Миры Стивена Хокинга

Олег Фейгин
(«ХиЖ», 2018, №4)

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. Два этих гения наглядно показали, что, по крайней мере, некоторые части Вселенной ведут себя не произвольным образом, а подчиняются точным математическим законам.

Стивен Хокинг. Черные дыры и молодые вселенные



pic_2018_04_10.jpgНесколько лет назад я получил от одного издательства задание рассказать об одном из самых ярких и загадочных ученых современности — Стивене Хокинге. К сожалению, к тому времени тяжкая форма паралича практически полностью обездвижила профессора Хокинга, и он был вынужден резко ограничить свой круг общения. Фактически этот выдающийся британский физик-теоретик и космолог поддерживал связь с внешним миром через нескольких близких людей — студентов, аспирантов и постдоков.

Все это я узнал из электронной переписки и уже почти смирился с неудачей, когда пришло новое сообщение. Возможно, профессора заинтересовали мои исследования квантовой физики времени, а может быть, ему просто захотелось рассказать о своих идеях еще раз. Так или иначе, у нас завязалась неспешная переписка, и эти виртуальные встречи с выдающимся теоретиком легли в основу книги «Стивен Хокинг. Гений черных дыр» (М., «Эксмо», 2010).

Многое при этом осталось в стороне ожидать своего часа. Недавние сенсационные находки в глубинах космоса и на Земле заставили меня вернуться к своим заметкам. Хокинг не сомневался, что бозон Хиггса, знаменитая «частица Бога», будет открыта на Большом адронном коллайдере, и действительно, это случилось в ходе экспериментов 2012 года. Он считал, что в центре галактики есть семейство сверхгигантских дыр массой в миллионы или даже миллиарды солнечных масс; в старых же галактиках могут быть аномально большие дыры, съевшие вокруг себя всю материю. Эта точка зрения сейчас стала самой распространенной и подтверждается астрономами. Пока что самые тяжелые кандидаты в такие сверхмассивные черные дыры весят десять—двадцать миллиардов солнечных масс, то есть примерно как небольшая галактика. В центре Млечного Пути, в созвездии Стрельца, есть неактивная черная дыра массой в четыре с лишним миллиона солнечных масс. Сейчас ее наблюдают по косвенным признакам — влиянию на движение близких звезд и облаков газа, однако существуют свидетельства, что совсем недавно, 300—400 лет назад, она была активной, со светимостью в миллион раз больше, чем сейчас. Есть у астрономов подозрения, что неподалеку расположено еще несколько черных дыр меньшего размера.

К сожалению, наши виртуальные беседы со Стивеном Хокингом прервались навсегда…



Короткая юность


Мы живем, почти ничего не понимая в устройстве мира. Не задумываемся над тем, какой механизм порождает солнечный свет, который обеспечивает наше существование, не думаем о гравитации, которая удерживает нас на Земле, не давая ей сбросить нас в пространство.

Стивен Хокинг. Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр


Рассказывая о себе, Стивен Хокинг всегда с гордостью подчеркивал, что родился 8 января 1942 года, ровно через триста лет после смерти величайшего классика физической науки Галилео Галилея. При этом профессор скромно отмечал, что, хотя в тот же год на просторах Британской империи появилось на свет еще двести тысяч младенцев, лишь один из них заинтересовался астрономией. Но этот интерес был таким серьезным, что привел к созданию новой теории грандиозных космических провалов пространства-времени, которые называют черными дырами.

Стивен родился в Оксфорде, и этот факт связан с любопытными обстоятельствами. Дело в том, что между ВВС союзников и люфтваффе существовало глубоко засекреченное соглашение — не бомбить центры европейской науки: Оксфорд, Кембридж и Гейдельберг с Гёттингеном. Поэтому когда налеты на Лондон стали особенно яростными, родители Стивена перебрались под защиту академических стен.

Отец Стивена был родом из Йоркшира, обучался медицине в Оксфорде. Позже он изучал тропические болезни и в 1937 году уехал в Восточную Африку, а с началом Второй мировой войны вернулся в Англию. Мать родилась в Глазго, в семье врача, где была вторым ребенком из семи. Когда ей исполнилось двенадцать лет, семья в поисках лучшей доли перебралась на самый юг Англии, в Девоншир, но и там их жизнь оказалась нелегкой. Тем не менее ценой героических усилий дочь отправили в Оксфорд. По окончании Оксфорда она сменила несколько профессий, пока не встретила молодого доктора Хокинга, закупающего медицинские препараты для очередной африканской экспедиции.

О своей семье Хокинг писал:
«Моя сестра Мэри родилась через восемнадцать месяцев после меня. Все детские годы между нами были определенные трения, подпитываемые незначительной разницей в возрасте. Мэри стала врачом, чем порадовала отца. А младшая сестренка Филиппа родилась, когда мне было около пяти лет. Филиппа была очень впечатлительным и восприимчивым ребенком. Мой брат Эдвард появился много позже, когда мне было четырнадцать, поэтому он не вошел в мои детские воспоминания».

После окончания школы Стивен, несмотря на посредственную подготовку, смело отправился держать экзамены в Оксфорд. И, к собственному изумлению, осенью 1959 года был зачислен в студенты. А когда Стивену Хокингу исполнился 21 год, выяснилось, что он болен неизлечимой болезнью — боковым амиотрофическим склерозом. Врачи давали ему два — два с половиной года жизни.

Однако Хокинг опроверг эти прогнозы. Как он сам рассказывал, от уныния его спасла помолвка с девушкой по имени Джейн Уайльд. Он полюбил ее, любовь оказалась взаимной. Джейн вышла замуж за Стивена, зная о жестоком приговоре врачей. Так у него появился огромный стимул для борьбы.

На свою свадьбу молодой Хокинг пришел, тяжело опираясь на палку. Через два года, когда родился его сын, Стивен уже ходил на костылях. Неумолимая болезнь не отступала. Еще через три года, когда родилась дочь, он передвигался в инвалидной коляске.

До тридцати лет Хокинг еще мог самостоятельно передвигаться, подниматься по лестнице, есть, вставать. Однако затем болезнь подступила вплотную, и его тело полностью потеряло подвижность.



Первые шаги за научный горизонт


Если не считать того, что я заболел боковым амиотрофическим склерозом, то почти во всем остальном мне сопутствовала удача. Помощь и поддержка, которые мне оказывали моя жена Джейн и дети Роберт, Люси и Тимоти, обеспечили мне возможность вести довольно-таки нормальный образ жизни и добиться успехов в работе. Мне повезло и в том, что я выбрал теоретическую физику, ибо она вся вмещается в голове. Поэтому моя физическая немощь не стала серьезным минусом. Мои научные коллеги, все без исключения, оказывали мне всегда максимальное содействие.

Стивен Хокинг. Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр


Многообещающего выпускника одного из престижнейших университетов в то время привлекали две фундаментальные области теоретической физики. Прежде всего это была наука об обширнейшем предмете природы, Вселенной в целом — космология. «Для равновесия» Хокинг выбрал еще и теоретические исследования в области элементарных частиц, лежащих в масштабе бесконечно малого. При этом элементарные частицы казались вчерашнему студенту все же 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 ботаники — растения.

Однако в Оксфорде тогда никто не занимался космологией, а в Кембридже работал Фред Хойл — выдающийся астроном и автор будущих фантастических бестселлеров «Черное облако» и «Андромеда». Хокинг подал заявку, чтобы работать над диссертацией у самого Хойла. Заявку приняли, так как у Стивена был довольно высок суммарный балл выпускных оценок. Амбициозного ассистента сильно опечалило, что его руководителем стал не Хойл, а доктор Денис Сиама. Однако все устроилось наилучшим образом, ведь профессор Хойл проводил много времени в различных заграничных лекционных турне, конференциях, симпозиумах и конгрессах, в то время как блестящий педагог Доктор Сиама, впоследствии написавший широко известную книгу «Общие принципы теории относительности», всегда был на месте, подстегивая и понукая увлекающегося аспиранта.

В заявке нужно было назвать двух людей, которые могли бы дать отзыв о работах соискателя. Профессор Сиама предложил попросить отзыв у знаменитого астрофизика Германа Бонди. Он был профессором математики в Лондонском королевском колледже, специалистом по теории относительности, и приобрел известность благодаря своей научно-популярной книге «Относительность и здравый смысл». В научных же кругах астрономы яростно спорили с ним по поводу совершенно еретической теории стационарной вселенной, которую Бонди вместе с астрономами Томасом Голдом и Фредом Хойлом опубликовал в 1948 году. Идея их заключалась в том, что по мере разбегания галактик на освободившихся местах из нового, непрерывно рождающегося вещества образуются новые галактики. Таким образом, несмотря на расширение, во все моменты времени и во всех точках пространства Вселенная имеет в среднем одинаковую плотность и выглядит примерно одинаково. Дискуссии вокруг этой теории не утихали несколько десятилетий.

Когда Бонди пригласили читать лекции в Кембридж, Хокинг набрался смелости и обратился к маститому ученому. Бонди благожелательно отнесся к просьбе аспиранта, но впоследствии совершенно забыл о своем обещании. Поэтому когда к нему поступил официальный запрос, знаменитый ниспровергатель астрономических истин ответил, что никогда не слышал о странном аспиранте.

Готов был разразиться скандал, но профессор Сиама Сумел вовремя связаться с Хойлом, и тот по-дружески пожурил своего забывчивого коллегу. Бонди легко признал ошибку и написал такой благожелательный отзыв, что Хокинг тут же был зачислен научным сотрудником Кейс-колледжа.



Погружение в науку


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.

Стивен Хокинг. Черные дыры и молодые вселенные


Серым осенним утром к одному из старинных корпусов Кембриджа спешит странная процессия. Впереди катится, жужжа и попискивая, коляска, своей кибернетической начинкой напоминающая очередную модель марсианского исследовательского роллера, рядом вышагивают несколько юношей и девушек, заботливо прикрывающих ее зонтами, а сбоку спешит миловидная женщина в блестящем дождевике, наброшенном на белый халат, озабоченно поглядывая на числа и кривые, бегущие по жидкокристаллическому дисплею в подголовнике необычного экипажа. В самой коляске расслабленно расположился иссохший пожилой человек с острыми чертами лица, несколько смягченными застывшей улыбкой и необыкновенным взглядом больших серых глаз, прикрытых очками.

Каждый в Кембридже, от садовника до профессора, знает, что это спешит на свое рабочее место заведующий кафедрой прикладной математики и теоретической физики (той самой, которой когда-то заведовал Ньютон), доктор, профессор и академик Стивен Хокинг. Окруженный своими студентами и аспирантами, заботливо поддерживаемый личным врачом, «раскрепощенный дух в плененном теле», как назвала его однажды «Гардиан», легко въезжает по специально построенному пандусу в широко открытые резные двери физического корпуса.

Сегодня у профессора Хокинга лекция перед третьекурсниками, и он прекрасно знает, что вместе со студентами в переполненную аудиторию соберется много его друзей и коллег со всех факультетов. Как однажды написала «Санди таймс» – побывать на лекции у профессора Хокинга становится своеобразным знаком престижа. Медленно меркнет свет, со скрипом опускаются старые механические жалюзи, и за скрюченной фигуркой в кресле оживает полотнище экрана, наискось перечеркнутое изображением спиральной галактики. Тут же включается синтезатор звука, и характерный «синтетик-войс», подаренный Хокингу одним американским программистом, начинает рассказ о поиске некоей единой формулы, описывающей все сущее в окружающей реальности. Теоретики всего мира уже без малого столетие бьются над вопросом о том, как представить окружающую вселенную с единой точки зрения. Эта научная мечта, получившая название «Теория всего» или «Великое объединение» — святой Грааль физики. Одним из первых начал «граалить» (как называл эти возвышенные странствия герой романа Марка Твена «Янки при дворе короля Артура») еще сам Альберт Эйнштейн. Даже уходя в иной мир, он не забывал о главном труде своей жизни — «единой теории поля». По легенде, последними его словами было: «Ну теперь-то я узнаю, как все это устроено».

Когда-то в погоню за неуловимыми формулами великого объединения пустился и аспирант Хокинг: более сорока лет он упорно пытался понять, как же связать воедино все такие разные силы, управляющие судьбой мироздания.

В этом месте лекции Хокингу всегда вспоминается его друг и коллега, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг. Как азартно в свое время они обсуждали его книгу «Первые три минуты»! Тогда у него еще был голос и шевелились пальцы…

Кивая 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, имевшие место в первые доли мгновения после рождения Вселенной в невообразимой пучине Большого взрыва. В этот великий момент станет ясно, что же представляет собой в истинном своем виде исходное «сверхсиловое взаимодействие».

Расположив перед креслом своего неподвижного коллеги громадный планшет с перекидными листами и цветными фломастерами, Вайнберг быстро покрывал листы строчками формул.

— Стив, пойми, — взгляд Вайнберга мечтательно устремился в сизую муть осеннего кембриджского тумана за окном, — когда-нибудь наши шалопаи-студенты, ну, хорошо — пусть не наши, а их потомки, — с усмешкой добавил он, заметив протестующее движение глаз своего коллеги, — 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, так его 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».



Великая тайна космологической сингулярности


Сам Эйнштейн не смог принять квантовую механику из-за связанного с ней элемента случайности и неопределенности. Он сказал: «Бог не играет в кости». Похоже, что Эйнштейн ошибся дважды. Квантовый эффект черной дыры позволяет предположить, что Бог не только играет в кости, но и иногда бросает их туда, где их нельзя увидеть.

Стивен Хокинг


Теоретики считают, что история нашего мира началась с крайне загадочной точки пространства-времени под названием «космологическая сингулярность». Эта точка соответствует воображаемому начальному моменту расширения наблюдаемой Вселенной — Метагалактики. В ней начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятной плотностью энергии, стремящейся к бесконечности. Естественно, бесконечность — понятие математическое, и в нашем случае оно просто ограничивает схемы развития Вселенной, которые ученые называют «космологическими сценариями». Что происходит в области космологической сингулярности (да и существует ли она в реальности), не знает никто, но логично предположить, что там становятся неприменимыми многие законы привычного для нас мира, описываемые теорией относительности и квантовой физикой.

Что же может таиться в космологической сингулярности и как ее исследовать?

Для ответа на этот вопрос предлагалось немало самых удивительных гипотез рождения мироздания. Трудно даже перечислить всех физиков, астрономов и космологов, предложивших здесь свои оригинальные идеи. Больше всего их было сформулировано в работах выдающихся физиков прошлого и нынешнего столетия — Джона Уиллера, Я.Б.Зельдовича, А.Д.Сахарова, И.Д.Новикова, А.Д.Линде, А.В.Виленкина. Из них наиболее оригинален подход знаменитых британских теоретиков Стивена Хокинга и Роджера Пенроуза. Фактически они стремятся исключить космологическую сингулярность, считая, что в нулевой момент времени происходит некий «фазовый» переход пространства-времени и предыдущая Вселенная превращается в наш мир.

В «обычной» сингулярности, черной дыре, образовавшейся из звезды, могут происходить всевозможные неизвестные науке процессы, которые никак не влияют на внешний мир. Но все это справедливо лишь для «закрытых» сингулярностей. Космологическая сингулярность открыта по своей сути, и может даже оказаться, что мы живем внутри своего рода черной дыры.

Принципиальную невозможность разглядеть внутренности черной дыры Роджер Пенроуз окрестил в конце шестидесятых годов XX века «космической цензурой». Против «космических цензоров» решительно выступает группа ученых, возглавляемая индийским космологом Панкаджем Джоши. Он считает, что достаточно массивная звезда может, безудержно проваливаясь «внутрь самой себя» под действием силы тяжести, породить самую настоящую голую сингулярность.

Присмотримся повнимательнее к черной дыре звездной массы. Скорее всего, как и исходная звезда, она будет вращаться вокруг своей оси, и тогда снаружи от горизонта событий возникнет внешняя оболочка — эргосфера: область пространства-времени, которая вращается вместе с дырой. Судьба частицы, попавшей в эргософеру, не предопределена — она может упасть в дыру, вылететь за пределы ее действия, а может и перейти на вращение по стационарной орбите. Более того, пролетающие сквозь эргосферу частицы могут уносить ее энергию вращения. По мнению Хокинга, многократные слияния черных дыр так искажают эргосферу, что в ней появляются окна голых сингулярностей, через которые идет неимоверно мощный поток излучения — дыра избавляется от накопившейся ней материи. Квазары — самые яркие объекты вселенной — Хокинг и считал примерами таких огромных черных дыр с окнами голых сингулярностей. Поток излучения изнутри дыры несет информацию о том, что происходит внутри нее. Значит, есть принципиальная возможность детально исследовать ее структуру.

Существование голых сингулярностей оказывает большое влияние на современную физику. Дело в том, объяснял профессор Хокинг, что у них нет сдерживающего барьера, называемого «горизонтом событий». Тогда загадочные процессы, происходящие вблизи этих бездонных (в буквальном смысле) «провалов пространства-времени», могли бы вторгнуться во внешний мир, неузнаваемо изменив Вселенную.

Таким образом, решив загадку природы сингулярного состояния материи, наука будущего не только выяснит, как произошло нечто, подтолкнувшее досингулярную материю к рождению нашего мира, но и откроет новые перспективы в познании черных дыр. Именно здесь, считал Хокинг, кроется тайна сверхмассивных «монстров вселенной» в миллиарды солнечных масс.

Это было последнее, над чем трудился выдающийся теоретик. Выдающийся ученый и очень мужественный человек ранним утром 14 марта 2018 года навсегда покинул нашу планету, затерявшись в бесконечных измерениях так любимого им мультиверса.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 4/2018) на с. 10 — 13.

Разные разности

16.08.2018 10:00:00

В этом году Европейское физическое общество (EPS) совместно с РАН учредило свою высшую награду и назвало её в честь выпускника и профессора Физтеха Владилена Летохова (EPS Vladilen Letokhov award). Премия будет присваиваться учёным за исключительные достижения в области взаимодействия лазерного излучения с веществом.

>>
13.08.2018 14:00:00

Студент физического факультета и сотрудники Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ имени М.В. Ломоносова открыли сверхмассивную черную дыру в центре галактики Fornax UCD3, которая относится к редкому классу ультракомпактных карликов.

>>
06.08.2018 10:00:00

...всемирно известная горилла Коко, владевшая языком жестов ASL, скончалась во сне в возрасте 46 лет...

...скоро будут созданы абсолютно прозрачные солнечные батареи, использующие энергию ультрафиолетового и инфракрасного света, но пропускающие видимый свет во всем диапазоне; их можно будет вставлять в окна вместо стекол...

...робот наливал пиво, а искусственный интеллект оценивал эмоции людей, чтобы определить, не проводя опросы, какая пенная шапка будет наиболее привлекательной...


>>
30.07.2018 10:00:00

Группа китайских исследователей выяснила, какой уровень риска общество считает приемлемым для роботов-автомобилей.

>>
27.07.2018 10:00:00

В конце лета, после того как собран урожай, освободившиеся грядки засевают так называемыми сидератами. Считается, что они улучшают структуру почвы, защищают от сорняков и вообще служат зелеными удобрениями. Это утверждение проверили американские почвоведы из Висконсинского университета. А изучали они поле, где сидератом служила редиска.

>>