящиеся только к адронам; электромагнетизм, взаимодействующий с заряженными адронами и лептонами; слабые ядерные силы, взаимодействующие со всеми адронами и лептонами; и, наконец, гравитация – самая слабая, взаимодействующая со всем. Взаимодействия представляются полями с целочисленным спином, не подчиняющимися принципу Паули. Это означает, что они могут иметь много частиц в одном и том же состоянии. В случае электромагнетизма и гравитации взаимодействия, кроме всего прочего, являются дальнодействующими, то есть поля, произведенные большим числом материальных частиц, складываются все вместе и образуют поле, которое можно выявить на макроскопическом уровне. По этой причине они оказались первыми, для которых были разработаны теории: Ньютоном в XVII веке – закон всемирного тяготения – и Максвеллом в XIX веке – теория электромагнетизма. Однако эти теории в основном не совмещались, потому что Ньютонова теория была инвариантна, если всей системе придавалась любая постоянная скорость, в то время как теория Максвелла определяла особую скорость – скорость света. Под конец оказалось, что Ньютонову теорию гравитации нужно изменить, чтобы состыковать ее с инвариантными свойствами теории Максвелла. Это сделала общая теория относительности Эйнштейна, сформулированная в 1915 году.

Общая теория относительности, описывающая гравитацию, и Максвеллова теория электромагнетизма были так называемыми классическими теориями, то есть имели дело с величинами, которые могли непрерывно изменяться и, по крайней мере в принципе, могли измеряться с произвольной точностью. Однако когда попытались применить такие теории для построения модели атома, возникла проблема. Обнаружилось, что атом состоит из маленького положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Естественно было допустить, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра, как Земля вокруг Солнца. Но классическая теория утверждала, что электроны должны излучать электромагнитные волны. Эти волны забирали бы энергию, отчего электроны должны были по спирали приближаться к ядру, приводя к сжатию атома.

Эта проблема была решена благодаря несомненно величайшему достижению теоретической физики XX века: базовым постулатом явился принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что две величины, такие как положение и импульс частицы, нельзя измерить одновременно с произвольной точностью. Относительно атома это означало, что в своем низшем энергетическом состоянии электрон не может лежать на ядре, потому что в этом случае были бы точно определены его положение (на ядре) и скорость (нулевая). Вместо этого и положение, и скорость должны были быть размазаны вокруг ядра с каким-то вероятностным распределением. В этом состоянии электрон не может излучать энергию в виде электромагнитных волн, потому что не было бы более низкого энергетического уровня, на который он мог бы перейти.

В двадцатых и тридцатых годах квантовую механику с огромным успехом применяли к таким системам, как атомы и молекулы, имевшим ограниченное число степеней свободы. Однако возникла трудность, когда попытались применить ее к электромагнитному полю, имевшему неограниченное число степеней свободы – грубо говоря, по две для каждой точки пространства-времени. Эти степени свободы можно рассматривать как осцилляторы, каждый со своим положением и импульсом. Осцилляторы не могут быть в покое, потому что тогда они имели бы точно определенное положение и импульс. Вместо этого каждый осциллятор должен иметь конечные по амплитуде, так называемые нулевые флюктуации и ненулевую энергию. Энергия всего бесконечного числа степеней свободы привела бы к тому, что масса и заряд электрона стали бы бесконечными.

Для преодоления этой трудности в 1940 году была разработана процедура, названная ренормализацией. Она состояла из довольно-таки произвольного вычитания одних бесконечных величин из других с целью получить конечный остаток. В случае с электродинамикой было необходимо сделать два таких бесконечных вычитания – одно для массы, а другое – для заряда электрона. Под эту процедуру ренормализации не было подведено прочного концептуального или математического фундамента, но на практике она работала очень неплохо. Свидетельством ее успеха стало предсказание лэмбовского сдвига – небольшого смещения линий в спектре атомарного водорода. Однако с учетом попыток построить завершенную теорию это было не очень удовлетворительно, потому что ренормализация не предсказывала значений конечного остатка после бесконечных вычитаний. Таким образом, чтобы объяснить, почему электрон имеет такие массу и заряд, какие он имеет, нам пришлось бы вернуться к антропному принципу.

В течение пятидесятых и шестидесятых годов считалось, что слабые и сильные ядерные силы не подвержены ренормализации, то есть чтобы стать конечными, они потребовали бы бесконечного числа бесконечных вычитаний. Получилось бы бесконечное число остатков, не определенных в теории. Такая теория не имела бы силы предсказывать что-либо, потому что неограниченное число параметров измерить нельзя. Однако в 1971 году Герард Хофт показал, что единую модель электромагнитных и слабых взаимодействий, предложенную ранее Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом, действительно можно ренормализировать конечным числом вычитаний. В протонной теории Салама – Вайнберга к частице со спином 1, несущей электромагнитное взаимодействие, присоединялись три других партнера со спином 1, названные W⁺, W^- и Z⁰. Предполагалось, что при очень больших энергиях все эти четыре частицы будут вести себя одинаково. Однако при малых энергиях теория замечательно сочеталась с наблюдениями, и это побудило Шведскую Академию присудить Нобелевскую премию Саламу, Вайнбергу и Шелдону Глэшоу, который построил схожую единую теорию. Однако сам Глэшоу заметил, что Нобелевский комитет рисковал, так как у нас до сих пор нет достаточно мощных ускорителей, чтобы разогнать частицы и проверить эту теорию в режиме, когда единство между электромагнитными силами, заключенными в фотоне, и слабыми силами, заключенными в W⁺, W^- и Z⁰, действительно имеет место. Такой мощный ускоритель будет готов через несколько лет, и многие физики верят, что он подтвердит теорию Салама – Вайнберга[14].

Успех теории Салама – Вайнберга привел к поиску схожей ренормализационной теории сильных взаимодействий. Довольно скоро стало ясно, что протоны и другие адроны, такие как пи-мезон, не могут быть поистине элементарными частицами, а должны быть связанными состояниями других частиц, называемых кварками. Последние, похоже, обладали любопытным свойством: хотя они довольно свободно двигались внутри адрона, оказалось невозможным получить собственно один кварк, – они всегда выходили либо группами по три (как протон или нейтрон), либо парами, состоящими из кварка и антикварка (подобно пи-мезону). Чтобы объяснить это, кварк наделили свойством, названным цветом. Следует подчеркнуть, что это свойство не имеет ничего общего с обычным пониманием цвета, – кварки слишком малы, чтобы увидеть их в видимом свете, это просто условный термин. Идея заключается в том, что кварки бывают трех цветов – красного, зеленого и голубого, но любое изолированное связанное состояние, такое как адрон, должно быть бесцветным или являть собой комбинацию красного, зеленого и голубого, как протон, или смесь красного и антикрасного, зеленого и антизеленого, голубого и антиголубого, как пи-мезон.

Предполагалось, что сильные взаимодействия между кварками осуществляются частицами со спином 1, так называемыми глюонами, довольно похожими на частицы, несущие слабые взаимодействия. Глюоны также имеют цвет и вместе с кварками подчиняются ренормализационной теории, называемой квантовой хромодинамикой, или, для краткости, КХД. Последовательность ренормализационной процедуры состоит в том, что эффективная константа связи теории зависит от энергии, на которой она измеряется, а на очень больших энергиях она уменьшается до нуля. Данный феномен известен как асимптотическая свобода. Это означает, что кварки внутри адрона при высокоэнергетических столкновениях ведут себя почти так же, как свободные частицы, поэтому к их поведению можно с успехом применять теорию возмущений. Предположения теории возмущений довольно хорошо согласуются с результатами наблюдений, но нельзя сказать, что эта теория получила экспериментальное подтверждение. На малых энергиях эффективная константа связи становится очень большой, и теория возмущений не срабатывает. Есть надежда, что это «инфракрасное рабство» объяснит, почему кварки всегда заключены в бесцветных связанных состояниях, но пока еще никто не сумел убедительно это продемонстрировать.

Построив одну ренормализационную теорию для сильных взаимодействий, а другую для слабых и электромагнитных, было естественно поискать теорию, которая бы объединила эти две. Этим теориям дали довольно преувеличенное название «великие обобщенные теории»[15]. Это название несколько сбивает с толку, потому что они и не великие, и не полностью обобщенные, и не совсем теории, поскольку в них содержится множество неопределенных ренормализационных параметров, таких как константы связи и массы. Тем не менее они, возможно, стали знаменательным шагом по направлению к единой теории. Основная идея состоит в том, что константа связи сильных взаимодействий, большая на малых энергиях, на высоких энергиях постепенно уменьшается вследствие асимптотической свободы. С другой стороны, эффективная константа связи в теории Салама – Вайнберга, малая на низких энергиях, на высоких постепенно возрастает, поскольку эта теория не является асимптотически свободной. Если экстраполировать низкоэнергетический коэффициент и уменьшать константы связи, то обнаружится, что две константы связи становятся равными на энергии порядка 10¹⁵ ГэВ (ГэВ – гигаэлектронвольт – это миллиард электронвольт, что примерно равно энергии, которая высвободилась бы, если бы один атом водорода полностью преобразовать в энергию. Для сравнения: энергия, выделяемая при химических реакциях, таких как горение, равняется приблизительно одному электронвольту на атом). Данные теории предполагают, что выше этой энергии сильные взаимодействия объединяются со слабыми и электромагнитными, но на меньших энергиях имеет место спонтанное нарушение симметрии.

Энергия в 10¹⁵ ГэВ находится за пределами возможности лабораторного оборудования; нынешнее поколение ускорителей может произвести энергию центра масс около 10 ГэВ, а следующее поколение сможет произвести примерно 100 ГэВ. Этого хватит, чтобы исследовать энергии, при которых электромагнитные силы, согласно теории Салама – Вайнберга, должны объединяться со слабыми взаимодействиями, но это не та гигантская энергия, когда слабые и электромагнитные взаимодействия должны объединяться с сильными взаимодействиями. Тем не менее «великие обобщенные теории» могут предсказать кое-что, доступное для проверки в лаборатории. Например, эти теории предсказывают, что протон не должен быть совершенно стабилен, а должен распадаться со временем жизни порядка 10³¹ лет. Нижний предел современных лабораторных исследований времени жизни равен примерно 10³⁰ лет, и должна быть возможность его улучшить.

Другое предположение, которое можно проверить, касается соотношения во Вселенной адронов и фотонов. Для частиц и античастиц должны быть одни и те же физические законы. Точнее, они должны быть теми же самыми, если частицы заменить античастицами, правое заменить левым и скорости всех частиц заменить на обратные. Это известно как теорема CPT, и она является следствием из базового допущения, которое должно содержаться в любой осмысленной теории. И все же Земля, а на самом деле и вся Солнечная система, сделана из протонов и нейтронов, без антипротонов и антинейтронов. В самом деле, такой дисбаланс между частицами и античастицами есть еще одно априорное условие нашего существования, так как, если бы Солнечная система состояла из равной смеси частиц и античастиц, они бы аннигилировали друг с другом и осталось бы одно излучение. Из наблюдаемого отсутствия такого аннигиляционного излучения мы можем заключить, что наша Галактика полностью состоит скорее из частиц, чем из античастиц. У нас нет прямого свидетельства насчет других галактик, но кажется вероятным, что они состоят из частиц и что во Вселенной в целом частицы преобладают над античастицами – примерно в соотношении одна античастица к 10⁸ частиц. Это можно принять в расчет, прибегнув к антропному принципу, но «великие обобщенные теории» действительно дают механизм для объяснения такого дисбаланса. Хотя все взаимодействия, похоже, инвариантны к комбинациям C (замена частиц античастицами), P (зеркальное отражение, левые и правые меняются местами) и Т (изменение направления движения всех частиц на обратное), известны взаимодействия, не инвариантные только к Т. В ранней Вселенной, где существует явно выраженное направление времени, заданное расширением, эти взаимодействия могут порождать больше частиц, чем античастиц. Однако число, которое они дают, очень зависит от модели, так что соответствие с наблюдениями вряд ли можно считать подтверждением «великих обобщенных теорий».

Пока что большинство усилий было направлено на то, чтобы объединить первые три категории физических взаимодействий – сильные и слабые ядерные силы и электромагнетизм. Последней, четвертой, – гравитацией – пренебрегали. Одним из оправданий было то обстоятельство, что гравитация слишком слаба, и потому квантовый гравитационный эффект будет большим только на энергиях частиц выше достижимых на каком-либо ускорителе. Другое оправдание – что гравитация вряд ли ренормализуема: для получения конечного ответа, похоже, придется делать бесконечное число бесконечных вычитаний с соответственно бесконечным числом неопределенных конечных остатков. И все же, если мы хотим получить действительно всеобщую теорию, сюда надо включить и гравитацию. К тому же классическая общая теория относительности говорит, что должны существовать пространственно-временные сингулярности с бесконечно сильным гравитационным полем. Такие сингулярности имели место в начале нынешнего расширения Вселенной (Большой Взрыв) и, видимо, могут проявиться в будущем при гравитационном коллапсе звезд и, возможно, самой Вселенной. Вообще наличие сингулярностей ставит под сомнение классическую теорию. Однако не видно причины, почему она должна оказаться неверной, пока гравитационные поля не усилятся настолько, чтобы квантовый гравитационный эффект оказался существенным. Таким образом, квантовая теория гравитации является неотъемлемой частью общей теории, если мы хотим описать раннюю Вселенную и затем как-то объяснить начальные условия, а не просто прибегать к антропному принципу.

Такая теория также нужна, если мы хотим ответить на вопрос: действительно ли время имеет начало и, возможно, конец, как это предсказывает классическая общая теория относительности, или сингулярности в Большом Взрыве и Большом Сжатии некоторым образом смазываются квантовыми эффектами? Это слишком трудный вопрос, чтобы ответить на него определенно, когда само строение пространства и времени подчиняется принципу неопределенности. Лично я ощущаю, что сингулярности, вероятно, все же существуют, хотя в математическом смысле время можно продолжить за них. Однако всякое время в субъективном понимании, относящееся к сознанию или способности производить измерения, должно когда-нибудь закончиться.

Каковы же перспективы создания квантовой теории гравитации и объединения ее с тремя другими категориями взаимодействий? Вся надежда, пожалуй, в дальнейшем обобщении общей теории относительности, называемом теорией супергравитации. В ней гравитация – частицы со спином 2, несущие гравитационное взаимодействие, – соотносится с другими полями, описываемыми частицами с меньшим спином с помощью так называемых суперсимметричных трансформаций. Основное достоинство этой теории в том, что она уводит нас от старой дихотомии между «материей», представленной частицами с половинными спинами, и «взаимодействиями», представленными частицами с целочисленными спинами. Ее огромным преимуществом является и то, что бесконечности, возникающие в квантовой теории, взаимно уничтожают друг друга. Уничтожаются ли все они, позволяя иметь теории, основанные на конечных величинах, – это пока неизвестно. Есть надежда, что да, так как можно показать, что теории, включающие гравитацию, или конечны, или неренормализуемы, то есть если производить бесконечные вычитания, придется делать бесконечное число их с соответственно бесконечным числом неопределенных остатков. Таким образом, если все бесконечности в супергравитации окажутся взаимно уничтожены, мы могли бы получить теорию, не только полностью объединяющую все материальные частицы и взаимодействия, но и завершенную в том смысле, что она не будет иметь неопределенных по величине параметров ренормализации.

Хотя мы еще не имеем подходящей квантовой теории гравитации, не говоря уж о теории, обобщающей и другие физические взаимодействия, у нас есть идея относительно некоторых особенностей, которые она должна иметь. Одна из них связана с тем фактом, что гравитация влияет на случайные структуры пространства-времени, то есть гравитация определяет, какие события могут случайно связываться с другими. Пример этого в классической общей теории относительности – черные дыры, представляющие собой область пространства-времени, где гравитационное поле так сильно, что свет или другие сигналы затягиваются туда и не могут выскользнуть во внешний мир. Это интенсивное гравитационное поле около черной дыры приводит к возникновению пар частица-античастица, одна из которых падает в черную дыру, а другая улетает в бесконечность. Улетающие частицы словно бы излучаются черной дырой. Удаленный от черной дыры наблюдатель может измерять только вылетающие частицы и не может связывать их с упавшими в черную дыру, потому что не наблюдает их. Это означает, что вылетающие частицы имеют повышенный уровень случайности или непредсказуемости по сравнению с тем, который обычно связан с принципом неопределенности. В нормальных ситуациях принцип неопределенности подразумевает возможность точно предсказать или положение, или скорость частицы, или сочетание положения и скорости. Таким образом, грубо говоря, способность делать определенные утверждения делится пополам. Однако в случае с частицами, вылетевшими из черной дыры, невозможность наблюдать происходящее в черной дыре означает, что нельзя определенно предсказать ни положение, ни скорость вылетающих частиц. Все, что можно сказать, – это вероятности, с которыми частицы вылетают в определенных режимах.

Представляется, что даже если мы построим единую теорию, то, возможно, сумеем сделать только статистические утверждения. Нам также придется отказаться от точки зрения, что существует лишь одна Вселенная, которую мы наблюдаем. Вместо этого придется привыкнуть к картине, где существуют всевозможные вселенные с некоторым вероятностным распределением. Это могло бы объяснить, почему Вселенная началась с Большого Взрыва в условиях почти идеального теплового равновесия, так как именно равновесие соответствует наибольшему числу микроскопических конфигураций и, следовательно, наибольшей вероятности. Перефразируя вольтеровского Панглосса, можно сказать, что «мы живем в наиболее вероятном из возможных миров».

Каковы же перспективы, что мы построим завершенную единую теорию в не слишком отдаленном будущем? Каждый раз, когда мы распространяем наши наблюдения на меньший масштаб и более высокие энергии, мы открываем новые структурные уровни. В начале XX века открытие броуновского движения с типичной энергией частиц в 3 × 10^-2 эВ показало, что материя не непрерывна, а состоит из атомов. Чуть позже было открыто, что эти предположительно неделимые атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг ядра с энергией в несколько электронвольт. Ядро, в свою очередь, оказалось состоящим из так называемых элементарных частиц, протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными связями порядка 10⁶ эВ. Далее мы обнаружили, что протоны и электроны состоят из кварков, удерживаемых вместе связями с энергией порядка 10⁹ эВ. И свидетельством того, как далеко мы зашли в теоретической физике, стали гигантские машины и куча денег на эксперименты, результаты которых мы предсказать не можем.

Исходя из прошлого опыта можно было бы предположить, что существует бесконечная последовательность структурных уровней со все более и более высокой энергией. В самом деле, такой взгляд на бесконечную регрессию ящиков в ящиках был официальной догмой в Китае при Банде Четырех. Однако похоже, что гравитация должна обеспечить какой-то предел, но только в очень малом масштабе расстояний, порядка 10^-33 см, или при очень высокой энергии – порядка 10²⁸ эВ. При масштабах меньше этого можно ожидать, что пространство-время перестанет вести себя как континуум и из-за квантовых флюктуаций гравитационного поля превратится в пенообразную структуру.

Существует очень большая неисследованная область между нашим нынешним экспериментальным пределом примерно в 10¹⁰ эВ и гравитационным ограничением в 10²⁸ эВ. Предположение, которое делают «великие обобщенные теории», а именно что в таком огромном интервале существуют только один или два структурных уровня, может показаться наивным. Однако есть почва для оптимизма. В данный момент, по крайней мере, представляется, что гравитацию можно объединить с другими физическими взаимодействиями только в какую-либо теорию «супергравитации». Оказалось, что число таких теорий конечно. В частности, самая большая из них – так называемая расширенная супергравитация с N = 8. Она содержит в себе один гравитон, семь частиц со спином ³/₂, названных гравитино, двадцать восемь частиц со спином 1, пятьдесят шесть частиц со спином ½ и семьдесят частиц со спином 0. Как ни велики эти цифры, они не так огромны, чтобы мы не смогли объяснить все частицы, которые, похоже, наблюдаем в сильных и слабых взаимодействиях. Например, теория с N = 8 имеет двадцать восемь частиц со спином 1. Их достаточно, чтобы объяснить глюоны, несущие сильные взаимодействия, и две частицы из четырех, несущие слабые взаимодействия, но не оставшиеся две. Поэтому придется поверить, что многие или большинство из наблюдаемых частиц, такие как глюоны или кварки, в действительности не элементарные частицы, как кажется в настоящий момент, а связанные состояния фундаментальных частиц теории с N = 8. Если спроецировать нынешние экономические тенденции на будущее, не верится, что мы получим достаточно мощные ускорители, способные в обозримом будущем или вообще когда-либо прозондировать эти составные структуры. Тем не менее тот факт, что эти связанные состояния возникают из четкой теории с N = 8, позволяет нам сделать множество предположений, которые можно проверить на энергиях, доступных уже сейчас или в ближайшем будущем. Низкоэнергетические предсказания данной теории так хорошо согласуются с наблюдениями, что эта теория сейчас в целом принята, хотя мы еще не достигли энергии, при которой можно делать обобщение.

В описывающей Вселенную теории должно быть что-то очень четкое. Почему эта теория должна войти в жизнь, в то время как остальные теории существуют лишь в умах их изобретателей? Теория супергравитации с N = 8 имеет несколько заявлений, выделяющих ее из остальных. Похоже, она может оказаться единственной теорией, которая: а) работает в четырех измерениях, б) охватывает гравитацию, в) конечна без каких-либо бесконечных вычитаний.

Я уже указал, что, если нам нужна завершенная теория без всяких параметров, третье свойство необходимо. Однако первые два трудно объяснить, не прибегая к антропному принципу. Похоже, что есть непротиворечивая теория, удовлетворяющая требованиям а) и б), но не охватывающая гравитацию. Однако в такой Вселенной, вероятно, не найдется притягивающих сил, достаточных, чтобы собрать материю в большие массы, что, вероятно, необходимо для развития сложных структур. Вопрос, почему пространство-время должно быть четырехмерным, обычно считается вне компетенции физики. Однако для этого тоже есть хороший аргумент, опирающийся на антропный принцип. Трех измерений для пространства-времени – то есть двух для пространства и одного для времени – явно не хватает для сложного организма. С другой стороны, если бы пространство имело более трех измерений, орбиты планет вокруг Солнца или электронов вокруг ядра были бы нестабильны и по спирали сходили бы внутрь. Это оставляет возможность для более чем одного измерения времени, но я из тех, кому такую Вселенную вообразить слишком трудно.

Пока что я косвенно допустил, что окончательная теория в принципе может существовать. Но так ли это? Есть по крайней мере три возможности:

1. Может быть единая завершенная теория.

2. Не может быть никакой окончательной теории, но может быть бесконечная последовательность таких теорий, что каждый частный класс наблюдений можно предсказать, взяв из цепи достаточно продвинутую теорию.

3. Не может быть никакой теории. Наблюдения нельзя описать или предсказать дальше определенной точки, за которой они становятся непредсказуемыми.

Третья точка зрения выдвигалась как аргумент против ученых XVII и XVIII веков: как могут они формулировать законы, ограничивающие свободу Бога передумать? Тем не менее они сформулировали, и это сошло им с рук. В нынешние времена возможность 3 мы уничтожили, охватив ее схемой: квантовая механика является ярким примером теории того, чего мы не знаем и не можем предсказать.

Возможность 2 дает нам картину бесконечной последовательности структур все более и более высокой энергии. Как я уже сказал, это представляется маловероятным, так как можно предположить, что на энергии Планка, порядка 10²⁸ эВ, будет предел. Это оставляет нам возможность 1. В данный момент единственным реальным кандидатом является теория супергравитации с N = 8[16]. Может быть, в ближайшие годы будет сделано множество важных расчетов, которые, возможно, покажут несостоятельность этой теории. Если же она выдержит эти проверки, вероятно, пройдет еще несколько лет, прежде чем мы разработаем вычислительные методы, которые позволят нам что-то предсказывать, и прежде чем мы сможем объяснить начальные условия Вселенной так же, как частные физические законы. Это будет основной проблемой для физиков-теоретиков на следующую пару десятилетий. Но чтобы не заканчивать на такой несколько панической ноте, скажу, что им вряд ли понадобится существенно больше времени. Сейчас огромную помощь в исследованиях оказывают компьютеры, но их должен направлять человеческий разум. Однако если экстраполировать скорость их развития в последнее время, может показаться вполне реальным, что в будущем они целиком возьмут на себя теоретическую физику. Так что, возможно, уже виден конец если не теоретической физики, то физиков-теоретиков.

8. Мечта Эйнштейна

В первые годы XX века две новые теории совершенно изменили наше представление о пространстве и времени, да и о самой реальности тоже. Более чем через семьдесят пять лет мы все еще осознаем их смысл и пытаемся обобщить их в единую теорию, которая опишет все во Вселенной. Эти две теории – общая теория относительности и квантовая механика. Общая теория относительности имеет дело с пространством и временем: как они в большом масштабе искривляются и деформируются материей и энергией во Вселенной. Квантовая механика имеет дело с малыми масштабами. Она включает в себя так называемый принцип неопределенности, утверждающий, что одновременно нельзя точно измерить и положение, и скорость частицы, – чем точнее измеряешь одно, тем менее точно измеряешь другое. Всегда есть элемент неопределенности или случайности, и это фундаментальным образом влияет на поведение материи в малом масштабе. Эйнштейн почти единолично создал общую теорию относительности и сыграл важную роль в развитии квантовой механики. Его чувства к последней выражаются фразой «Бог не играет в кости». Но все свидетельствует о том, что Бог – заядлый игрок и при всякой возможности Он бросает кости.

В данном эссе я попытаюсь изложить основные идеи, стоящие за этими теориями, и объяснить, почему Эйнштейн был так недоволен квантовой механикой. Я также опишу некоторые примечательные моменты, которые, похоже, имеют место при попытках объединить эти две теории. Существует утверждение, что время началось примерно пятнадцать миллиардов лет назад и что когда-то в будущем оно может закончиться. И все же в другом виде времени Вселенная не имеет границ. Она не возникла и не исчезнет. Она просто есть.

Начну с теории относительности. Государственные законы действуют лишь в одной стране, но физические законы одинаковы и в Британии, и в Соединенных Штатах, и в Японии. Они действуют и на Марсе, и в туманности Андромеды. Более того: законы всё те же, с какой бы скоростью мы ни двигались. Законы на сверхскоростном экспрессе или на реактивном самолете такие же, что и для тех, кто стоит на месте. В действительности, конечно, стоящий неподвижно на Земле движется вокруг Солнца со скоростью примерно 18,6 мили (30 км) в секунду. Но все это движение не имеет никакого значения для физических законов – они одни и те же для всех наблюдателей.

Эта независимость от скорости системы впервые была открыта Галилеем, который разработал законы движения таких объектов, как пушечное ядро или планета. Однако когда люди попытались распространить эту независимость от скорости наблюдателя на законы движения света, возникла проблема. В XVIII веке было открыто, что свет распространяется от источника до наблюдателя не мгновенно, он движется с определенной скоростью – около 186 000 миль (300 000 км) в секунду. Но относительно чего эта скорость? Казалось, что во всем пространстве должна быть какая-то среда, через которую проходит свет. Эту среду назвали эфиром. Идея заключалась в том, что свет со скоростью 186 000 миль в секунду распространяется в эфире, и это означало, что наблюдатель, неподвижный относительно эфира, измерит скорость света, равную примерно 186 000 милям в секунду, а наблюдатель, движущийся в эфире, измерит бо́льшую или меньшую скорость. Однако в 1887 году тщательный эксперимент, выполненный Майкельсоном и Морли, показал, что скорость света неизменна. Не важно, с какой скоростью движется наблюдатель, – он всегда измерит скорость света, равную 186 000 милям в секунду.

Как это может быть? Как могут наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, измерять одну и ту же скорость? Ответ один: этого не может быть – если только наши обычные представления о пространстве и времени верны. Однако в своей знаменитой статье, написанной в 1905 году, Эйнштейн указал, что все пресловутые наблюдатели могут измерять одну и ту же скорость света, если отказаться от идеи об универсальном времени. Вместо этого у каждого из них будет свое индивидуальное время, измеренное их часами. Если часы движутся относительно друг друга медленно, время, измеренное разными часами, будет почти точно совпадать, но если они движутся с большой скоростью, время будет существенно отличаться. Такой эффект был действительно замечен путем сравнения часов, помещенных на земле и на авиалайнере, – часы на лайнере несколько отстали по сравнению с неподвижными. Однако для обычных скоростей передвижения разница в ходе часов очень мала. Чтобы добавить к вашей жизни одну секунду, вам придется пролететь вокруг земли 400 миллионов раз, но все эти самолетные завтраки сократят вашу жизнь гораздо значительнее.

Как людям, движущимся с разными скоростями, сохранить собственное индивидуальное время, чтобы измерить одну и ту же скорость света? Скорость импульса света – это расстояние, которое он проходит между двумя событиями, деленное на временной интервал между этими событиями (событием в данном случае мы считаем нечто, имеющее место в одной точке пространства в определенный момент времени). Люди, движущиеся с разными скоростями, не сойдутся во мнении насчет расстояния между двумя событиями. Например, если я измерю скорость автомобиля, едущего по дороге, то могу подумать, что он проехал всего один километр, но для наблюдателя на Солнце он переместился на 1800 километров, потому что, пока автомобиль ехал по дороге, Земля переместилась. Поскольку люди движутся с разными скоростями, измеряя разное расстояние между событиями, они должны также измерять разные интервалы времени, если сходятся насчет скорости света.

Первоначальная теория относительности Эйнштейна, выдвинутая им в статье 1905 года, теперь называется специальной теорией относительности. Она описывает, как объекты передвигаются в пространстве и времени, и показывает, что время – не универсальная величина, существующая сама по себе, отдельно от пространства. А будущее и прошлое – это просто направления, как верх и низ, право и лево, вперед и назад, в так называемом пространстве-времени. Во времени вы можете двигаться только в направлении будущего, но можете двигаться немного под углом к нему. Именно поэтому время может двигаться с разными скоростями.

Специальная теория относительности Эйнштейна объединила время с пространством, но пространство и время по-прежнему оставались фоном, на котором происходили события. Вы можете выбирать, в каком направлении двигаться в пространстве-времени, но не можете ничего сделать, чтобы изменить предысторию пространства и времени. Однако все изменилось, когда в 1915 году Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности. Он выдвинул революционную идею, что гравитация – это не просто сила, действующая в фиксированном пространстве-времени, а искривление пространства-времени, вызванное массой и заключенной в ней энергией. Объекты, например пушечные ядра, и планеты пытаются двигаться сквозь пространство-время по прямой, но поскольку пространство-время не прямое, а искривлено, изогнуто, траектории искривляются. Земля пытается двигаться через пространство-время по прямой, но его искривление, вызванное массой Солнца, заставляет ее двигаться по кругу. Подобным же образом свет пытается двигаться по прямой, но искривление пространства-времени вблизи Солнца заставляет свет далеких звезд загибаться при прохождении рядом. Но во время затмения, когда бо́льшая часть солнечного излучения задерживается Луной, свет этих звезд можно наблюдать. Эйнштейн создал свою общую теорию относительности во время Первой мировой войны, не в самых благоприятных условиях для наблюдений, но сразу же после войны британская экспедиция, наблюдая затмение 1919 года, подтвердила предположение общей теории относительности: пространство-время не прямое, а искривляется заключенными в нем материей и энергией.

Это был величайший триумф Эйнштейна. Его открытие совершенно изменило наше представление о пространстве и времени. Они больше не были пассивным фоном, на котором происходят события. Мы больше не можем представлять пространство и время как длящиеся вечно, независимо от того, что происходит во Вселенной. Это динамические величины, которые сами влияют на события, а происходящие в них события, в свою очередь, влияют на них.

Важным свойством массы и энергии является то, что они всегда положительны. Вот почему гравитация всегда притягивает тела друг к другу. Например, земная гравитация притягивает нас даже на обратной стороне Земли. Вот почему жители Австралии с нее не падают. Аналогично гравитация Солнца удерживает планеты на орбитах и не дает Земле улететь в темноту или межзвездное пространство. Согласно общей теории относительности, тот факт, что масса всегда положительна, означает, что пространство-время искривляется внутрь себя, как земная поверхность. Если бы масса была отрицательной, пространство-время искривлялось бы по-другому, как седлообразная поверхность. Это положительное искривление пространства-времени, отражающее факт гравитационного притяжения, представлялось Эйнштейну большой проблемой. Тогда было широко распространено мнение, что Вселенная статична, однако если пространство, а особенно время искривляются внутрь себя, как же может Вселенная вечно оставаться в более-менее неизменном состоянии, в том же, что и сейчас?

Первоначальная Эйнштейнова формула общей теории относительности предсказывала, что Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Поэтому Эйнштейн добавил в уравнение дополнительный член, связывающий массу и энергию во Вселенной с искривлением пространства-времени. Эта так называемая космологическая постоянная порождает эффект гравитационного отталкивания. Таким образом становилось возможным уравновесить притяжение материи отталкиванием, порожденным космологической постоянной. Другими словами, отрицательное искривление пространства-времени, вызванное космологической постоянной, могло компенсировать положительное искривление, вызванное массой и энергией Вселенной. Это позволило получить модель Вселенной, остающейся вечно в одном и том же состоянии. Если бы Эйнштейн настоял на своей первоначальной формуле, не вводя космологического члена, он бы предсказал, что Вселенная или расширяется, или сжимается. А так никто и не думал, что она изменяется со временем, вплоть до 1929 года, пока Эдвин Хаббл не открыл, что удаленные галактики движутся от нас. Вселенная расширяется. Позднее Эйнштейн назвал космологическую постоянную «величайшей ошибкой в своей жизни».

Но с космологической постоянной или без таковой, тот факт, что материя заставляет пространство-время искривляться внутрь себя, оставался проблемой, хотя не все это признавали. Из него следовало, что материя может искривить область внутрь себя настолько, что эта область окажется изолированной от остальной Вселенной. Она превратилась бы в то, что мы называем черной дырой. Объекты могли бы падать в черную дыру, но ничто не могло бы вырваться оттуда. Чтобы вырваться, объекту пришлось бы двигаться со сверхсветовой скоростью, чего теория относительности не позволяла. Таким образом, материя внутри черной дыры оказалась бы в ловушке и сжалась бы до какого-то неведомого состояния с чрезвычайно большой плотностью.

Эйнштейна очень обеспокоил вывод об этом коллапсе, и он отказался поверить, что такое случается. Но в 1939 году Роберт Оппенгеймер показал, что старые звезды, более чем вдвое превышающие массой Солнце, неизбежно коллапсируют, когда выработают все свое ядерное топливо. Потом вмешалась война, Оппенгеймер был вовлечен в проектирование атомной бомбы и потерял интерес к гравитационному коллапсу. Других ученых больше заботила физика, которую можно изучать на Земле. Они не верили предсказаниям о далеких уголках Вселенной, так как казалось, что их нельзя проверить наблюдениями. Однако в шестидесятых годах огромный прогресс в широте и качестве астрономических наблюдений вызвал новый интерес к гравитационному коллапсу и к ранней Вселенной. Что же точно предсказывала общая теория относительности Эйнштейна насчет этих ситуаций, оставалось неясно, пока Роджер Пенроуз и я не доказали несколько теорем. Эти теоремы показали, что из факта искривления пространства-времени внутрь себя вытекает, что должны быть сингулярности – места, где пространство-время имеет начало и конец. Оно должно было иметь начало в Большом Взрыве примерно пятнадцать миллиардов лет назад и должно закончиться коллапсом звезды, когда все упавшее в черную дыру сжавшаяся звезда оставит в прошлом.

Тот факт, что общая теория относительности Эйнштейна предсказывала неизбежность существования сингулярностей, привел к кризису физики. Уравнения общей теории относительности, связывающие искривление пространства-времени с распределением массы и энергии, теряют смысл в сингулярной точке. Это означает, что общая теория относительности не может предсказать, что получается из сингулярности. В частности, общая теория относительности не может предсказать, как должна возникать Вселенная при Большом Взрыве. Таким образом, общая теория относительности – не завершенная теория. Ее нужно дополнить некоторой составляющей, которая определила бы, что происходит, когда материя коллапсирует под действием собственной гравитации.

Необходимой дополнительной составляющей представляется квантовая механика. В 1905 году, в тот же год, когда написал свою статью о специальной теории относительности, Эйнштейн также написал о феномене, называемом фотоэлектрическим эффектом. Было замечено, что, когда свет падает на определенные металлы, выделяются заряженные частицы. Удивительно в этом было то, что, если интенсивность света снижалась, число выделенных частиц тоже уменьшалось, но скорость, с которой они вылетали, оставалась прежней. Эйнштейн показал, что это можно объяснить, если свет поглощается не в произвольных количествах, как все мы полагали, а лишь набором пакетов строго определенного размера. Идея о том, что свет существует в виде пакетов, названных квантами, была предложена несколькими годами раньше немецким физиком Максом Планком. Это смахивает на супермаркет, когда вам говорят, что нельзя купить сахару столько, сколько вам нужно, а только в расфасовке по килограмму. Планк воспользовался идеей о квантах просто для объяснения того, почему раскаленный докрасна кусок металла не выдает сразу бесконечное количество энергии, но он рассматривал кванты всего лишь как теоретическую хитрость, которую не соотносил с чем-либо в физической реальности. Статья Эйнштейна показала, что возможно непосредственно наблюдать отдельный квант. Каждая излучаемая частица соотносилась с одним квантом света, падающего на металл. Это было широко признано как очень важный вклад в квантовую теорию, что принесло Эйнштейну Нобелевскую премию 1922 года (ему следовало дать Нобелевскую премию за общую теорию относительности, но мысль, что пространство и время искривляются, все еще считалась слишком умозрительной и парадоксальной, так что вместо этого ему дали премию за фотоэлектрический эффект, – но нельзя сказать, что это само по себе не заслуживало Нобелевской премии).

Полные выводы из фотоэлектрического эффекта не были сделаны до 1925 года, когда Вернер Гейзенберг указал, что лежащие в его основе представления не позволяют точно измерить положение частицы. Чтобы увидеть, где находится частица, нужно посветить на нее. Но Эйнштейн показал, что нельзя взять очень малое количество света, а придется использовать целый пакет – один квант. Такой пакет света подвинет частицу и придаст ей скорость в некотором направлении. Чем точнее вы хотите измерить положение частицы, тем бо́льшую энергию пакета вам придется использовать и тем большее возмущение он придаст частице. Какие бы измерения с частицей вы ни пытались произвести, неопределенность ее положения, умноженная на неопределенность скорости, всегда будет больше некой определенной величины.

Принцип неопределенности Гейзенберга показал, что нельзя точно измерить состояние системы, а потому невозможно предсказать вероятности реализации тех или иных вариантов будущего. И вот этот-то элемент случайности очень озаботил Эйнштейна. Он отказывался верить, что физические законы не могут точно и однозначно предсказать, что произойдет. Но все свидетельствовало о том, что от феномена кванта и принципа неопределенности никуда не деться и что они заняли свое место во всех отраслях физики.

Общая теория относительности Эйнштейна – это так называемая классическая теория, то есть она не включает в себя принцип неопределенности. Поэтому требуется найти новую теорию, которая охватила бы общую теорию относительности и принцип неопределенности. В большинстве ситуаций разница между этой новой теорией и классической теорией относительности будет весьма мала. Дело в том, что, как было замечено ранее, неопределенность, вызванная квантовым эффектом, существует только в очень малом масштабе, в то время как общая теория относительности имеет дело со строением пространства-времени в очень большом масштабе. Однако теоремы сингулярности, доказанные Роджером Пенроузом и мной, показали, что пространство-время окажется сильно искривленным и в очень малом масштабе. Действие принципа неопределенности станет тогда очень важным и, наверное, приведет к некоторым замечательным результатам.

Проблемы Эйнштейна с квантовой механикой и принципом неопределенности частично возникали из-за того, что он пользовался обычным, основанным на здравом смысле понятием, что система имеет определенную предысторию. Частица находится либо в одном месте, либо в другом. Она не может быть наполовину в одном месте, наполовину в другом. Аналогично событие вроде посадки астронавтов на Луну или имело место, или нет. Оно не могло состояться наполовину. Это все равно что быть отчасти мертвым или отчасти беременной. Тут либо да, либо нет. Но если система имеет единственную, определенную предысторию, принцип неопределенности приводит ко всевозможным парадоксам, таким как нахождение частицы сразу в двух местах или как астронавты, наполовину достигшие Луны.

Изящный способ избежать этих парадоксов, так тревоживших Эйнштейна, выдвинул американский физик Ричард Фейнман. Фейнман стал известен в 1948 году своей работой по квантовой теории света. В 1965 году он вместе с другим американским физиком, Джулианом Швингером, и японским физиком Синисиро Томонага получил Нобелевскую премию. Но Фейнман был настоящим физиком в традициях Эйнштейна и ненавидел помпу и интриги. Он отказался от членства в Национальной Академии наук, так как обнаружил, что бо́льшую часть времени академики проводят, решая, кого из ученых принять в Академию. Фейнман, умерший в 1988 году, запомнится большим вкладом в теоретическую физику. Одним из его достижений являются носящие его имя диаграммы, ставшие основой почти для всех расчетов в физике частиц. Но еще более важный вклад – его концепция суммы предысторий. Идея заключалась в том, что система не имеет единственной предыстории в пространстве-времени, как принято считать в классической неквантовой теории. Вместо этого она имеет все возможные предыстории. Рассмотрим для примера частицу, находящуюся в определенное время в точке А. Согласно сумме предысторий она может двигаться по любому пути, начинающемуся в этой точке. Это вроде того как капнуть чернилами на промокашку. Частицы чернил расползутся по промокашке во все стороны. Даже если вы прервете прямой путь между двумя точками, прорезав бумагу, чернила распространятся за ее края.

С каждым путем или предысторией частицы можно ассоциировать число, зависящее от формы пути. Вероятность того, что частица пройдет из точки А в точку В, получается путем суммирования чисел, ассоциированных со всеми путями, ведущими частицу из точки А в точку В. Но числа от прямых путей сложатся с числами от почти прямых путей. Таким образом, главный вклад в вероятность будет сделан прямыми или почти прямыми путями. Вот почему след от частицы, проходящей через пузырьковую камеру, выглядит почти прямым. Но если вы вставите в разрез на пути частицы нечто вроде стенки, пути частиц могут распространиться в обход стенки, и может появиться вероятность обнаружить частицы в стороне от прямого направления через разрез.

В 1973 году я начал исследовать, какое влияние принцип неопределенности окажет на частицу в искривленном пространстве-времени вблизи черной дыры. Довольно примечательно мое открытие, что черная дыра не будет совершенно черной. Принцип неопределенности позволит частицам и излучению постоянно выскальзывать из нее. Этот результат стал для меня и всех прочих полным сюрпризом и был встречен общим недоверием. Но задним числом он показался очевидным. Черная дыра – это область пространства, из которого невозможно вырваться, если двигаешься со скоростью меньше скорости света. Но Фейнманова сумма предысторий говорит, что частицы могут выбрать любой путь через пространство-время. Следовательно, частица может двигаться быстрее света. Вероятность того, что она преодолеет длинное расстояние со сверхсветовой скоростью, мала, но частица может пролететь достаточно, чтобы вырваться из черной дыры, а потом снизить свою скорость до досветовой. Таким образом, принцип неопределенности позволяет частицам вырваться из, казалось бы, последнего узилища – из черной дыры. Вероятность того, что частица вырвется из черной дыры массой с Солнце, очень мала, потому что ей придется преодолеть со сверхсветовой скоростью несколько километров. Но могут существовать гораздо меньшие черные дыры, сформировавшиеся в ранней Вселенной. Эти первобытные черные дыры могут быть по размеру меньше атомного ядра, но их масса может достигать миллиардов тонн – как масса горы Фудзи. Они могут производить столько же энергии, как большая электростанция. Вот бы найти такую черную дыру и запрячь ее энергию! К сожалению, похоже, по Вселенной их разбросано не так уж много.

Предсказание излучения из черной дыры было первым нетривиальным результатом от сочетания общей теории Эйнштейна с принципом квантования. Это показало, что гравитационный коллапс не такой уж тупик, как казалось раньше. Частицы в черной дыре не обязаны заканчивать свою историю в сингулярности. Вместо этого они могут вырваться из черной дыры и продолжить свою историю снаружи. Возможно, квантовый принцип означает, что также можно избежать всех историй, берущих начало в точке творения при Большом Взрыве.

На этот вопрос ответить гораздо труднее, потому что он требует применения квантового принципа к структуре самих пространства и времени, а не к путям частиц на данном пространственно-временном фоне. Что тут нужно – так это определить способ суммирования предысторий не только для частиц, но для самой ткани пространства и времени. Мы пока еще не знаем, как их просуммировать, но определенно знаем свойства этого суммирования. Одно из них заключается в том, что суммировать проще, если оперировать с предысториями в так называемом мнимом, а не в обычном, реальном времени. Мнимое время – сложное для усвоения понятие, и оно, возможно, доставит больше всего трудностей читателям моей книги. За использование понятия «мнимое время» меня также яростно критиковали философы. Как мнимое время может иметь что-то общее с реальной Вселенной? Думаю, эти философы не поняли уроков истории. Когда-то казалось очевидным, что Земля плоская, а Солнце вращается вокруг нее, но со времен Коперника и Галилея мы привыкли к мысли, что Земля круглая и вращается вокруг Солнца. Долго казалось очевидным и то, что время идет одинаково для всех наблюдателей, но после Эйнштейна нам пришлось признать, что время для разных наблюдателей течет по-разному. Также казалось очевидным, что Вселенная имеет единственную историю, но после открытия квантовой механики нам приходится считать, что Вселенная имеет все возможные истории. Я хочу предположить, что идея мнимого времени – это тоже нечто такое, что нам придется принять. Это интеллектуальный скачок того же порядка, как и вера в то, что Земля круглая. Думаю, мнимое время станет столь же естественным, как и круглая Земля. На свете осталось не много верящих в плоскую Землю.

Вы можете представлять обычное, реальное время горизонтальной линией, идущей слева направо. Ранние времена слева, поздние справа. Но вы можете представить другое направление времени – вверх и вниз. Это так называемое мнимое направление времени, под прямым углом к реальному времени.

Какова главная причина введения понятия мнимого времени? Почему бы не придерживаться обычного, реального времени, которое нам известно? Причина в том, как отмечалось ранее, что материя и энергия стремятся заставить пространство-время искривляться внутрь себя. В направлении реального времени это неизбежно ведет к сингулярностям – местам, где пространство-время приходит к своему концу. В сингулярностях физические законы не определены, поэтому нельзя предсказать, что произойдет. Но направление мнимого времени перпендикулярно реальному. Это означает, что оно ведет себя схоже по отношению к трем измерениям, соответствующим движению в пространстве. Искривление пространства-времени, вызванное материей Вселенной, может привести к тому, что три пространственных измерения и направление мнимого времени снова встретятся по другую сторону. Они образуют замкнутую поверхность, подобную поверхности Земли. Три направления пространства и одно мнимого времени образуют пространство-время, замкнутое в себе, без границ и краев. Оно не будет иметь точки, которую можно было бы назвать началом или концом, как не имеет начала и конца земная поверхность.

В 1983 году Джим Хартл и я предложили не брать сумму историй Вселенной в реальном времени, а складывать истории во мнимом времени, где они замыкаются наподобие земной поверхности. Поскольку эти истории не имеют никаких сингулярностей и у них нет начала и конца, происходящее в них будет полностью определяться физическими законами. Это означает, что все происшедшее во мнимом времени можно рассчитать. А если вы знаете историю Вселенной во мнимом времени, то можете рассчитать ее поведение и в реальном времени. Таким образом, есть надежда достичь завершенной полной теории, предсказывающей всё во Вселенной. Эйнштейн провел последние годы своей жизни в поисках такой теории, но не нашел ее, потому что не доверял квантовой механике. Он был не готов признать, что Вселенная может иметь много альтернативных историй. Мы до сих пор не знаем, как должным образом просуммировать все истории Вселенной, но мы можем быть в достаточной степени уверены, что суммирование возьмет на вооружение мнимое время и идею о том, что пространство-время замыкается в себе. Думаю, эти концепции приведут к тому, что новое поколение воспримет эту идею так же естественно, как идею о круглой Земле. В научной фантастике мнимое время уже стало общим местом. Но это не просто научная фантастика или математический трюк. Это – нечто формирующее Вселенную, в которой мы живем.

9. Происхождение Вселенной

Вопрос о происхождении Вселенной немного схож с самой древней проблемой: что появилось сначала – курица или яйцо? Другими словами, какая сила создала Вселенную и что создало эту силу? Или, возможно, Вселенная или создавшая ее сила существовали всегда и не нуждались в создании? До недавнего времени ученые сторонились этих вопросов, чувствуя, что они относятся скорее к метафизике или религии, чем к науке. Однако в последние несколько лет получилось так, что научные законы могут охватить даже возникновение Вселенной. В таком случае Вселенная может быть самодостаточной и полностью определяться научными законами.

Споры о том, возникла ли Вселенная когда-то и как она возникла, проходят через всю зафиксированную историю. Существовало две основные школы мышления. Многие ранние традиции, а также иудейская, христианская и мусульманская религии утверждали, что Вселенная была создана в сравнительно недалеком прошлом (в XVII веке епископ Ашер вычислил дату создания Вселенной – 4004 г. до н. э.; он пришел к этой цифре путем сложения возраста персонажей Ветхого Завета). Одним из фактов, взятых им для обоснования идеи о недавнем происхождении Вселенной, было признание того, что человечество очевидно развивается в культуре и технике. Мы помним, кто первым выполнил такое-то действие или развил такой-то метод. Таким образом, утверждается, мы не могли активно развиваться все время, иначе мы бы уже продвинулись гораздо дальше, чем продвинулись на самом деле.

С другой стороны, были и такие люди, как греческий философ Аристотель, которым не нравилась мысль, что Вселенная когда-то возникла. Они чувствовали, что это подразумевает божественное вмешательство, и предпочитали верить, что Вселенная существовала всегда и будет существовать всегда. Существующее вечно совершеннее того, что пришлось создать. У них был ответ на приведенный выше аргумент о человеческом прогрессе: наводнения и другие природные катаклизмы периодически отбрасывали человечество назад, к началу.

Общим было то мнение, что со временем Вселенная существенно не меняется. Или она была создана в том виде, как есть сейчас, или просто всегда была такой. Так считать было естественно, поскольку человеческая жизнь коротка и между рождением и смертью Вселенная значительно не изменялась. В статической, неизменной Вселенной вопрос о том, существовала она всегда или была создана конечное время назад, важен для метафизики и религии – обе могут заняться такой Вселенной. В самом деле, в 1781 году философ Иммануил Кант написал монументальный и весьма туманный труд «Критика чистого разума», в котором заключил, что есть равно здравые аргументы как в пользу того, что Вселенная имеет начало, так и того, что начала у нее нет. Как предполагает название, его умозаключения основывались на «чистом разуме» – другими словами, никакие наблюдения Вселенной в расчет не принимались[17]. В конце концов, что наблюдать в неизменной Вселенной?

Однако в XIX веке стали накапливаться свидетельства, что Земля и остальная Вселенная в действительности со временем изменяются. Геологи поняли, что формации скал и окаменелости насчитывают сотни и тысячи миллионов лет. Это значительно превосходило расчеты сторонников сотворения мира. Дальнейшие свидетельства поступили от так называемого второго закона термодинамики, сформулированного немецким физиком Людвигом Больцманом. Этот закон утверждает, что общее количество беспорядка во Вселенной (эту величину называют энтропией) со временем только возрастает. Это, как и аргумент насчет прогресса человечества, предполагает, что Вселенная развивается лишь какое-то конечное время. Иначе она бы уже деградировала до состояния полного беспорядка, где все имело бы одну и ту же температуру.

Другая проблема в идее о статической Вселенной заключалась в том, что, согласно Ньютонову закону тяготения, каждая звезда во Вселенной должна притягиваться ко всем другим. А если так, как же они могут оставаться неподвижными, на постоянном расстоянии друг от друга? Не должны ли они собраться все вместе?

Ньютон осознавал эту проблему. В письме Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, он согласился, что конечное число звезд не может оставаться неподвижным, – они все притянулись бы к какой-то центральной точке. Однако, возразил он, бесконечное число звезд не собралось бы вместе, поскольку для них нет никакой центральной точки. Этот аргумент служит примером того, сколько ловушек можно встретить, говоря о бесконечных системах. Пробуя по-разному приложить к каждой звезде силы от бесконечного числа остальных звезд во Вселенной, можно получить разные ответы на вопрос, могут ли звезды оставаться на постоянном расстоянии друг от друга. Теперь мы знаем, что правильно будет рассмотреть случай конечной области звезд, а затем добавлять другие, распределенные приблизительно равномерно за пределами этой области. Конечное число звезд, согласно закону Ньютона, соберется вместе, и добавление других звезд за пределами области не остановит коллапса. Таким образом, бесконечное число звезд не может оставаться неподвижным. Если они хоть на мгновение остановятся относительно друг друга, взаимное притяжение заставит их начать падать друг на друга. Или же они могут двигаться друг от друга, и сила притяжения замедляет скорость их удаления.

Учитывая все проблемы в идее о статической и неизменной Вселенной, никто в XVII, XVIII, XIX и начале XX века не предполагал, что со временем она может получить свое развитие. И Ньютон и Эйнштейн упустили шанс предсказать, что Вселенная должна или сжиматься, или расширяться. Ньютона нельзя в этом упрекнуть, поскольку он жил за 250 лет до того, как наблюдения обнаружили ее расширение, но Эйнштейну следовало бы это знать. Общая теория относительности, сформулированная им в 1915 году, предсказала, что Вселенная должна расширяться. Но он по-прежнему был так убежден в ее статичности, что добавил к своей теории элемент, примиряющий ее с теорией Ньютона и уравновешивающий гравитацию.

Открытое в 1929 году Эдвином Хабблом расширение Вселенной полностью изменило характер дискуссии о ее происхождении. Если взять современные сведения о галактиках и пустить время вспять, окажется, что где-то между десятью и двадцатью миллиардами лет назад они все были в куче. В это время, в момент взрыва сингулярности, называемого Большим Взрывом, плотность Вселенной и искривление пространства-времени должны были быть бесконечными. В таких условиях все известные научные законы должны были нарушаться. Для науки это катастрофа. Это означало бы, что наука сама по себе не может предсказать, как возникла Вселенная. Наука могла бы сказать лишь, что «Вселенная такова, какова она есть, потому что она была такой, какой была». Но наука не могла бы сказать, почему сразу после Большого Взрыва Вселенная была такой, какой была.

Ничего удивительного, что многих ученых не устраивал такой вывод, и потому было предпринято несколько попыток избежать заключения, что произошел Большой Взрыв сингулярности и с него началось время. Одной из теорий была так называемая теория устойчивого состояния. Идея заключалась в том, что, когда галактики разлетались друг от друга, в пространстве между ними из постоянно создававшейся материи возникали новые галактики. Тогда Вселенная могла бы существовать вечно почти в том же состоянии, какова она сегодня.

Чтобы Вселенная продолжала расширяться и создавалась новая материя, теория устойчивого состояния требовала несколько изменить общую теорию относительности, но скорость создания материи, согласно ей, должна была быть очень низкой – примерно одна частица на кубический километр в год, что не противоречило наблюдениям. Теория также предсказывала, что средняя плотность галактик и схожих объектов должна быть постоянной и во времени, и в пространстве. Однако наблюдение источников радиоволн вне нашей Галактики, проведенное Мартином Райлом и его группой в Кембридже, показало, что слабых источников больше, чем сильных. В среднем можно было бы ожидать, что слабые источники – это более удаленные. Тут было две возможности: или мы находимся в области Вселенной, где сильные источники встречаются реже, чем в среднем по Вселенной, или плотность источников была выше в прошлом, когда свет отправился к нам из более удаленных источников. Ни одна из этих возможностей не стыковалась с предсказаниями теории устойчивого состояния, предполагавшей, что плотность радиоисточников должна быть постоянной в пространстве и времени. Окончательным ударом по этой теории стало открытие, сделанное в 1964 году Арно Пенциасом и Робертом Уилсоном относительно происхождения микроволнового излучения, исходящего из отдаленных областей вне нашей Галактики. Оно имело характерный спектр излучения, исходящего от горячего тела, хотя в данном случае термин «горячее» вряд ли уместен, поскольку речь идет о температуре 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Вселенная – холодное, темное место! В теории устойчивого состояния не было никакого осмысленного механизма для порождения микроволн с таким спектром. Поэтому от нее пришлось отказаться.

Другую идею, обходившуюся без Большого Взрыва сингулярности, предложили в 1963 году двое ученых из России – Евгений Лифшиц и Исаак Халатников. Они говорили, что состояние бесконечной плотности может иметь место, только если галактики движутся строго друг к другу или друг от друга – лишь в этом случае когда-то в прошлом они могли быть все вместе. Но галактики имеют и некоторую скорость в сторону, и это дает возможность предположить, что в прошлом была какая-то фаза сжатия Вселенной, когда галактики находились очень близко друг к другу, но каким-то образом сумели не столкнуться. В таком случае Вселенная могла начать расширение, миновав фазу бесконечной плотности.

Когда Лифшиц и Халатников сделали свое предположение, я был аспирантом и подыскивал тему для диссертации. Меня заинтересовало, произошел ли в прошлом Большой Взрыв сингулярности, поскольку этот вопрос был решающим для понимания происхождения Вселенной. Вместе с Роджером Пенроузом мы разработали ряд новых математических приемов, чтобы оперировать с этой и схожими проблемами. Мы показали, что, если общая теория относительности верна, любая осмысленная модель Вселенной должна начинаться с сингулярности, а значит, наука может сказать, что Вселенная должна была иметь начало, но не может сказать, как она должна была начаться, – для этого нужно обратиться к Богу.

Было интересно наблюдать изменение отношения к сингулярностям. Когда я учился на последнем курсе университета, почти никто не воспринимал их всерьез. Теперь, благодаря теоремам сингулярности, почти все верят, что Вселенная возникла из сингулярности, где физические законы нарушаются. Однако теперь уже я думаю, что, хотя сингулярности и существуют, физические законы все же могут определить, как возникла Вселенная.

Общая теория относительности – это так называемая классическая теория, то есть она не принимает в расчет тот факт, что частицы не имеют точно определенного положения и скорости, а «размазаны» по маленькой области пространства принципом неопределенности квантовой механики, который не позволяет одновременно измерить и положение, и скорость. В обычных ситуациях это не имеет большого значения, потому что радиус искривления пространства-времени очень велик по сравнению с неопределенностью положения частицы. Однако теоремы сингулярности показывают, что в начале настоящей фазы расширения Вселенной пространство-время было сильно деформировано, с малым радиусом искривления. В этой ситуации принцип неопределенности очень важен. Таким образом, общая теория относительности, предсказывая сингулярности, можно сказать, ведет к собственному крушению. Чтобы обсуждать происхождение Вселенной, нам нужна теория, сочетающая общую теорию относительности и квантовую механику.

Таковой является теория квантовой гравитации. Мы еще точно не знаем, какую форму примет правильная теория квантовой гравитации. Лучшим кандидатом из имеющихся в настоящий момент является теория суперструн, но в ней еще есть ряд нерешенных проблем. Однако можно предположить, какие свойства будут наличествовать в любой жизнеспособной теории. Одно из них – идея Эйнштейна о том, что влияние гравитации можно представить как искривление или возмущение (искажение) пространства-времени материей и заключенной в ней энергией. Объекты стремятся следовать за ближайшим телом по прямой в искривленном пространстве. Однако, поскольку оно искривлено, их пути оказываются изогнутыми словно бы гравитационным полем.

Другой ожидаемый элемент окончательной теории – это предположение Ричарда Фейнмана относительно того, что квантовую теорию можно сформулировать как «сумму предысторий». В простейшей форме идея заключается в том, что каждая частица имеет все возможные пути, или истории, в пространстве-времени. Каждый путь, или история, имеет некую вероятность, зависящую от его формы. Чтобы эта идея заработала, нужно рассмотреть истории во мнимом, а не в реальном времени, где мы якобы живем. Термин «мнимое время» напоминает нам научную фантастику, но на самом деле это хорошо проработанная математическая концепция. В некотором смысле мнимое время можно представить направлением времени, перпендикулярным к реальному времени. Складываются вероятности всех предысторий частицы с определенными свойствами, такими как прохождение через определенные точки в определенное время. Потом нужно экстраполировать результат обратно в реальное пространство-время, в котором мы живем. Это не самый известный подход к квантовой теории, но он дает те же результаты, что и другие методы.

В случае квантовой гравитации идея Фейнмана о сумме историй включает суммирование всевозможных историй по Вселенной – то есть разных искривленных пространств-времен. Они представляют собой историю Вселенной и всего сущего в ней. Тут придется определить, какой класс из возможных искривленных пространств включать в сумму историй. Выбор этого класса пространств определяет, в каком состоянии находится Вселенная. Если в класс искривленных пространств, определяющий состояние Вселенной, войдут пространства с сингулярностями, то вероятность существования таких пространств не удастся определить теорией. Вместо этого вероятностям придется присвоить значения некоторым произвольным образом. Это означает, что наука не может предсказать вероятности таких сингулярных историй для пространства-времени. Таким образом, она не может сказать, как Вселенная должна себя вести. Возможно, однако, что Вселенная находится в состоянии, определяемом суммой, включающей в себя только несингулярные искривленные пространства. В таком случае научные законы объяснят Вселенную полностью, и чтобы определить, как она возникла, не нужно будет обращаться к какой-то внешней по отношению к ней силе. Предположение, что состояние Вселенной определяется суммой только несингулярных историй, в какой-то степени напоминает ситуацию с пьяным, ищущим свои ключи под фонарем: возможно, он потерял их не там, но это единственное место, где их можно найти. Аналогично, Вселенная может быть в состоянии, определяемом суммой не только несингулярных историй, но это единственное ее состояние, в котором наука может предсказать, какой она будет.

В 1983 году Джим Хартл и я предложили получать состояние Вселенной как сумму определенного класса историй. Этот класс состоял из искривленных пространств без сингулярностей, пространств конечного размера, но не имеющих краев и границ, вроде земной поверхности, но с еще двумя измерениями. Земная поверхность имеет конечную площадь, но не имеет сингулярностей, краев и границ. Я проверил это экспериментально: объехал вокруг Земли и нигде с нее не упал.

Предложение, сделанное Хартлом и мной, можно перефразировать так: «Граничным условием Вселенной является то, что она не имеет границ». Только если Вселенная находится в безграничном состоянии, научные законы сами по себе определяют вероятности каждой возможной истории. Таким образом, только в этом случае известные законы определят, как поведет себя Вселенная. Если она находится в каком-либо другом состоянии, класс искривленных пространств в сумме историй включит пространства с сингулярностями. Чтобы определить вероятности таких сингулярных историй, нужно призвать какой-то другой принцип, отличный от известных научных законов. Этот принцип будет чем-то внешним по отношению к Вселенной. Мы не можем вывести его из чего-то внутри нее. С другой стороны, если Вселенная находится в безграничном состоянии, теоретически мы могли бы полностью определить, как она поведет себя, с точностью, ограниченной принципом неопределенности.

Бесспорно, для науки было бы хорошо, если бы Вселенная была в безграничном состоянии, но как мы можем сказать, так ли это? Ответ заключается в том, что из предположения о безграничности Вселенной вытекают некоторые предсказания относительно того, как Вселенная должна себя вести. Если бы все эти предсказания не согласовались с наблюдениями, мы могли бы заключить, что Вселенная не находится в безграничном состоянии. Таким образом, предположение безграничности – это хорошая научная теория в смысле, определенном философом Карлом Поппером: ее можно опровергнуть наблюдением.

Если наблюдения не сойдутся с предсказаниями, мы узнаем, что в классе возможных историй должны быть сингулярности. Однако это почти и всё, что мы узнаем. Мы не сможем рассчитать вероятности сингулярных историй, а значит, не сможем предсказать, как Вселенная должна себя вести. Можно подумать, что эта непредсказуемость не так уж много значит, если она имела место только во время Большого Взрыва, – ведь это было десять или двадцать миллиардов лет назад. Но если предсказуемость нарушилась в очень сильном гравитационном поле при Большом Взрыве, она также нарушится и при коллапсе каждой звезды. Это может случаться несколько раз в неделю только в нашей Галактике[18], и наша способность предсказывать окажется мала даже по стандартам метеопрогнозов.

Конечно, можно сказать, что нет нужды беспокоиться о нарушении предсказуемости на далеких звездах. Однако в квантовой теории все, что полностью не исключено, может случиться – и случится. Следовательно, если класс возможных историй включает пространства с сингулярностями, эти сингулярности могут оказаться где угодно – не только при Большом Взрыве или коллапсе звезды. И наоборот, тот факт, что мы можем предсказать события, – это экспериментальное свидетельство против сингулярностей и за предположение безграничности.

Так что же предсказывает для Вселенной предположение безграничности? Прежде всего, поскольку все возможные истории для Вселенной в какой-то мере конечны, любая система измерения, которую кто-либо мог бы применить для времени, должна иметь наибольшее и наименьшее значение. Следовательно, Вселенная будет иметь начало и конец. Началом в реальном времени будет Большой Взрыв сингулярности. Однако начало во мнимом времени не будет сингулярностью, а будет отдаленно напоминать Северный полюс на Земле. Если за аналог времени взять долготу на поверхности времени, то можно сказать, что поверхность Земли начинается с Северного полюса. И все же Северный полюс – это самая обыкновенная точка на Земле. Точно так же событие, которому мы хотим присвоить имя «начало Вселенной во мнимом времени», будет обыкновенной точкой пространства-времени, такой же, как остальные. Научные законы будут выполняться в начале так же, как и где-либо еще.

По аналогии с поверхностью Земли можно ожидать, что конец Вселенной будет напоминать начало, так же как Северный полюс напоминает Южный. Однако Северный и Южный полюсы соотносятся с началом и концом истории Вселенной во мнимом времени, а не в реальном, в котором мы живем. Если экстраполировать результаты суммирования историй во мнимом времени на реальное время, окажется, что начало Вселенной в реальном времени может сильно отличаться от ее конца.

Вместе с Джонатаном Галливеллом мы провели приблизительный расчет, что же влечет за собой условие безграничности. Мы оперировали со Вселенной как с совершенно гладким и однородным фоном, на котором есть малые возмущения плотности. В реальном времени может представиться, что Вселенная начала расширяться с очень маленького радиуса. Во-первых, расширение будет, так сказать, инфляционным, то есть размер Вселенной будет удваиваться за крошечную долю секунды, как цены в некоторых странах удваиваются каждый год. Мировой рекорд экономической инфляции, вероятно, поставила Германия после Первой мировой войны, когда цена буханки хлеба подскочила за месяц от одной марки до миллиона. Но это ничто по сравнению с инфляцией, случившейся при возникновении Вселенной: ее размер увеличивался в геометрической прогрессии с коэффициентом миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз за крошечную долю секунды. Конечно, это было еще до прихода нынешнего правительства.

Инфляция была хороша тем, что произвела Вселенную, гладкую и однообразную в большом масштабе, которая, чтобы избежать повторного коллапса, расширялась с критической скоростью. Инфляция также была хороша тем, что производила все содержимое Вселенной буквально из ничего. Когда Вселенная была одиночной точкой вроде Северного полюса, в ней не было ничего, а теперь в той части Вселенной, что мы можем наблюдать, содержится по меньшей мере 10⁸⁰ частиц. Откуда же взялись все эти частицы? Ответ заключается в том, что теория относительности и квантовая механика позволяют материи возникать из энергии в форме пар частица-античастица. А откуда взялась энергия на создание этой материи? Ответ таков: она была позаимствована из гравитационной энергии Вселенной. Вселенная взяла в долг огромное количество отрицательной гравитационной энергии, которая точно уравновесила положительную энергию материи. Во время инфляции Вселенная делала огромные долги у гравитационной энергии, чтобы финансировать создание новой материи. В результате восторжествовала кейнсианская экономика: получилась сильная экспансивная Вселенная, полная материальных объектов. А долг гравитационной энергии не будет погашен до скончания Вселенной.

Ранняя Вселенная не могла быть совершенно однородной и равномерной, потому что это нарушило бы существующий в квантовой механике принцип неопределенности. В ней должны были быть отклонения от равномерной плотности. Предположение безграничности подразумевает, что эти различия в плотности имеются уже в своем первоначальном состоянии, то есть они, согласно принципу неопределенности, должны быть насколько возможно малы. Однако в течение инфляционного расширения эти различия будут увеличиваться. Когда период инфляционного расширения закончится, мы окажемся во Вселенной, которая кое-где расширяется быстрее, а кое-где медленнее. В областях более медленного расширения гравитационное притяжение материи будет замедлять дальнейшее расширение. В конце концов такие области прекратят расширяться и сожмутся в виде галактик и звезд. Следовательно, предположение безграничности позволяет объяснить все сложные структуры, которые мы видим вокруг. Однако оно не может дать для Вселенной одного-единственного предсказания, а дает целое семейство возможных историй, каждая со своей вероятностью. Возможна история, в которой на последних выборах в Великобритании победила лейбористская партия, хотя вероятность такой истории мала.

Предположение безграничности имеет глубокий смысл для оценки роли Бога в делах Вселенной. Теперь в основном признано, что Вселенная развивается согласно четко определенным законам. Эти законы могли быть установлены Богом, но, похоже, Он больше не вмешивается в жизнь Вселенной, чтобы их нарушить. Дело Бога было завести часы и запустить ее так, как Ему заблагорассудилось; в таком случае нынешнее состояние Вселенной было бы результатом Божьего выбора начальных условий.

Однако если нечто вроде предположения безграничности верно, ситуация была бы совершенно иной. В этом случае законы физики выполнялись бы даже при возникновении Вселенной, и Бог не имел бы свободы выбора начальных условий. Конечно, Он все равно мог бы произвольно выбрать законы, правящие Вселенной, однако у Него не было бы обширного выбора. Могло бы быть лишь небольшое число непротиворечивых законов, которые привели бы к возникновению таких сложных существ, как мы, чтобы задаться вопросом: какова природа Бога?

И даже если существует всего одно множество возможных законов, это всего лишь множество уравнений. Что же вдыхает в уравнения жизнь и создает Вселенную, чтобы они управляли ею? Эта окончательная единая теория так мощна, что стала причиной собственного существования? Хотя наука может решить вопрос, как Вселенная возникла, она не может ответить, почему Вселенная появилась. На этот вопрос я ответа не знаю.

10. Квантовая механика и черные дыры

[19]

Первые тридцать лет XX века стали свидетелями появления трех теорий, радикально изменивших взгляд человека на физику и на саму реальность. Физики все еще пытаются изучить и собрать воедино их последствия. Эти три теории – специальная теория относительности (1905), общая теория относительности (1915) и теория квантовой механики (1926). Альберт Эйнштейн в большой степени разработал первую, полностью создал вторую и сыграл значительную роль в развитии третьей. И все же Эйнштейн никак не мог принять квантовую механику из-за наличия в ней элемента случайности и неопределенности. Его чувства выразились в часто цитируемой фразе: «Бог не играет в кости». Однако большинство физиков с готовностью приняли и специальную теорию относительности, и квантовую механику, потому что эти теории описывали прямо наблюдаемые эффекты. Общую же теорию относительности большинство оставили без внимания, потому что она представлялась слишком сложной в математическом смысле, ее было не проверить в лаборатории, и это была чисто классическая теория, то есть казалось, что она не стыкуется с квантовой механикой. Поэтому общая теория относительности была в загоне почти пятьдесят лет.

Огромное расширение астрономических наблюдений, начавшееся в шестидесятых годах, стало причиной возрождения интереса к классической теории относительности, так как оказалось, что многие ранее неизвестные явления, такие как квазары, пульсары и компактные источники рентгеновского излучения, говорят о существовании очень сильных гравитационных полей, описать которые может лишь общая теория относительности. Квазары – это похожие на звезды объекты, которые должны быть в несколько раз ярче целых галактик, если они в самом деле удалены на то расстояние, о котором говорит смещение их спектра к красному краю; пульсары – это быстро мигающие остатки взрыва сверхновой, предположительно сверхплотные нейтронные звезды; компактные источники рентгеновского излучения, открытые приборами с космических аппаратов, могут быть тоже нейтронными звездами или, возможно, гипотетическими объектами еще большей плотности, а именно черными дырами.

Одной из проблем, с которой столкнулись физики, старавшиеся применить общую теорию относительности к этим открытым или гипотетическим объектам, стали попытки состыковать ее с квантовой механикой. За последние несколько лет были проведены работы, дающие надежду на то, что не так далеко время, когда мы получим полную непротиворечивую теорию гравитации, согласующуюся с общей теорией относительности для макроскопических объектов и, можно надеяться, свободную от математических бесконечностей, преследующих другие квантовые теории поля. Эти работы основаны на некоторых недавно открытых квантовых эффектах, имеющих отношение к черным дырам, что обеспечивает замечательную связь черных дыр с законами термодинамики.

Позвольте мне кратко описать, как могли возникнуть черные дыры. Представьте себе звезду с массой в десять раз больше солнечной. Бо́льшую часть своей жизни, то есть около миллиарда лет, звезда генерирует в своих недрах тепло, преобразуя водород в гелий. Высвобожденная энергия создает достаточное давление, чтобы уравновешивать созданную звездой силу тяжести и поддерживать размеры звезды с радиусом примерно в пять раз больше солнечного. Скорость для отрыва от поверхности такой звезды будет около 1000 км/с. То есть объект, выстреленный с поверхности звезды вертикально вверх со скоростью меньше 1000 км/с, будет притянут гравитационным полем звезды назад и вернется на поверхность, в то время как объект, вылетевший с большей скоростью, улетит в бесконечность.

Когда звезда выработает все свое ядерное топливо, ничто уже не сможет поддерживать внутреннее давление, и под действием собственной силы тяжести она начнет сжиматься. По мере сжатия звезды сила тяжести на ее поверхности становится все больше и необходимая для отрыва скорость возрастает. Когда радиус уменьшится до 30 км, необходимая для отрыва скорость достигнет 300 000 км/с – скорости света. После этого никакой свет, испускаемый звездой, не сможет уйти в бесконечность, а будет притягиваться обратно гравитационным полем. Согласно специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, так что если не может вырваться свет, то не может и ничто другое.

В результате получается черная дыра – область пространства-времени, откуда ничто не может улететь в бесконечность. Границы черной дыры называются горизонтом событий. Он соответствует фронту тех световых волн от звезды, которым не удалось улететь в бесконечность, но которые и не упали обратно, а парят на радиусе Шварцшильда: 2 GM/c, где G – Ньютонова гравитационная константа, M – масса звезды, а c – скорость света. Для звезды примерно в десять масс Солнца радиус Шварцшильда составляет около 30 км.

Существуют довольно убедительные наблюдения, позволяющие предположить, что черные дыры примерно такого размера существуют как источник рентгеновского излучения в системе двойной звезды, известной под именем X–I Лебедя. Может быть также огромное множество разбросанных по Вселенной очень маленьких черных дыр, которые образовались в результате коллапса не звезды, а сильно сжатой области в горячей плотной среде, предположительно существовавшей вскоре после Большого Взрыва, из которого произошла Вселенная. Такие первичные черные дыры представляют огромный интерес с точки зрения их квантового эффекта, который я опишу ниже. Черная дыра весом в миллиард тонн (примерно масса горы) имела бы радиус около 10^-13 сантиметра (размер нейтрона или протона). Она могла бы двигаться по орбите вокруг Солнца или центра Галактики.

Первый намек, что между черными дырами и термодинамикой может существовать связь, сделало математическое открытие 1970 года, утверждающее, что площадь поверхности горизонта событий, границ черной дыры, обладает свойством всегда возрастать, когда в черную дыру падает дополнительная материя или излучение. Более того, если две черные дыры столкнутся и сольются в одну, площадь горизонта событий вокруг этой новой черной дыры будет больше, чем сумма площадей двух первоначальных. Эти свойства предполагают, что между площадью горизонта событий черной дыры и понятием энтропии в термодинамике существует сходство. Энтропию можно рассматривать как меру беспорядка системы или, что то же самое, как недостаток знаний о ее точном состоянии. Знаменитый второй закон термодинамики гласит, что энтропия со временем всегда возрастает.

Аналогию между свойствами черной дыры и законами термодинамики расширили Джеймс М. Бардин из Вашингтонского университета, Брендон Картер (Мьюдонская обсерватория) и я. Согласно термодинамике малое изменение энтропии системы сопровождается пропорциональным изменением энергии системы. Коэффициент пропорциональности называется температурой системы. Бардин, Картер и я нашли схожий закон, касающийся изменения массы черной дыры и площади горизонта событий. Здесь коэффициентом пропорциональности является величина, называемая поверхностной гравитацией, которая является мерой силы гравитационного поля на горизонте событий. Если допустить, что площадь горизонта событий аналогична энтропии, то поверхностная гравитация окажется аналогичной температуре. Сходство усиливается тем фактом, что поверхностная гравитация оказывается одинаковой во всех точках горизонта событий, так же как при тепловом равновесии температура одинакова по всему телу.

Хотя между энтропией и площадью горизонта событий существует явное сходство, нам не очевидно, как площадь можно отождествлять с энтропией черной дыры. Что для черной дыры означает энтропия? Решающее предположение сделал в 1972 году Якоб Д. Бекенштейн, учившийся тогда на последнем курсе Принстонского университета, а затем работавший в Негевском университете в Израиле. Суть примерно такова: когда в результате гравитационного коллапса получается черная дыра, она быстро устанавливается в стационарное состояние, характеризуемое всего тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Кроме этих трех, черная дыра не сохраняет никаких других свойств сжавшегося объекта. Данное заключение, известное как теорема «Черная дыра не имеет волос», было подтверждено нашей совместной работой с Брендоном Картером, Вернером Израэлем из Альбертского университета и Дэвидом К. Робинсоном из лондонского Кингс-колледжа.

Из теоремы об отсутствии волос вытекает, что при гравитационном коллапсе теряется большой объем информации. Например, окончательное состояние черной дыры не зависит от того, состояло ли сжавшееся тело из материи или антиматерии, было ли оно круглым или совсем неправильной формы. Иными словами, черная дыра данной массы, момента импульса и электрического заряда может образоваться в результате коллапса любой одной или множества разных конфигураций материи. В самом деле, если пренебречь квантовыми эффектами, число конфигураций могло бы быть бесконечным, поскольку черная дыра может быть образована в результате коллапса целой тучи бесконечного числа частиц с бесконечно малой массой.

Из принципа неопределенности в квантовой механике, однако, следует, что частица с массой m ведет себя как волна с длиной h/mc, где h – постоянная Планка (малое число 6,62 × 10^-27 эрг-секунд), а c – скорость света. Чтобы облако частиц смогло сжаться в черную дыру, необходимо, чтобы эта длина волны была меньше, чем размер получившейся черной дыры. Таким образом оказывается, что число начальных состояний, из которых может сформироваться черная дыра с данными массой, моментом импульса и электрическим зарядом, хотя и очень велико, может быть конечным. Бекенштейн предположил, что логарифм этого числа можно интерпретировать как энтропию черной дыры. Логарифм этого числа будет мерой количества информации, безвозвратно теряемой за горизонтом событий во время коллапса при возникновении черной дыры.

Очевидным изъяном в предположении Бекенштейна было то обстоятельство, что если черная дыра имеет конечную энтропию, пропорциональную площади ее горизонта событий, то она должна иметь и конечную температуру, пропорциональную ее поверхностной гравитации. Из этого можно сделать вывод, что черная дыра находится в равновесии с тепловым излучением при некоторой ненулевой температуре. Однако, согласно классической концепции, такое равновесие невозможно, поскольку черная дыра поглотила бы любое упавшее на нее тепловое излучение, но по определению не смогла бы выделить ничего взамен.

Этот парадокс оставался нерешенным до 1974 года, когда я исследовал, как будет вести себя материя вблизи черной дыры согласно квантовой механике. К своему великому удивлению, я обнаружил, что черная дыра постоянно испускает частицы. Как и все в то время, я принимал без сомнений, что черная дыра не может ничего испускать. Поэтому я потратил очень много усилий, пытаясь избавиться от такого ошеломляющего эффекта. Однако он отказывался исчезать, и в конце концов мне пришлось его признать. Но что меня окончательно убедило в реальности этого физического процесса, так это тот факт, что вылетающие частицы имели в точности тепловой спектр: черная дыра создает и выделяет частицы, как обычное горячее тело с температурой, пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Это сделало предположение Бекенштейна о конечной энтропии черной дыры полностью непротиворечивым, поскольку получалось, что черная дыра может находиться в тепловом равновесии при некоторой отличной от нуля температуре.

С тех пор математическая строгость того, что черная дыра может излучать тепло, была доказана многими другими людьми со множеством разных подходов. Один из способов понять это состоит в следующем. Квантовая механика утверждает, что все пространство заполнено парами из «виртуальных» частиц и античастиц, которые постоянно материализуются в пары, разделяются, а потом соединяются вновь и взаимно уничтожаются (аннигилируют). Эти частицы называются «виртуальными», в отличие от реальных, потому что их нельзя наблюдать прямо, посредством детектора частиц. Их косвенный эффект, тем не менее, можно измерить, и существование таких частиц было подтверждено небольшим смещением («смещением Ламба»), вносимым ими в спектр света от возбужденных атомов водорода. Теперь, при наличии черной дыры, один член такой пары «виртуальных» частиц может упасть в дыру, оставив другого без партнера для аннигиляции. Оставленная в одиночестве частица или античастица может упасть в черную дыру вслед за партнером, но может и улететь в бесконечность, где покажется излучением черной дыры.

Другой способ взглянуть на этот процесс – считать члена пары частица-античастица, падающей в черную дыру (скажем, античастицу), реальной частицей, но идущей по времени в обратном направлении. Таким образом, античастицу, падающую в черную дыру, можно рассматривать как частицу, вылетающую из черной дыры, но в обратном времени. Достигнув точки, в которой пара частица-античастица изначально материализовалась, она рассеивается гравитационным полем так, чтобы двигаться по времени в прямом направлении.

Таким образом, квантовая механика позволяет частице вырваться из черной дыры, чего не допускает классическая механика. Однако в ядерной и атомной физике есть много других ситуаций, когда существует некоторый барьер, который по классическим принципам частицы преодолеть не могут, но через который могут проложить тоннель согласно принципам квантовой механики.

Толщина барьера вокруг черной дыры пропорциональна размеру черной дыры. Следовательно, только очень немногие частицы могут вырваться из такой большой черной дыры, каковой предположительно является X–I Лебедя, но из черных дыр поменьше частицы могут просачиваться весьма быстро. Тщательные расчеты показывают, что выпущенные частицы имеют тепловой спектр, соответствующий температуре, возрастающей с той же скоростью, с какой убывает масса черной дыры. Температура черной дыры с массой Солнца составляет всего лишь одну десятимиллионную градуса относительно абсолютного нуля. Тепловое излучение, покидающее черную дыру с такой температурой, совершенно поглотилось бы радиационным фоном Вселенной. С другой стороны, черная дыра с массой всего миллиард тонн, то есть первичная черная дыра размером примерно с протон, имела бы температуру около 120 миллиардов градусов Кельвина, что соответствует энергии в несколько десятков миллионов электрон-вольт. При такой температуре черная дыра могла бы порождать электрон-позитронные пары и частицы нулевой массы, такие как фотоны, нейтрино и гравитоны (предположительно несущие гравитационную энергию). Первичная черная дыра выделяла бы энергию мощностью порядка 6000 мегаватт, что равно мощности шести больших ядерных электростанций.

Поскольку черная дыра испускает частицы, ее масса и размеры постоянно уменьшаются. Это облегчает другим частицам возможность проделать тоннель наружу, и потому эмиссия будет продолжаться, постоянно возрастая, пока в конце концов черная дыра не сойдет на нет. Таким образом, в конечном итоге все черные дыры во Вселенной испарятся, однако для этого понадобится действительно долгое время: черная дыра с массой Солнца просуществует 10⁶⁶ лет. С другой стороны, первобытная черная дыра должна почти полностью испариться за десять миллиардов лет, что прошло со времени Большого Взрыва, когда, как нам известно, возникла Вселенная. Такие черные дыры теперь должны испускать жесткое гамма-излучение с энергией около 100 миллионов электрон-вольт.

Подсчеты, сделанные Доном Н. Пейджем, работавшим тогда в Калифорнийском технологическом институте, и мной, основывались на измерениях космического фона гамма-радиации со спутника SAS-2 и показали, что средняя плотность первичных черных дыр должна была быть меньше, чем примерно двести дыр на кубический световой год. Локальная плотность в нашей Галактике могла быть в миллион раз больше этой величины, если бы первичные черные дыры сконцентрировались в «гало» галактик – разреженном облаке быстро движущихся звезд, окружающем каждую галактику, – а не распределились бы равномерно по всей Вселенной. Из этого следует, что ближайшая к Земле первичная черная дыра, вероятно, находится по меньшей мере на том же расстоянии, что и Плутон.

Последняя стадия испарения черной дыры происходит так быстро, что заканчивается страшным взрывом. Какова мощность этого взрыва, зависит от того, из какого количества элементарных частиц состоит мир. Если, согласно широко распространенному сейчас мнению, все частицы состоят из шести разновидностей кварков, в последнем взрыве выделится энергия, равная энергии почти десяти миллионов водородных бомб мощностью в одну мегатонну каждая. С другой стороны, альтернативная теория, выдвинутая Р. Хейдждорном из CERN, Европейского центра ядерных исследований в Женеве, утверждает, что существует бесконечное множество элементарных частиц все большей массы[20]. По мере того как черная дыра делается все меньше и горячее, она испускает все больше и больше разнообразных частиц, и, возможно, взрыв окажется в 100 000 раз мощнее, чем рассчитанный на основе кварковой гипотезы. Поэтому наблюдение взрыва черной дыры дало бы нам очень ценную информацию о физике элементарных частиц – информацию, которую не получить никаким иным способом.

Взрыв черной дыры произведет мощный выброс высокоэнергетического гамма-излучения. Хотя его можно заметить детекторами гамма-лучей на спутниках или воздушных шарах, было бы непросто запустить детектор достаточного размера, чтобы получить существенный шанс уловить значительное число гамма-фотонов от одного взрыва. Возможно, когда-нибудь при помощи космического челнока удастся построить большой детектор гамма-лучей на орбите, но более легкой и дешевой альтернативой было бы использовать в качестве детектора верхние слои земной атмосферы. Высокоэнергетические гамма-лучи, входя в атмосферу, произведут ливень электрон-позитронных пар, которые вначале будут проходить через атмосферу со скоростью выше скорости света (свет замедляется взаимодействием между молекулами). Таким образом, электроны и позитроны породят нечто вроде ударной волны в электромагнитном поле, наподобие той, что возникает при движении в воздухе со сверхзвуковой скоростью. Такую ударную волну, называемую черенковским излучением, можно обнаружить с земли как вспышку видимого света.

Предварительные эксперименты Нейла А. Портера и Тревора К. Уикса из дублинского Юниверсити-колледжа показали, что, если черные дыры взрываются так, как предсказывает теория Хейдждорна, за век в нашей области Галактики случается менее двух взрывов черной дыры на кубический световой год. Из этого следует, что плотность первичных черных дыр меньше, чем 100 миллионов дыр на кубический световой год. Наверное, существует возможность значительно увеличить чувствительность таких наблюдений, и даже если они не дадут никакого положительного свидетельства о первобытных черных дырах, то все равно будут представлять собой большую ценность. Если наблюдения установят низкий верхний предел плотности таких черных дыр во Вселенной, они покажут, что ранняя Вселенная должна была быть очень ровной и не турбулентной.

Большой Взрыв схож со взрывом черной дыры, но в гораздо большем масштабе. Поэтому можно надеяться, что, поняв, как черные дыры порождают частицы, мы придем к аналогичному пониманию, как Большой Взрыв породил всё во Вселенной. В черной дыре материя сжимается и пропадает навек, но на ее месте возникает новая материя. Поэтому, может быть, существовала какая-то более ранняя фаза Вселенной, когда материя сжималась, чтобы опять возникнуть после Большого Взрыва.

Если материя, сжавшаяся в черную дыру, имела какое-то сальдо электрического заряда, получившаяся черная дыра будет иметь такой же заряд. Это означает, что черная дыра имеет тенденцию притягивать члены пар виртуальных частиц-античастиц с противоположным зарядом и отталкивать члены с таким же зарядом. Следовательно, черная дыра будет испускать преимущественно частицы с зарядом того же знака, что имеет сама, и быстро разрядится. Аналогично, если сжимающаяся материя имеет сальдо момента импульса, черная дыра будет вращаться и преимущественно испускать частицы, отбирающие ее момент импульса. Причина, почему черные дыры «запоминают» электрический заряд, момент импульса и массу сжимающейся материи, которая «забывает» все остальное, заключается в том, что эти три величины сочетаются с полями, действующими на большом расстоянии: в случае заряда – с электромагнитным полем, а в случае момента импульса и массы – с гравитационным.

Эксперименты Роберта Х. Дика из Принстонского университета и Владимира Брагинского из Московского государственного университета показали, что не существует дальнодействующих полей, которые соответствовали бы квантовому свойству, называемому барионным числом (барионы – это класс частиц, включающий в себя протоны и нейтроны). Следовательно, черная дыра, получившаяся в результате сжатия множества барионов, забудет свое барионное число и будет излучать равное количество барионов и антибарионов. Поэтому, когда черная дыра исчезнет, она нарушит один из самых нежно любимых законов физики частиц – закон сохранения барионов.

Хотя гипотеза Бекенштейна о конечной энтропии черных дыр для своей стройности требует, чтобы черные дыры излучали тепло, тем не менее, на первый взгляд, кажется истинным чудом, что тщательные расчеты квантовой механики, касающиеся возникновения частиц, говорят о появлении излучения с тепловым спектром. Объясняется это тем, что испущенные частицы туннелировали из черной дыры, о которой внешний наблюдатель не знает ничего, кроме ее массы, момента импульса и электрического заряда. Это означает, что все сочетания или конфигурации выпущенных частиц, имеющих одну и ту же энергию, момент импульса и электрический заряд, одинаково вероятны. В самом деле, возможно, что черная дыра испустит телевизор или десятитомник Пруста в кожаном переплете, но число конфигураций частиц, соответствующее таким экзотическим возможностям, бесконечно мало. Гораздо большее число конфигураций соответствует излучению со спектром, близким к тепловому.

Излучение черных дыр добавило еще бо́льшую степень неопределенности, или непредсказуемости, к той, что и так ассоциировалась с квантовой механикой. В классической механике можно предсказать результаты измерения как скорости, так и положения частицы. В квантовой механике принцип неопределенности гласит, что можно предсказать результат лишь одного из измерений – либо скорости, либо положения, но не обоих. Таким образом, способность наблюдателя делать определенные предсказания, по сути, урезается наполовину. С черными дырами ситуация еще хуже. Поскольку частицы, излученные черной дырой, приходят из области, о которой наблюдатель имеет ограниченные знания, он не может с определенностью предсказать ни скорость, ни положение частиц, ни какую-либо их комбинацию. Все, что он может предсказать, – это вероятность, с которой определенные частицы будут выпущены. И потому, кажется, Эйнштейн вдвойне ошибся, сказав: «Бог не играет в кости». Рассмотрев испускание частиц черной дырой, похоже, мы можем сказать, что Бог не только играет в кости, но порой еще и бросает их там, где никто не видит.

11. Черные дыры и молодые вселенные

[21]

Падение в черную дыру стало одним из ужасов научной фантастики. На самом деле о черных дырах сейчас можно сказать, что это научный факт, а не фантастика. Как я покажу ниже, есть достаточные основания утверждать, что черные дыры должны существовать, и наблюдения четко указывают на присутствие в нашей Галактике множества черных дыр, а в других галактиках их еще больше.

Конечно, описывать, что происходит, когда падаешь в черную дыру, – это поистине раздолье для фантастов. Обычно предполагают, что если черная дыра вращается, то можно провалиться через дырочку в пространстве-времени и оказаться в другой части Вселенной. Это дает большие возможности для путешествий в космосе. И в самом деле, если путешествия на другие звезды, не говоря уж о других галактиках, в будущем окажутся осуществимыми на практике, нам понадобится нечто подобное. В противном случае тот факт, что ничто не может двигаться быстрее света, растянет путешествие к ближайшей звезде по меньшей мере лет на восемь. Многовато, чтобы провести выходные на альфе Центавра! А вот если суметь нырнуть в черную дыру, то можно вынырнуть в любой точке Вселенной. Правда, не совсем ясно, каким образом выбрать место назначения: вы можете решить съездить на праздники в Вирго, а окажетесь в Крабовидной туманности.

Мне жаль разочаровывать галактических туристов, но этот сценарий не работает: если вы прыгнете в черную дыру, вас разорвет на части и расплющит так, что от вас ничего не останется. Однако в некотором смысле частицы, составляющие ваше тело, окажутся в другом мире. Не знаю, утешится ли превратившийся в спагетти в черной дыре сознанием того, что его частицы, возможно, уцелели.

Несмотря на мой легкомысленный тон, это эссе базируется на строгой науке. С тем, что я здесь говорю, в основном согласно большинство других ученых, работающих в данной области, хотя к этому согласию они пришли не так уж давно. Однако последняя часть данного эссе основывается на совсем недавней работе, по которой пока что нет общего согласия. Но она вызывает большой интерес и привлекает к себе внимание.

Хотя понятие, называемое ныне черной дырой, появилось более двухсот лет назад, само название «черная дыра» было введено лишь в 1967 году американским физиком Джоном Уилером. Здесь была определенная доля гениальности: такое название гарантировало, что черные дыры войдут в мифологию научной фантастики. Оно также стимулировало научные исследования, дав имя тому, что раньше не имело удовлетворявшего всех названия. Не надо недооценивать важность хорошего имени в науке.

Насколько мне известно, первым начал обсуждать черные дыры некто по имени Джон Мичелл из Кембриджа, который в 1783 году написал о них статью. Его идея была такова. Предположим, с поверхности Земли вы выстрелили ядром из пушки вертикально вверх. По мере подъема оно будет замедляться силой притяжения. В конце концов ядро остановится и начнет падать обратно. Однако если оно вылетит из пушки со скоростью больше некоторой критической величины, то никогда не остановится и не упадет, а продолжит свое движение вверх. Эта критическая скорость называется скоростью убегания, и для Земли она составляет 7 миль в секунду, а для Солнца – около 100 миль в секунду. Обе эти величины больше, чем скорость пушечного ядра, но гораздо меньше скорости света, равной 186 000 миль в секунду. Это означает, что гравитация не оказывает на свет существенного влияния и он может без труда оторваться и от Земли, и от Солнца. Однако Мичелл сделал умозаключение, что может существовать звезда, достаточно массивная и достаточно маленькая по размеру, чтобы ее скорость убегания оказалась больше скорости света. Мы не сможем увидеть такую звезду, потому что свет с ее поверхности до нас не дойдет, а будет притягиваться обратно гравитационным полем. Однако ее присутствие можно обнаружить по воздействию ее гравитационного поля на окружающую материю.

На самом деле свет не совсем корректно сравнивать с пушечным ядром. Согласно эксперименту, проведенному в 1897 году, свет всегда движется с постоянной скоростью. Тогда как же гравитация может его замедлить? Стройной теории, как гравитация влияет на свет, не было до 1915 года, когда Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности. И даже после этого выводы из его теории для старых звезд и других массивных тел не были сделаны до шестидесятых годов.

Согласно общей теории относительности, время и пространство вместе можно рассматривать как единое четырехмерное пространство, получившее название пространство-время. Это пространство не плоское, оно искажается, или искривляется, материей и заключенной в ней энергией. Мы наблюдаем это искривление по отклонению света и радиоволн, проходящих по пути к нам мимо Солнца. Когда свет проходит вблизи Солнца, отклонение очень мало. Однако если бы Солнце сжалось до размеров всего нескольких миль в поперечнике, отклонение было бы столь велико, что свет не смог бы улететь, а был бы притянут гравитационным полем. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, поэтому образуется область, откуда не может вырваться ничто. Такая область называется черной дырой, а ее границы – горизонтом событий. Его образует свет, едва не вырвавшийся из черной дыры, но оставшийся парить на краю.

Предположение, что Солнце может сжаться до диаметра в несколько миль, кажется смешным. Трудно допустить, что материя способна сжаться до такой степени. Но оказывается – способна.

Солнце имеет такие размеры, потому что оно горячее. Оно пережигает водород в гелий, как управляемая водородная бомба. Тепло, выделяемое в результате этого процесса, создает давление, позволяющее Солнцу противостоять собственной гравитации, которая стремится сжать его, сделать меньше.

Однако в конце концов у Солнца кончится ядерное топливо. Этого не случится еще примерно пять миллиардов лет, так что можно не спешить заказывать билет на другую звезду. Тем не менее звезды более массивные, чем Солнце, пережгут свой водород гораздо быстрее. Когда топливо у них кончится, они начнут остывать и сжиматься. Если их масса по крайней мере вдвое превышает массу Солнца, они в конце концов прекратят сжиматься, и состояние их стабилизируется. Одни звезды в таком состоянии называются белыми карликами. Белый карлик имеет радиус в несколько тысяч миль и плотность в сотни тонн на кубический дюйм. Другие звезды в таком состоянии называются нейтронными звездами. Они имеют радиус около 10 миль и плотность в миллион тонн на кубический дюйм.

Мы наблюдаем большое число белых карликов в нашей Галактике, в непосредственной близости от нас. Нейтронные же звезды не наблюдались до 1967 года, пока Джойселин Белл и Энтони Хьюиш из Кембриджа не открыли объекты, названные пульсарами, которые испускали радиоволны регулярными импульсами. Сначала исследователи подумали, уж не установили ли они контакт с иной цивилизацией, – я даже помню, что аудитория, где они объявили о своем открытии, была разукрашена фигурками «зеленых человечков». Однако под конец они сами и все остальные пришли к менее романтическому заключению, что эти объекты – вращающиеся нейтронные звезды. Такое заключение оказалось плохой новостью для создателей космических вестернов, но хорошей для нас, тех немногих ученых, кто верил тогда в черные дыры. Если звезды могут сжиматься до таких малых размеров, как 10 или 20 миль в поперечнике, и становиться нейтронными звездами, можно предположить, что другие смогли сжаться еще больше и превратиться в черные дыры.

Звезда с массой примерно вдвое больше массы Солнца становится белым карликом или нейтронной звездой. В некоторых случаях звезда может взорваться и выбросить достаточно материи, чтобы ее масса стала меньше предельной. Но это случается не всегда. Некоторые звезды станут очень маленькими, и их гравитационное поле так искривит свет, что он упадет обратно на звезду. И больше ни свет, ни что-либо другое не сможет вырваться оттуда. Такие звезды станут черными дырами.

Физические законы симметричны во времени. Поэтому если существуют объекты, называемые черными дырами, в которые все может падать, но ничто не может вырваться, должны быть и другие объекты, из которых все может вылететь, но ничто не может в них упасть. Можно назвать их белыми дырами. Можно также порассуждать о том, что если прыгнуть в черную дыру в одном месте, то выйдешь из белой дыры в другом. Это был бы идеальный метод для вышеупомянутых дальних космических путешествий. Все, что вам понадобится, – это отыскать поблизости черную дыру.

На первый взгляд такая форма космических путешествий кажется возможной. В общей теории относительности Эйнштейна существуют решения, согласно которым можно упасть в черную дыру и выйти из белой дыры. Однако более поздняя работа показала, что все эти решения очень нестабильны: малейшее возмущение, такое как присутствие космического корабля, уничтожит «отверстие» – проход, ведущий из черной дыры в белую. Космический корабль был бы разорван бесконечно большими силами. Это вроде того, как путешествовать по Ниагаре в бочке.

После этого надежды почти не осталось. Черные дыры можно было бы использовать разве что для избавления от мусора или даже от некоторых друзей. Они были «страной, откуда не возвращаются». Однако все, что я сказал до сих пор, основывалось на расчетах, использующих общую теорию относительности Эйнштейна. Эта теория прекрасно согласуется со всеми нашими наблюдениями. Но мы знаем, что она не может быть совершенно права, поскольку не охватывает принцип неопределенности квантовой механики. Принцип неопределенности гласит, что частицы не могут одновременно иметь и четко определенного положения, и четко определенной скорости. Чем точнее измеряешь положение частицы, тем менее точно измеряешь скорость, и наоборот.

В 1973 году я начал исследования, пытаясь выяснить, какое значение имеет принцип неопределенности для черных дыр. К моему, да и ко всеобщему великому удивлению, обнаружилось, что вследствие этого принципа черные дыры должны быть не совсем черными. Они постоянно выделяют излучение и частицы. Когда я доложил о своих результатах на конференции под Оксфордом, они вызвали общее недоверие. Председатель сказал, что это нонсенс, и написал об этом статью. Однако когда другие повторили мои расчеты, они обнаружили тот же самый эффект. Так что под конец даже председатель признал мою правоту.

Как может излучение вырваться из гравитационного поля черной дыры? Есть много путей понять это. И хотя они кажутся очень разными, на самом деле они эквивалентны. Один путь – осознать, что принцип неопределенности позволяет частицам на короткой дистанции двигаться быстрее света. Это, в свою очередь, позволяет им и излучению прорваться через горизонт событий и вырваться из черной дыры. Следовательно, из черной дыры что-то может исходить. Однако то, что выходит, будет сильно отличаться от того, что туда упало. Той же самой будет только энергия.

Поскольку черная дыра испускает частицы и излучение, она должна терять массу. От этого черная дыра должна становиться меньше и эмитировать частицы с большей частотой. В конце концов она дойдет до нулевой массы и совсем исчезнет. Что же тогда случится с объектами, упавшими в черную дыру, включая, возможно, и космические корабли? Согласно некоторым моим недавним работам, ответ таков: они перейдут в собственную новорожденную вселенную. Маленькая замкнутая вселенная возникает из нашей области Вселенной. Эта вселенная может снова присоединиться к нашей области пространства-времени, при этом она покажется нам другой черной дырой, которая появилась, а потом испарилась. Частицы, упавшие в одну черную дыру, покажутся частицами, выпущенными из другой, и наоборот.

Звучит так, будто именно это и требуется, чтобы позволить космические путешествия через черные дыры. Вы просто направляете свой космический корабль в подходящую черную дыру. Впрочем, лучше в дыру побольше, а то гравитационные силы разорвут вас на части, превратив в спагетти, прежде чем вы проникнете внутрь. Потом вам останется надеяться, что вы появитесь вновь из какой-то другой дыры, но где – выбирать не сможете.

Однако в такой схеме межгалактической транспортации есть загвоздка. Молодые вселенные, принимающие упавшие в дыру частицы, оказываются в так называемом мнимом времени. В реальном времени астронавта, упавшего в черную дыру, ждет неприятный конец. Его разорвет на части из-за разницы в гравитационных силах между головой и ногами. Не уцелеют даже частицы, составляющие его тело. Их истории в реальном времени закончатся в сингулярности. Но во мнимом времени продолжатся. Они войдут в новорожденную вселенную и снова появятся как частицы, выпущенные другой черной дырой. Так что, в некотором смысле, астронавт перенесется в другую область Вселенной. Однако появившиеся частицы будут мало напоминать астронавта. А тот факт, что частицы уцелели во мнимом времени, будет для него слабым утешением, потому что в реальном времени он войдет в сингулярность. Девизом падающих в черную дыру должно быть: «Мыслите мнимо!»

Чем определяется то место, где частицы появятся вновь? Число частиц в молодой вселенной будет равно числу частиц, упавших в черную дыру, плюс число частиц, выпущенных ею за время испарения. Это означает, что частицы, упавшие в черную дыру, выйдут из другой дыры, имеющей примерно ту же массу. Таким образом, можно попытаться выбрать, где частицы выйдут, создав черную дыру той же массы, как та, куда они зашли. Однако эта черная дыра может с таким же успехом выдать любой другой набор частиц с той же суммарной энергией. Даже если бы черная дыра выдала частицы нужного вида, нельзя было бы сказать, те ли это частицы, что вошли в другую дыру. У частиц нет удостоверения личности – все частицы данного вида выглядят одинаково.

Из всего этого следует, что прохождение через черную дыру вряд ли окажется популярным и надежным способом космических путешествий. Во-первых, вам придется попасть туда, перемещаясь во мнимом времени и не заботясь о том, что ваша история в реальном времени печально закончилась. Во-вторых, на самом деле вы не смогли бы выбрать место назначения. Это все равно как если бы вы сели в самолет, не зная, куда он направляется.

Возможно, молодые вселенные не будут использованы для космических путешествий, но они могут иметь большое значение в наших попытках построить завершенную единую теорию, которая опишет всё во Вселенной. Существующие ныне теории содержат много величин, таких как размер или электрический заряд частицы. Значения этих величин наши теории не могут предсказать, они должны выбираться на основании наблюдений. Большинство ученых, однако, верят, что под всем этим лежит единая теория, которая предскажет все значения.

Такая основополагающая теория может быть. Сильнейший кандидат в настоящий момент носит название неоднородной теории суперструн. Ее идея заключается в том, что пространство-время наполнено маленькими петлями, вроде кусочков струны. То, что нам представляется элементарными частицами, на самом деле является маленькими петельками, по-разному вибрирующими. Данная теория не содержит никаких величин, значения которых можно уточнить. Поэтому можно предположить, что эта единая теория сможет предсказать значения всех величин, вроде электрического заряда частиц, еще не определенных в наших нынешних теориях. И хотя ни одну из указанных величин нам пока не удалось вывести из теории суперструн, многие верят, что в конце концов мы сможем это сделать.