Стивен Хокинг. О дружбе и физике - Леонард Млодинов

Как впоследствии доказал Пенроуз, именно второй вариант следует из решения уравнений Эйнштейна. В 1969 году физик Джон Уилер назовет погасшие звезды такого рода – с бесконечной плотностью в центре – черными дырами, но в 1965 году такие объекты еще не вызывали интереса, и поэтому они еще не удостоились специального наименования.

Точку, в которой физические величины становятся бесконечными, физики называют сингулярностью. Физики недолюбливают сингулярности, потому что мы сторонимся бесконечностей. Мы не любим бесконечности: хотя они иногда появляются в математических уравнениях, в повседневной жизни с ними не сталкиваешься. Все, что мы измеряем, имеет начало и конец; поэтому всякая теория, предсказывающая сингулярность, вызывает большие сомнения.

Для того чтобы выйти из тупика, физики попытались объявить сингулярность явлением чисто абстрактным. Было рассмотрено несколько способов обойти эту трудность. Во-первых, было объявлено, что теория Эйнштейна не является квантовой и поэтому в некоторой точке во время коллапса звезды – когда она становится совсем крошечной – эта теория не может применяться без некоторых (пока еще не придуманных) модификаций. Удастся ли с их помощью избежать сингулярности? Мы не знаем. Другой способ. Некоторые говорят так: поскольку мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, сингулярность навсегда спрятана от нас – наблюдать ее невозможно – и поэтому она не имеет значения. Звучит разумно, но не все так просто. Черные дыры могут вращаться, и некоторые довольно изощренные вычисления показывают, что это вращение поможет обнаружить сингулярность. Пока вопрос об этом остается открытым.

Однако знаменитая глава, которую Стивен включил в свою диссертацию, касалась других вопросов. Работа Пенроуза вдохновила многих теоретиков на размышления о черных дырах, а Стивен, как обычно, пошел своим путем. Он заметил, что коллапс звезды под действием силы гравитации напоминает Большой взрыв, только происходящий в обратном порядке. Что, если Вселенная представляет собой гигантскую черную дыру, которая, если запустить время вспять, сколлапсирует подобно звезде Пенроуза? Можно ли воспользоваться математическими методами Пенроуза, чтобы постичь то, что ускользнуло даже от Эйнштейна? Сможет ли Стивен доказать, что уравнения Эйнштейна доказывают необходимость Большого взрыва, а вовсе не той версии с повторными циклами расширения и сжатия?

Подобно Галилею, который взял примитивную подзорную трубу, усовершенствовал оптическую систему и направил ее на небо, Стивен воспользовался математическим аппаратом Пенроуза и применил его к изучению космоса. В четвертой главе своей диссертации – и в последующей работе, проделанной совместно с самим Пенроузом, – Стивен вскоре превзошел своего научного руководителя Денниса Сиаму и даже Фреда Хойла, которого когда-то Стивен очень хотел иметь своим научным руководителем: он показал, что сингулярность и Большой взрыв являются неизбежными следствиями общей теории относительности. Не было циклов расширения и сжатия, а было начало, и в этот момент – хотя физики этого и не любят – Вселенная была упакована в пространство нулевого объема. По крайней мере, эти выводы неминуемо следовали из уравнений Эйнштейна.

В то время как Стивен занимался своими теоретическими изысканиями, астрофизики-наблюдатели начали искать экспериментальные подтверждения Большого взрыва. Из ядерной физики следует, что в первые минуты после этого события существовали такие экстремальные значения температуры и давления, которые заставляли ядра водорода (протоны) сливаться в ядра гелия. Детальные расчеты показали, что во Вселенной на каждые десять атомов водорода должен приходиться один атом гелия. Астрономические наблюдения подтвердили, что это так и есть. Теория Большого взрыва предсказывала и то, что от этого события до наших дней должно было остаться некоторое излучение – в виде космического микроволнового фона. И это излучение также было найдено – за два года до защиты Стивеном его диссертации. Но математическое доказательство того, что Большой взрыв с необходимостью следует из уравнений Эйнштейна, привел именно Стивен в своем первом большом «набеге» на мир физики.

Со времени моего «плоскодонного» визита прошло несколько месяцев. И вот я снова в Кембридже. Мы работаем уже несколько дней, но дело продвигается медленно. В тот день, о котором я хочу рассказать, Стивен прислал мне утром необычное письмо по электронной почте. Признаюсь, оно слегка сбило меня с толку, и я спешил обсудить со Стивеном рекомендации, которые он мне прислал. До сих пор нам удавалось достичь согласия по поводу содержания нашей книги, но письмо Стивена предполагало резкую смену курса в довольно важной теме.

Я поднялся по лестнице на этаж, где располагался кабинет Стивена. Дверь была закрыта. Теперь смысл запертой двери был для меня ясен, и я решил подождать в холле. От нечего делать стал разглядывать зеленую грифельную доску на стене слева от двери в кабинет Стивена. Доска, на которой писали мелом, выглядела анахронизмом, ей противоречил весь остальной современный антураж здания: черная дверь в кабинет Стивена; металлическая дверная ручка в виде рычага; фиолетовая стена и ярко-желтая доска объявлений с уведомлениями о предстоящих конференциях. Но эта грифельная доска, с которой сыпался мел, в век чистых электронных демонстрационных досок была явным пережитком прошлого. На доске – графики, нацарапанные студентами, – пространственно-временные диаграммы, которые для наглядности рисуют физики, занимающиеся общей теорией относительности. Выглядели они весьма архаично и напоминали диаграмму, которую придумал в 1907 году Герман Минковский – профессор, у которого в свое время учился Эйнштейн.

Я задумался о Минковском. Примерно сто лет назад в Цюрихе к нему пришла грандиозная идея, и он запечатлел ее на своей грифельной доске. Идея, родившаяся как вдохновение после создания Эйнштейном специальной теории относительности, заключалась в том, чтобы включить время на равных основаниях с тремя направлениями пространства в математические уравнения. Эйнштейн совершил судьбоносный прорыв в науке, но именно Минковский придал смысл понятию пространства-времени, которым мы пользуемся по сей день.

Мы любим рассказывать о грандиозных идеях. Но часто они знаменуют собой не конец, а начало процесса – по крайней мере, так обстоит дело в физике. Когда у физика появляется идея, любая идея, ему предстоит понять, какие следствия она за собой повлечет. Необходимо также разработать математические детали, которые привяжут ее к остальной совокупности знаний и сделают по-настоящему продуктивной. Когда у времени появился статус четвертой координаты, потребовалось определить понятие «расстояния» в новой субстанции «пространство-время». Все мы понимаем, как измерять расстояние между двумя местами в пространстве, но что такое расстояние между точками A и B, если обе эти точки лежат и в пространстве, и во времени[5]? Мы здесь не будем рассматривать, как Минковский решил эту проблему с математической точки зрения. Нам важно знать, что ему в принципе удалось найти ответ. Его новая концепция расстояния сыграла важнейшую роль в том, что идея пространства-времени прижилась в физике. По существу, она легла в основу создания Эйнштейном его общей теории относительности.