Квантовые миры Стивена Хокинга
Вслушиваясь в такой знакомый и в то же время чужой «электронный» тембр своей речи, многие годы заменяющий ему собственную речь, ученый и сам с интересом начинает воспринимать рассказ своего «Альтер эго». Суть его сводится к тому, что теоретики всего мира уже без малого столетье бьются над вопросом о том, как же представить окружающую Вселенную с единой точки зрения. Эта научная мечта, получившая название «Теория Всего», или Великое объединение, является своеобразным Граалем физики, который ученые наподобие рыцарей круглого стола короля Артура ищут не покладая рук. Граалить, по образному выражению Марка Твена из романа «Янки при дворе короля Артура», одним из первых начал еще сам Альберт Эйнштейн. Почти половину жизни он посвятил созданию «единой теории поля». Это удивительное творение самого гениального разума прошлого века так и не приобрело окончательной формы, еще при жизни великого физика породив множество слухов и домыслов.
Так, по одной забавной городской легенде, руководствуясь некими формулами Эйнштейна, выдающийся изобретатель Никола Тесла построил фантастический «генератор невидимости». Осенью 1943 года в филадельфийских доках начались эксперименты на эсминце «Элдридж», в ходе которых он то окутывался «зеленоватым коконом свернутых полей», то вообще «телепортировался в Норфолк». Все это дало обильный материал фантастам, конспирологам и уфологам, до сих пор пишущих про «тайну Филадельфийского эксперимента» и периодически обвиняющих правительство США в сокрытии важной информации от общественности.
Когда-то в погоню за неуловимыми формулами Великого объединения вслед за великим физиком пустился и аспирант Хокинг. С тех пор уже прошло без малого полстолетия, но он все еще упорно пытается понять, как же связать воедино все такие разные силы, управляющие судьбой Мироздания.
В этом месте лекции Хокингу вспоминается его друг и коллега, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг. Как в свое время они азартно обсуждали его книгу «Первые три минуты»! Тогда у него еще был голос, шевелились пальцы…
Покачивая крупной седовласой головой, профессор Вайнберг с молодым азартом доказывал, что когда-нибудь физики обязательно построят сверхмощный ускоритель элементарных частиц. На этом потомке Большого адронного коллайдера они смогут достоверно воспроизвести условия, царившие в первые доли мгновения после рождения Вселенной в невообразимой пучине Большого взрыва. В этот великий момент истории человечества станет ясно, что же представляет собой в истинном своем виде исходное «сверхсиловое взаимодействие».
Расположив перед креслом своего коллеги громадный планшет с перекидными листами и цветными фломастерами, сэр Вайнберг, удостоенный дворянского звания за выдающиеся научные достижения (как впоследствии и сам Хокинг), быстро покрывал листы строчками формул.
– Стив, пойми, – взгляд Вайнберга мечтательно устремился в сизую муть зимнего кембриджского тумана за окном. – Когда-нибудь наши шалопаи-студенты, ну, хорошо – пусть не наши, а их потомки, в ближайшие полвека сумеют создать теорию, объединяющую все, что нам известно об этом Мире.
– Отлично! – Хокинг с трудом оторвал взгляд от россыпи формул и с грустной улыбкой взглянул на друга. – Тебе обязательно надо написать об этом статью, нет – лучше обширный обзор, который так и назови: «Единая физика к 2050 году»! Я бы и сам с радостью поучаствовал в этом проекте, да вот никак не могу закончить новую модель моих испаряющихся черных дыр. Представляешь, вроде бы получается, что эти черные дыры должны просто шипеть и брызгать информацией, как жирный ростбиф на раскаленной сковородке пространства-времени! Но я обязательно когда-нибудь тоже напишу что-то существенное об эйнштейновской единой теории поля и назову это «Теория Всего».
…Незаметно проходит лекционное время, и жужжащая коляска направляется в кабинет Хокинга. Там его уже ждут самые любознательные студенты и коллеги, спешащие задать вопросы живому гению:
– Профессор Хокинг, а как вы видите будущее Мироздания?
– Здесь я придерживаюсь несколько необычного сценария «циклической Вселенной». В нем, если плотность Вселенной превысит некоторую критическую величину, гравитационное притяжение, в конце концов, остановит расширение и снова заставит Вселенную сжиматься. Произойдет Большое сжатие. Это будет подобно Большому взрыву «наоборот», с которого Вселенная началась. Затем все повторится снова и снова.
– Ну, а как сложится жизненный путь нашего светила?
– Еще через пять миллиардов лет у Солнца иссякнет ядерное топливо, оно раздуется, образуя так называемый красный гигант, и поглотит Землю с ближайшими планетами. Потом оно придет в состояние белого карлика диаметром в несколько тысяч миль. Так я предсказываю конец света, но он наступит еще не сейчас. Не думаю, что мое пророчество вызовет большую депрессию на фондовом рынке. На горизонте видны более насущные проблемы. Во всяком случае, к тому времени, когда Солнце раздуется, нам нужно освоить искусство межзвездных путешествий, если мы еще не уничтожим себя сами.
– Судьбу Солнца повторит и его звездное окружение?
– Примерно через миллиард лет большинство звезд во Вселенной сгорит. Звезды с массой вроде нашего Солнца станут или белыми карликами, или нейтронными звездами, которые еще меньше и плотнее. Более массивные звезды превратятся в черные дыры, которые имеют такое сильное гравитационное поле, что даже свет не может его преодолеть. Однако эти остатки будут по-прежнему вращаться вокруг центра Галактики с периодом около ста миллионов лет. Столкновения между остатками вытолкнут некоторые из них прочь из Галактики. Остальные установятся на более близких к центру орбитах и в конце концов соберутся вместе, образовав в центре Галактики гигантскую черную дыру. Чем бы ни была темная материя в галактиках и их скоплениях, она тоже, видимо, упадет в эти большие черные дыры.
– Ни вечное расширение, ни сжатие через сто миллиардов лет не являются такой уж интересной перспективой. Нет ли чего-нибудь такого, что сделало бы будущее более привлекательным?
– Одним из несомненно интересных путей была бы возможность попасть в черную дыру. Это должна быть довольно большая черная дыра, по массе более чем в миллион раз превышающая Солнце. Но есть шанс, что в центре Галактики есть дыра таких размеров. Если бы путешествие через черные дыры было возможно, то, похоже, ничто не помешало бы вам вернуться назад еще до того, как вы оттуда отбыли. Тогда вы сможете совершить что-нибудь, что помешает вам родиться, и Мир будет выглядеть несколько иначе.
– Как же избежать запутанных петель времени?
– Возможно, к счастью для нашего выживания, физические законы не позволяют таких путешествий во времени. Похоже, существует какое-то агентство защиты хронологии, не пускающее путешественников в прошлое и тем самым делающее мир безопасным для историков. Вот что может произойти, если кто-то проникнет в прошлое: под действием принципа неопределенности это произведет большое количество излучения; полученное излучение или так искривит пространство-время, что будет невозможно вернуться во времени, или пространство-время закончится в сингулярности наподобие Большого взрыва или Большого сжатия. В любом случае наше прошлое будет защищено от злоумышленников. Гипотеза о защите хронологии поддерживается некоторыми недавними расчетами, проделанными мною и другими людьми. Но лучшим свидетельством того, что путешествия во времени невозможны и никогда не будут возможны, является тот факт, что к нам не вторгаются орды туристов из будущего.
– А что нужно сделать для выживания человечества в условиях атомной угрозы?
– 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 и путем снижения его количества мы можем уменьшить угрозу вой ны. 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.
…Наконец кабинет опустел и, отключившись от повседневных дел, Хокинг снова погружается в лавину мыслей, родившихся от воспоминаний той давней беседы с Вайнбергом. Неожиданно приходит решение одной давней задачи – и по экрану встроенного монитора бегут строчки букв и формул. Разум «кембриджского киборга» продолжает мыслить и творить…
Глава 2. Происхождение и судьба нашего мира
Если мы все-таки создадим полную теорию, со временем ее основные принципы должны стать понятны каждому, а не только нескольким ученым. Тогда мы все – философы, ученые и обычные люди – сможем обсуждать вопрос, почему существуем мы сами и наша Вселенная. Если мы найдем ответ, это будет окончательным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам откроется божественный замысел.
С. Хокинг, Л. Млодинов.Кратчайшая история времениЭкспромтом беседовать со Стивеном Хокингом затруднительно, но, тем не менее, живое общение вполне возможно в виде коротких фраз, произносимых синтезатором, разделенных паузами на составление ответов. Сообщения, доклады и даже диалоги по определенной тематике профессор Хокинг обычно готовит заранее с помощью своей дочери Люси, исполняющей обязанности секретаря-референта. Особые программы компьютера позволяют превращать легкие сокращения лицевой мышцы в набор управляющих посылок: развернуть кресло, двигаться в определенном направлении, открыть дверь. Впрочем, Люси Хокинг полушутя утверждает, что понимает мысли своего отца без всякого компьютера…
Скользя взглядом по маленькой, застывшей в инвалидном кресле фигуре с остановившимся взглядом за стеклами очков, кажущихся громадными на неподвижном высохшем лице, с бессильно лежащими на коленях руками, трудно даже представить, что в этом человеке бурлит страсть исследователя самых интригующих загадок Вселенной. Его интеллект, оптимизм и чувство юмора начинаешь ценить с первых же строчек, бегущих по экрану, и последующих фраз с забавным «металлическим» акцентом.
Как-то раз профессор Хокинг получил очередное предложение от своего литературного агента, побывавшего на лекции «История нашего Мира», написать научно-популярную книгу под названием «Происхождение и судьба Вселенной». Он тут же придумал эффектное вступление, рассказывающее о древней античной философии. В нем Хокинг попытался воссоздать умозрительные теории первых ученых в истории человечества – натурфилософов-метафизиков. Их творчество во многом напоминало решение запутанных головоломок. Главное, что, следуя традициям того времени, запрещалось отстаивать свои теории с помощью немотивированных и сверхъестественных объяснений. Так появлялись удивительные по красоте и логической стройности сценарии возникновения единого Мироздания.
Считалось, что в своей основе Мироздание никак не могло родиться из «ничего», иначе это следовало бы принять как чудо. Следовательно, наша Вселенная должна была возникнуть только из какого-то другого мира. Между этими мирами должно было бы существовать какое-то общее начало, связывающее старый мир и возникающий из него новый. Это единое начало должно быть максимально универсальным и в то же время наипростейшим. Вот и получалось, что прав мудрец Фалес, и если вдуматься, то из окружающих элементов трудно подобрать более универсальную первооснову всего сущего, чем обычная вода.
Идею будущей книги Хокинг решил обсудить на одном из своих семинаров. Их история началась еще в те времена, когда на кафедре математики Тринити-колледжа появился с трудом передвигающийся молодой ассистент, вокруг которого сразу же возник кружок единомышленников, мечтающих узнать как можно больше о возникновении окружающего Мира. Наверное, именно тогда у ученого и родился план занятий, на которых в неформальной обстановке можно было бы обсуждать актуальные проблемы космологии.
Первый фрагмент из будущей книги Хокинг посвятил истории возникновения и крушения одного из самых загадочных в истории науки понятий – «пятого эфирного элемента». Обращаясь к любимой теме рождения современной науки в смутных проблесках античной метафизики, профессор Хокинг подробно объяснял, какое значение имел термин «эфир» в той же греческой мифологии, часто обозначая всего лишь «божественно чистый свежий воздух». Именно богам-олимпийцам, парящим в заоблачной выси, и предназначался «небесный эфир» для дыхания, подобно амброзии (цветочной пыльце с нектаром) для питания, в отличие от обыкновенного воздуха и пищи простых смертных. Древние греки ассоциировали эфир с одноименным божеством, сыном богини ночи Никс и ее брата – бога тьмы Эребуса.
Позднее Аристотель ввел эфир как пятый элемент – квинтэссенцию – в систему классических элементов: земли, воздуха, воды и огня, изобретенную Ионической философской школой. Он мотивировал свое нововведение тем, что четыре земных элемента находятся в непрерывном изменении и могут перемещаться по прямым линиям, тогда как небесные тела казались ему вечными и неизменными и двигались исключительно по округленным траекториям. Таким образом, эфир в представлении Аристотеля не имел обычных физических свойств и какой-либо внутренней структуры, не был подвержен изменениям и в своем движении вращался исключительно по идеальным окружностям.
Впоследствии эта таинственная гипотетическая субстанция послужила основой для теории распространения света, став «светоносным мировым эфиром». Невидимо пронизывая всю Вселенную, «мировой эфир» определял распространение электромагнитных волн. Он господствовал в физике более двух тысячелетий, вплоть до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою первую работу по теории относительности. Из теории Эйнштейна следовало, что эфир не является необходимой природной сущностью (что со всей определенностью подтвердили эксперименты Майкельсона – Морли, не выявившие каких-либо проявлений эфира при движении в нем Земли).
Таким образом, все теории, которые базировались на гипотетическом «пятом элементе», заняли свое место в паноптикуме науки рядом с теплородом и флогистоном. При этом они постепенно перекочевали со страниц серьезных научных изданий в труды непризнанных гениев-мистиков и разномастных эзотериков, где и деградировали окончательно.
Вот тут профессор Хокинг и поразил всех неожиданной ассоциацией, сопоставляя устаревший эфир и наисовременнейшую идею невидимой темной энергии. Эта всепроникающая субстанция наполняет Вселенную, «расталкивая» материю и заставляя ускоренно разлетаться скопления галактик. По словам Хокинга, еще древним грекам представлялось самоочевидным, что существует некая преимущественная скорость, которую приобретают все частицы, не подверженные действию внешних сил. Наличие этой преимущественной скорости приводит к концепции «абсолютного пространства». Лишь в конце XVI века Галилео Галилей показал ошибочность этих представлений. Идеи и наблюдения Галилея были систематизированы Исааком Ньютоном в законах механики. Кроме того, великий физик создал свой бессмертный труд «Оптика», где попытался связать воедино эффекты влияния гравитации и вещества на свет. Согласно Ньютону, изменение скорости света (ведь скорость света постоянна только в вакууме) объясняется соответствующими изменениями плотности мирового светоносного эфира. Ньютоновские частицы света отклоняются в сторону более высокой плотности или в сторону более сильно притягивающей массы.
Галилей и Ньютон сохранили концепцию «абсолютного времени». Оно могло измеряться хорошо отрегулированными часами, которые согласовывались в пределах возможностей тех часовых механизмов. Абсолютное значение времени можно было задать, отсчитывая его от сотворения мира, которое по оценке англиканского архиепископа Ашера произошло в 4004 году до н. э.
Профессор Хокинг с гордостью подчеркивал, что средневековое понятие эфира выкристаллизовалось именно в… Кембридже! Именно тогда местные философы-схоласты пришли к мнению, что небесный эфир необходимо дополнить еще и плотностью. В то же время они вполне разумно предположили, что плотность небесных тел, включая звезды, должна быть значительно больше плотности эфира. Причем парадокса вечного парения более плотных тел в практически невесомой среде, похоже, никто и не заметил, списав все вопиющие нелепости этой странной картины на божественные силы, понимание сути которых недоступно простым смертным.
Разноречивая информация о мировом эфире, дополненная мифами о его божественном происхождении, сделала эту ошибочную научную идею весьма привлекательной для околонаучных дилетантов. Наиболее упорные из них так и не смирились с полным отсутствием наблюдаемых данных, наделяя эфир богатой внутренней структурой. Так живучие эфирные представления породили множество причудливых теорий, объясняющих те или иные явления с помощью этой вечной всепроникающей среды.
В следующем фрагменте рукописи Хокинг рассказал о самых ранних попытках построить всеобщий образ окружающего Мира. В этой древней картине Вселенной все объяснялось предельно просто, поскольку ход событий и природных явлений направлялся духами. Эти духи населяли природные объекты, такие как реки и горы, а также небесные тела вроде Солнца и Луны. Они обладали человеческими эмоциями, действуя нелогично и непредсказуемо. Этих высших существ нужно было умиротворять и ублажать, чтобы день сменял ночь, нивы плодоносили, а за зимой наступали весна и лето. Текли столетия, и кто-то с критическими взглядами на окружающие вещи подметил существование определенных закономерностей: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, были принесены жертвы богу дневного светила или нет. Более того, Солнце, Луна и планеты двигались по небу строго определенными путями, которые удавалось довольно точно предсказать. Солнце и Луна все еще могли считаться богами, но эти боги повиновались строгим законам, очевидно, никогда не позволяя себе отступлений, если не принимать в расчет таких историй, как предание об Иисусе Навине, остановившем Солнце.
Когда речь заходила об этом воскресшем библейском пророке, влачащем странную полужизнь-полусмерть в подлунном мире, профессор Хокинг вспоминал знаменитый мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шрёдингером. Этому выдающемуся австрийскому теоретику чрезвычайно досаждала соседская кошка с ее невыносимыми мартовскими концертами.
Одна жды Шрёдингер размышлял о зыбкости основ Мироздания, непрерывно сотрясаемого волнами сверхмикроскопических квантовых флуктуаций. Его мысли постоянно отвлекали возмутительные кошачьи рулады под окном. Неожиданно у него родилась мысль о любопытном эксперименте, который впоследствии стал широко известен как «кошка Шрёдингера». Кошку помещают в наглухо закрытый ящик с детектором радиоактивного распада и молотком, закрепленным над колбой с летучим ядом. Если радиоактивный элемент распадается, то срабатывает пусковой механизм, и молоток разбивает колбу. Вероятность этого грустного события (для кошки) – ровно пятьдесят процентов.
Таким образом, когда экспериментатор открывает ящик, то у него равные шансы обнаружить живую или мертвую кошку. При этом по законам квантовой физики получается, что квантовое состояние кошки в закрытом ящике будет смесью состояния мертвой кошки с состоянием живой. Понять это с точки здравого смысла совершенно невозможно, хотя уже два тысячелетия церковники дурачат нам рассказами о воскресших (то есть де-факто мертвых, но де-юре живых) святых пророках.
Философы науки до сих пор путаются в объяснении подобных парадоксов. Кошка не может быть одновременно наполовину живой и наполовину мертвой от яда, как не может быть человек наполовину усопшим в могиле и наполовину воскресшим на небесах.
Сам Хокинг так объяснял смысл мысленного опыта с кошкой Шрёдингера: суть парадокса в том, что подчеркивается противоречивость объединения большого и сверхмалого. Трудности интерпретации возникают оттого, что экспериментатор подходит к «квантовой кошке» с мерками повседневной реальности, где любой живой организм – кошка или человек – имеет определенную и единственную предысторию. Но весь фокус в том, что в квантовой физике предлагаются совсем иные взгляды на реальность. Каждый микроскопический квантовый объект имеет не единственную предысторию, а целый их веер. В большинстве случаев вероятность какой-то одной предыстории отменяется вероятностью несколько иной, но в определенных случаях вероятности соседних предысторий только 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 кошка отравлена, а в другой – жива. В квантовой теории обе возможности могут существовать вместе. Но некоторые современные философы сбиваются с толку, поскольку косвенно предполагают, что кошка или некий Иешуа Назаретянин могут иметь только одну предысторию.
Спор между сторонниками и противниками абсолютной фундаментальности квантовой теории еще далеко не закончен и изредка разгорается с новой силой, вводя в круг обсуждаемых вопросов весьма необычные и даже фантастические предметы, такие как «квантовое сознание наблюдателя». Все это еще раз подчеркивает, насколько далеки от повседневной действительности современные концепции теоретической физики. Во всяком случае они, так или иначе, во многом противоречат обыденным представлениям об окружающем нас классическом мире. Исходя из этого многие ученые, особенно занимающиеся другими разделами физики, просто считают квантовую теорию очень удачным математическим образом, позволяющим успешно предсказывать исход тех или иных экспериментов в микрофизике.
Глава 3. Тайны застывших звезд
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. 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.
С. Хокинг.
Черные дыры и младенцы-вселенные
Когда говорят о творческом наследии Хокинга, первым делом упоминают о его гипотезе квантового испарения черных дыр.
Свой рассказ о бездонных провалах Вселенной Хокинг всегда начинал с истории становления Общей теории относительности (ОТО). Дело в том, что Давид Гильберт вывел уравнения гравитационного поля почти одновременно с Эйнштейном, который опередил его всего лишь на пару недель. Поэтому, хотя Гильберт исходил из идей Эйнштейна, главные уравнения общей теории относительности называют уравнениями Гильберта – Эйнштейна. Сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании ОТО. Уравнения Гильберта – Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Оказалось, что там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальные тела как бы прогибают пространство и катятся по образовавшимся впадинам, минуя выпуклости. И вот что замечательно: из уравнений следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий, и он разный в различных областях пространства. В перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать или резко ускоряться.
В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу о том, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно. Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.
Строение черной дыры
Можно сказать, что гравитационный коллапсар все поглощает и почти ничего не выпускает. Собственно говоря, в этом и состоит смысл термина «черная дыра».
Внутри черной дыры располагается нечто грандиозное и загадочное, называемое сингулярностью. Само по себе понятие сингулярность очень трудно сопоставить с реалиями нашей жизни. Слово singularis в переводе с латыни означает «единственный» или «особенный» (отсюда в музыке «сингл» – одна песня).