Квантовые миры Стивена Хокинга

© Фейгин О. О., текст, 2019

© ООО «Страта», 2019

За исключением детей… мало кто ломает голову над тем, почему природа такова, какова она есть, откуда появился космос и не существовал ли он всегда? Не может ли время однажды повернуть вспять, так, что следствие будет предшествовать причине? Есть ли непреодолимый предел человеческого познания? Бывают даже такие дети (я их встречал), которым хочется знать, как выглядит черная дыра, какова самая маленькая частичка вещества? Почему мы помним прошлое и не помним будущее? Если раньше и правда был хаос, то как получилось, что теперь установился видимый порядок? и почему Вселенная вообще существует?

С. Хокинг.

Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр

От автора

Несколько лет назад я получил редакционное задание рассказать об одном из самых ярких, необычных и загадочных ученых современности – Стивене Уильяме Хокинге. К сожалению, к тому времени тяжелая форма хронического заболевания центральной нервной системы – бокового амиотрофического склероза – практически полностью сковала тело профессора, и он был вынужден резко ограничить свой круг общения. Фактически этот выдающийся британский физик-теоретик, космолог и астрофизик поддерживал связь с внешним миром только через узкий круг знакомых.

Все это я узнал из электронной переписки со студентами-волонтерами и уже смирился с неудачей, когда пришло новое сообщение. Возможно, британского ученого заинтересовали мои исследования квантовой физики времени, а может быть, ему просто захотелось еще раз рассказать о своих идеях новой аудитории энтузиастов научной популяризации. Та к или иначе, но у нас завязалась неспешная переписка, и эти виртуальные встречи с блестящим теоретиком легли в основу книги «Стивен Хокинг. Гений черных дыр».

Затем последовали открытия хиггсона – «частицы бога» – на Большом адронном коллайдере, круговорота гигантских черных дыр в центре Млечного пути и волн гравитации. Все это было когда-то предсказано профессором Хокингом. Так родились книги «Теория Всего», «Параллельные вселенные», «Взрыв Мироздания», «Механика машины времени» и «Квантовые чудеса». К сожалению, вскоре наши виртуальные беседы прервались…

В научной среде профессор Хокинг был большим авторитетом по гравитационным коллапсарам – черным дырам, кроме того он внес много нового в квантовую космологию и теорию квантового времени. Хокинг не только проводил научные исследования и читал лекции, но и вел активную просветительскую и общественную деятельность. Как в свое время Карл Саган, а ныне Мичио Каку, Хокинг активно выступал против ядерного оружия и других вызовов современности. Были у Хокинга и оригинальные эсхатологические прогнозы, не только предрекающие глобальные катастрофы, но и указывающие путь спасения человечества.

Широкая известность пришла к Хокингу в 1988 году, когда увидела свет его книга «Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр», которой было суждено стать одной из самых успешных научных популяризаций в истории. Известность Хокинга еще более возросла после участия в ряде передач на телеканалах Discovery, National Geographic и ВВС. Он вел ток-шоу, о нем снимали фильмы и сериалы вроде мегапроекта «Теория Большого взрыва», писали книги, он даже стал персонажем комиксов.

Тут надо заметить, что Хокинг всегда был убежденным атеистом и входил в «клуб научных скептиков». Он очень огорчался и категорически возражал, когда достижения современной физики бессовестно эксплуатировались самыми различными жуликами и шарлатанами. Хокинг всегда считал, что никаких паранормальных чудес в нашей реальности не существует.

Чудовищные заблуждения на этот счет он объяснял непрерывной пропагандой СМИ, потчующих нас всевозможными «явлениями» телепатии, телекинеза, ясновидения, НЛО, пришельцами из прошлого и будущего и пр. К сожалению (ибо ученые тоже любят научную фантастику), все подобные ложные сенсации связаны лишь с непорядочностью и нарушениями психики «очевидцев». Большую роль играет и недобросовестность репортеров, раздувающих мыльные пузыри подобных газетных уток. Ведь трудновообразимое количество самых тщательных физических экспериментов не обнаружило абсолютно никаких нарушений причинности событий в нашем Мире. При наблюдении грандиозных космических явлений эстафету у физиков перенимают астрономы и космологи, которые также полностью отрицают наличие каких-либо чудес в нашей Метагалактике…

Некогда великий Эйнштейн ушел из жизни со словами «Ну теперь-то я узнаю, как все это устроено…». К сожалению, мы никогда не прочтем последние мысли выдающегося теоретика нашего времени. Известно лишь, что Хокинг страстно мечтал слетать в космос туристом, найти радиосигналы инопланетян и отправить в звездную систему Альфа Центавра флотилию нанозондов. А еще он верил, где-то в параллельных вселенных существуют мириады его двойников, и у каждого из них своя судьба…

Введение

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, всегда оказывали мне максимальное содействие.

С. Хокинг.

Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр

Рассказывая о себе, Стивен Хокинг всегда с гордостью упоминал, что ему выпала честь родиться 8 января 1942 года, ровно через триста лет после смерти величайшего классика физической науки Галилео Галилея (1564–1642).

При этом ученый скромно подчеркивал, что, хотя в тот же год на просторах Британской империи появилось еще двести тысяч младенцев, лишь один из них глубоко заинтересовался астрономией. Причем его интерес был столь серьезным, что ему даже удалось создать новую теорию «всепожирающих космических монстров», которых называют черными дырами.

Место появления на свет младенца Стивена – Оксфорд. Оно связано с довольно любопытными обстоятельствами. Дело в том, что между военно-воздушными силами Союзников и Германии в глубоком секрете существовало негласное соглашение – не бомбить центры европейской науки: Оксфорд, Кембридж и Гейдельберг с Гёттингеном. Поэтому, когда налеты Люфтваффе на Лондон стали особенно яростными, родители Стивена перебрались под защиту академических стен.

Отец Стивена был родом из Йоркшира, а обучался медицине в Оксфорде. Позже он занялся исследованиями в области тропических болезней и в 1937 году уехал в Восточную Африку. С началом Второй мировой войны вернулся в Англию.

Мать Стивена родилась в Глазго, в семье врача, где была вторым ребенком из семерых. Когда ей было двенадцать лет, ее семья в поисках лучшей доли перебралась на самый юг Англии, в Девоншир, но и там их жизнь была довольно далека от процветания. Тем не менее они ценой героических усилий смогли послать дочь в Оксфорд.

По окончании Оксфорда мать Стивена сменила несколько профессий, пока не встретила молодого доктора Хокинга, закупающего медицинские препараты для очередной африканской экспедиции.

В пятидесятых годах отец Стивена поступил на работу в заново построенный Национальный институт медицинских исследований на северной окраине Лондона. Для удобства сообщения родители Стивена приобрели недорогой старинный дом викторианской эпохи в городке Сент-Олбанс, в двадцати милях от самого Лондона.

После окончания школы Стивен, несмотря на посредственную подготовку, смело отправился держать экзамены в Оксфорд. И к своему изумлению осенью 1959 года он оказался зачисленным в студенты.

Когда Стивену Хокингу исполнился 21 год, он заболел неизлечимой болезнью – рассеянным склерозом. Врачи оставляли ему 2–2,5 года жизни…

Однако Хокинг не только опроверг прогнозы врачей, но нашел в себе силы бороться со страшной болезнью и победил. Как он сам о себе рассказывал, – от уныния его спасла помолвка с девушкой по имени Джейн Уайлд. Он полюбил ее, любовь оказалась взаимной. Джейн вышла замуж за Стивена, зная о жестоком приговоре врачей… У него появился огромный стимул для продолжения жизни во что бы то ни стало!

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. Именно поэтому для «уравновешивания» своих научных интересов 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 в ботанике. Но 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. Заявка была принята, так как у Стива был довольно высок суммарный бал выпускных оценок, но амбициозного ассистента сильно опечалило, что его руководителем стал не Хойл, а доктор Денис Сиама. Однако впоследствии все устроилось самым лучшим образом, ведь профессор Хойл проводил много времени в различных заграничных лекционных турне, на конференциях, симпозиумах и конгрессах, в то время как блестящий педагог доктор Сиама, впоследствии написавший широко известную книгу «Физические принципы теории относительности», был всегда на месте, подстегивая увлекающегося аспиранта.

На собственную свадьбу Хокинг пришел с тростью. Через два года, когда родился его сын, Стивен уже ходил на костылях. Неумолимая и жестокая болезнь подступала. Еще через три года, когда родилась дочь, он передвигался в инвалидной коляске.

До тридцатилетнего рубежа своей жизни Хокинг мог самостоятельно выполнять многое: передвигаться, подниматься по лестнице, есть, вставать. Однако затем его тело постепенно практически полностью потеряло подвижность… Вдобавок ко всему он заболел воспалением легких и долгое время был подключен к аппарату искусственного дыхания. Врачи убеждали близких, что надежды нет и надо принять решение об отключении медицинского оборудования, но Джейн настояла на продолжении лечения, и Стивен выжил. Правда, в результате операции на гортани он потерял речь…

Глава 1. Лекции кембриджского киборга

Мы еще очень многого не знаем о Вселенной, многого не понимаем. Но уже достигнутый 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.

С. Хокинг.

Черные дыры и молодые вселенные

Серым пасмурным утром, которые нередки ранней осенью над туманным Альбионом, к одному из старинных корпусов Кембриджа движется странная процессия. Впереди катится, жужжа и попискивая электронными сигналами, необычная коляска, своей кибернетической начинкой больше напоминающая очередную модель марсохода, рядом шагают несколько юношей и девушек, заботливо прикрывающих коляску зонтами, а сбоку миловидная женщина в блестящем дождевике, наброшенном на белый халат, озабоченно поглядывает на цифры и кривые, бегущие по дисплею, встроенному в подголовник экипажа. В коляске – иссохший пожилой человек с острыми чертами лица, несколько смягченными застывшей полуулыбкой и необыкновенным взглядом больших серых глаз, прикрытых очками.

Каждый в Кембридже знает, что это спешит на свое рабочее место заведующий кафедрой прикладной математики и теоретической физики (той самой, которую когда-то занимал великий Ньютон) доктор, профессор и академик Стивен Хокинг. Окруженный своими студентами и аспирантами, а также заботливо поддерживаемый очередным парамедиком, раскрепощенный дух в плененном теле, как назвала его однажды газета Guardian, легко въезжает по специальному пандусу в широко открытые столетние резные двери физического корпуса.

Сегодня у профессора Хокинга обзорная лекция перед третьекурсниками, которую он назвал «История нашего мира», и он прекрасно знает, что вместе со студентами в переполненную аудиторию соберется много его друзей и коллег со всех факультетов. Как однажды написала газета Sunday Times, «побывать на любой лекции у профессора Хокинга становится своеобразной визитной карточкой в ученом разговоре».

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, подаренный Хокингу американским программистом, и механический голос начинает рассказ о том, как ученые пришли к современному научному сценарию происхождения нашего Мира.

В начале лектор кратко рассказывает о своей главной специальности – физической космологии. Это удивительный раздел астрономической науки, изучающий Вселенную как единое целое. Космология во многом является синтетической наукой, включающей в себя астрономию, физику и математику. В то же время от других наук ее отличает специфическая структура, как в значительной степени умозрительной и гипотетической дисциплины. Развитие современной космологии основывается на положении, по которому все законы природы, установленные на нашей планете и в ближайшем космическом окружении, безусловно, распространяются на всю видимую Вселенную – Метагалактику. Это, конечно же, не означает, что где-то в глубинах космоса ученые не смогут открыть новые поразительные физические закономерности, но они никогда не отменят уже открытые законы природы в пространстве и времени, а будут расширять и развивать их на новом уровне.

Затем Хокинг проводит исторический экскурс, приводя примеры, как на протяжении веков величайшие умы человечества – Коперник, Кеплер, Галилей и Ньютон – считали окружающий Мир однородным и неизменным. На эти же свойства Вселенной изначально опирался в своих построениях Эйнштейн. Создатель теории относительности считал, что Вселенная в космических масштабах практически не эволюционирует, в общем-то пребывая в неизменном состоянии, не подвластном течению времени. При этом, разумеется, в разных частях Метагалактики возникают и гаснут звезды, распадаются и возникают вновь целые галактики, но общая картина Мира остается в принципе неизменной. Тем неожиданней было теоретическое и практическое (в астрономических наблюдениях) открытие поразительного факта, что реальная Вселенная непрерывно пребывает в динамичном состоянии стремительного разлета, а все грандиозные галактические структуры напоминают разлетающиеся (в настоящий момент еще и ускоренно!) осколки вселенской супербомбы.

После лекционного вступления Хокинг ставит риторический вопрос, возникший после открытия расширяющейся Вселенной: а что будет, если проследить эволюцию Метагалактики обратно во времени?

Уже в простейших космологических моделях при попытках «повернуть вспять» историю Вселенной возникает образ очень загадочной точки вселенского сжатия, лежащей у истоков нашего Мира и носящей название космологическая сингулярность. Эта во многом мнимая точка (ведь указать ее координаты просто невозможно – нет подходящей системы отсчета!) и будет являться моментом «начала начал» расширения нашей Вселенной. Сам астрономический термин «сингулярность» можно перевести как особенность, необычность или исключительность, ведь начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятными плотностями материи и энергии, стремящимися к бесконечности.

Понятие космологической сингулярности тесно связано с кривизной окружающего нас трехмерного пространства, которое может быть как замкнутым, так и разомкнутым. Вопрос о том, в каком Мире мы живем, на самом деле определяется всего лишь одним-единственным параметром: плотностью окружающего нас Космоса. К примеру, если плотность Метагалактики будет ниже некоей критической отметки, то наш Мир окажется открытым и будет расширяться практически до бесконечности. Правда, некоторые современные космологические сценарии предрекают, что в этом случае само пространство-время не выдержит бесконечного «растяжения», и произойдет Большой разрыв. В подобной модели фантастический космический корабль, летящий с субсветовой скоростью не меняя курса, никогда не вернется назад.

Если же плотность вселенской материи превысит данное критическое значение, то пространство окажется замкнутым, и на определенном этапе расширение нашего Мира сменится сжатием. В принципе он может то расширяться, то сжиматься, не выходя в максимуме и минимуме за некоторые пространственно-временные пределы. Наглядно это можно представить в виде резинового шара, который то надувается, то спускается. Понятно, что невозможно раздуть шар больше определенного размера, за которым последует нечто критическое. Это гипотетическая вселенская катастрофа так и называется – Большой разрыв. В подобном замкнутом пространстве наш космолет, не меняя направления полета, может облететь всю Вселенную и вернуться с противоположной стороны Метагалактики.

После создания теории относительности, в двадцатых годах прошлого века, замечательный петербургский математик Александр Александрович Фридман одним из первых получил оригинальные решения уравнений общей теории относительности для всей Вселенной в целом. Анализируя полученные результаты и применяя их к новой теории гравитации Эйнштейна, профессор Фридман сделал сенсационное открытие, обнаружив, что решения уравнений эйнштейновской гравитации предполагают наличие полностью замкнутой Вселенной. А еще из их анализа получалось, что под действием гравитации в отдельных участках космоса материя может как бы «схлопнуться», образовав необычное пространство, замкнутое само на себя. Далее ученый получил еще более неожиданный результат, показывающий, что если наш Мир заполнить тяготеющим веществом, он неуклонно будет либо расширяться, либо сжиматься. Эти решения Фридмана для развивающейся и увеличивающейся Вселенной лежат в основе всей современной космологии.

Как же можно представить себе Мир Фридмана? Здесь Хокинг предлагает оригинальную аналогию в виде глобуса, населенного ползающими по его поверхности «плоскунами». Эти двумерные сущности в силу своего двумерного замкнутого мира даже не подозревают о существовании третьего измерения.

– Давайте представим, – продолжает Хокинг, – что плоскуны решили опытным путем определить границы своего мира. Приступив к измерению длины окружности сферы, они вскоре пришли бы в большое удивление, увидев, что длина окружности, неуклонно возрастая до определенного момента, по мере удаления от начальной точки наблюдений, достигла бы максимума, а затем начала бы также неуклонно уменьшаться, вплоть до нулевой отметки. Это однозначно продемонстрировало бы плоскунам, что их мир замкнут. Надо сказать, что в таком плоско-замкнутом мире должны были бы происходить удивительные вещи….

Тут профессор выдерживает эффектную паузу и продолжает:

– Там действовали бы совершенно иные физические законы, а сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы совсем иначе, чем в нашей Вселенной. Двумерные существа могли бы никогда не узнать, что находится внутри искривленной поверхности сферы, центральная и внешняя часть трехмерного пространства которой по идее должна быть совершенно недоступна для наблюдения с помощью двумерных приборов. Мир плоскунов был бы для них безграничен, но для стороннего наблюдателя казался бы лишь ничтожной частью «внешней» Вселенной.

Разумеется, рассказ Хокинга касается и подпространственных перемещений. В научно-фантастических произведениях зачастую это выглядит как нечто таинственное и непонятное. И тем не менее фантасты часто бывают не столь уж далеки от истины.

– Представим себе двухмерный мир, – за спиной лектора появляется следующий слайд, – как бесконечно тонкий лист бумаги, у которого две стороны слились в одну. В таком мире, так же, как и в нашем, любые две отстоящие друг от друга точки соединяет множество тропинок, но среди них всегда есть самая короткая, и, если мы хотим попасть в другую точку как можно скорее, нам следует воспользоваться именно этой дорожкой.

Если же в начале и в конце пути изогнуть, продавить пространство, образовав воронки и соединив их трубкой-каналом, мы получим мгновенный переход между двумя удаленными точками двухмерного мира. Вот такой канал мы вправе назвать проколом пространства, нультранспортировкой и другими терминами, придуманными писателями-фантастами. При этом подобные подпространственные переходы нигде не будут выходить за пределы своей двухмерной вселенной, поскольку все точки – и на листе, и в канале, и на склонах воронок – принадлежат одной и той же двухмерной поверхности. Если свернуть такой лист в цилиндр, то канал перехода будет напоминать ручку чашки. В трехмерном пространстве он существует сам по себе, независимо от того, есть обнимающее его трехмерное пространство или же его вообще нет в природе.

Рассказывая о мире плоскунов, Хокинг не забывает подчеркнуть важную особенность – такой плоский двумерный мир может иметь одну пространственную, а вторую временную координату. Тогда проколы из пространственных превратятся в пространственно-временные, соединяя точки с разными временами и служа тоннелями для путешествий в иную историческую реальность.

Несмотря на кажущуюся мистичность, многие физики уверены в осуществимости таких проектов, поскольку они основываются на принципах квантовой теории. Трудно пока еще говорить о конкретных деталях строения «подпространственного метро» будущего, но реальность его осуществления в том или ином варианте практически не вызывает сомнений.

Когда речь идет о поиске подпространственных червоточин, первое, что обращает на себя внимание, – это бездонные провалы сколлапсировавших «застывших звезд». Астрофизики считают, что многие свойства коллапсаров говорят о том, что воронки замерзших звезд вполне могут быть входными порталами червоточин пространства-времени. Если это так, то можно (пока еще чисто умозрительно) попытаться приспособить их для путешествий в пространстве и времени, ведь время в их окрестностях останавливается лишь для внешнего наблюдателя, а для космонавтов, устремившихся в жерло черной дыры, все будет идти своим чередом, и никакого замирания процессов они не заметят.

Некоторое время после создания модели Фридмана нестационарный непрерывно расширяющийся мир казался многим ученым нереальным. Однако соответствующие решения Фридмана были не только признаны автором теории относительности, но и получили практическое подтверждение в наблюдениях знаменитого американского астронома Эдвина Хаббла.

В 20-х годах прошлого века, после внушительной серии астрономических исследований дальних галактик, он пришел к выводу, что галактические объекты удаляются от нас со скоростью, пропорциональной этой удаленности. Следовательно, чем дальше от нас галактика, тем выше скорость ее удаления. Соответствующий коэффициент пропорциональности является важнейшей космологической величиной, получившей название постоянной Хаббла.

Свое открытие Хаббл сделал на основании астрономического приложения хорошо известного физического эффекта Доплера, состоящего в увеличении длин волн в спектре излучения источника в сторону красной части спектра для удаляющихся галактик. (Хокинг всегда использовал на лекциях простые запоминающиеся аналогии и рассказывал, как в детстве, стоя на железнодорожной насыпи, поражался изменениям гудка проходящего мимо локомотива: его сигнал перерастал из свистка в басовитое гудение.) Данное явление изменения воспринимаемой частоты колебаний при движении источника или приемника волн впервые исследовал немецкий акустик Кристиан Доплер.

Наблюдение доплеровского сдвига в инфракрасную часть спектра для удаленных галактик и получило название «красного смещения», свидетельствуя о том, что все достаточно далекие звездные системы удаляются от нас со скоростями, возрастающими с расстоянием. Вопрос о физических причинах красного смещения до сих пор бурно дебатируется в астрономических и особенно околоастрономических кругах, хотя подавляющее большинство ученых склоняются во мнениях к тому, что смещение линий в спектрах далеких галактик вызвано именно расширением Вселенной.