Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении

Стивен Хокинг никогда не боялся ставить перед собой сложные задачи. Именно этот знаменитый физик и космолог значительно приблизил человечество к тому, чтобы найти ответы на важные вопросы. Ему удалось отыскать ключи к более глубокому пониманию природы. (Именно это и символизируют изображения ученого с ключами рядом с его цитатами в этой книге.)

Исследования Хокинга привлекли внимание профессионалов еще в конце 1960-х годов и вызвали ажиотаж в середине 1970-х. После выхода в 1988 году мирового бестселлера «Краткая история времени» он стал известен миллионам читателей. Несколько других его научно-популярных книг с успехом продаются и по сей день.

Все эти достижения трудно переоценить, учитывая трагическую судьбу учёного. Вскоре после того, как в 1963 году Хокингу исполнился 21 год, врачи сообщили, что ему осталось жить всего несколько лет. Был поставлен диагноз «боковой амиотрофический склероз» (БАС). При этой страшной болезни мышечные нервные клетки постепенно отмирают, что приводит к полному параличу. Тем не менее, Хокингу удалось закончить университет и получить докторскую степень, а также провести ряд важных научных исследований. В 1979 году, уже будучи прикованным к инвалидному креслу, он был зачислен на работу на кафедре Лукаса в Кембриджском университете, где за три столетия до него трудился Исаак Ньютон.

Из-за трахеотомии с 1985 года Хокинг мог общаться только с помощью речевого компьютера. Он управлял этим компьютером за счёт ещё доступных ему движений: сначала одной рукой, а затем, с 2005 года, правой щекой. Он кропотливо вводил букву за буквой, в лучшем случае два-три слова в минуту.

Трагическая судьба Хокинга сделала его идеальным образом современного культурного героя: блестящий ум, запертый в неподвижном теле, стремящийся, однако, раздвинуть границы познания. Его исследования посвящены самым абстрактным, неизученным и сложным темам: черным дырам, Большому взрыву, гравитационным волнам, путешествиям во времени, параллельным Вселенным, теории относительности, квантовой физике и поиску универсальной формулы, объясняющей связь всех частиц и сил. Неудивительно, что он стал медиазвездой! Сам Хокинг видел это так:

Сочетание космологического величия и серьезной болезни даже превратило Хокинга в киногероя. В 2004 году Бенедикт Камбербэтч сыграл его в телевизионном фильме, а в 2014 году вышел уже полнометражный фильм, за который актер, сыгравший Хокинга, Эдди Редмэйн получил премию «Оскар». В 1991 году в кинотеатрах был показан документальный фильм об исследованиях Хокинга, в котором было много интервью с его коллегами и близкими людьми. Кроме того, на телевидении и в Интернете вышло несколько научных фильмов как с его личным участием, так и о нем.

Можно сказать, что Хокинг, стал частью поп-культуры, появившись в качестве гостя в сериалах «Звездный путь: Следующее поколение» и «Теория большого взрыва», а также став персонажем мультфильма «Симпсоны» и научно-фантастического сериала «Футурама». Его компьютерный голос звучит в песне Keep Talking группы Pink Floyd, и есть даже фигурка Хокинга в Lego.

На момент постановки диагноза БАС Хокинг и мечтать не мог, что в возрасте 71 года он опубликует автобиографию, а в возрасте 75 лет проведет крупную научную конференцию в честь своего юбилея. С каждым днем он устанавливал новый поразительный медицинский рекорд – и это, конечно, было связано не только с его волей к жизни, чувством юмора и хорошей медицинской помощью.

Хокингу было присвоено звание почетного профессора. Он находился в этой должности 30 лет, чего никто не мог себе представить, когда он ее только получил. Конечно, об отдыхе не могло быть и речи. У Хокинга была большая семья (трое детей и трое внуков; вместе со своей дочерью Люси он написал пять детских книг). Когда позволяло здоровье, он читал лекции по всему миру. Он выступал на телевидении и по радио. В 2010 году он принял должность приглашенного профессора в Институте теоретической физики Периметр[1] в Канаде. Но самым главным для него оставались исследования вместе с коллегами, он публиковал крупные статьи о сложных вопросах космологии и о все еще загадочных черных дырах.

«Я бы посоветовал людям с ограниченными возможностями: не позволяйте своей физической инвалидности мешать вашему разуму».

«Хотя мы, люди, подвержены физическим ограничениям, наш разум свободен и не стеснен в своих возможностях исследовать вселенную».

Эта книга

…повествует о жизненном пути Хокинга и его исследованиях, включая выводы, которые Хокинг не описывал в своих наиболее популярных публикациях. Рассказ будет вестись в понятном научно-популярном стиле. (А тот, кто интересуется более подробной информацией, серьёзным обсуждением текущих направлений исследований или разнообразием подходов, а также результатами этих исследований в более глубоком научном, философском и историческом контексте, найдет это в других книгах автора, перечисленных в приложении, или в публикациях самого Хокинга.) Основное внимание мы уделим научным открытиям Хокинга, включая и ошибочные его гипотезы. Многие из своих работ он написал не в одиночку: наука не может функционировать без единомышленников и коллег, а критическая конкуренция, как известно, стимулирует развитие. Однако зачастую именно творческие идеи, настойчивость и интеллект отдельных личностей гарантирует научный прогресс. И работы Хокинга ещё раз это доказывают.

На следующих страницах рассказывается о развитии нашей Вселенной (со с. 27). Пространство расширяется уже 13,8 миллиарда лет, что указывает на величайшее событие в начале времен: Большой взрыв. Отголоски этого события все еще распространяются по космосу (со с. 57). Как доказал Хокинг вместе со своими коллегами, известные законы природы должны разрушиться в странной сингулярности Большого взрыва (со с. 37). Но Хокинг не хотел оставлять этот важный вопрос о начале мира открытым: его должна была объяснить более совершенная теория. Фактически он нашел решение, позволяющее приоткрыть завесу этой великой тайны (со с. 46). Однако дальше поднимаются глубокие философские вопросы о времени, небытии и бесконечности. Возможно, время возникло только с Большим взрывом. Или это было не начало всего, а лишь переход из другой Вселенной с обратным направлением времени, которая в свою очередь схлопнулась (со с. 54). Различие между прошлым, настоящим и будущим также не является самоочевидным, поэтому Хокинг говорит о гипотетический возможности путешествий во времени (со с. 136), воображаемом времени (со с. 49) и обратном времени в далеком будущем (со с. 124). В черных же дырах, в этих зловещих безднах пространства, находящихся под невообразимым влиянием гравитации, не только все исчезает навсегда, но, кажется, и само время заканчивается (со с. 73). Однако, возможно, существуют своеобразные туннели в пространстве-времени, своего рода врата в другие Вселенные или даже взрывоопасные петли в прошлое, которые угрожают структуре причин и следствий (со с. 131). Открытие Хокинга о том, что черные дыры не являются полностью черными, а должны со временем испаряться (со с. 97), также предвещает катастрофу: если черные дыры необратимо уничтожают физическую информацию, то розовые муравьеды могут внезапно появиться в духовке и станцевать весёлую польку (со с. 108). Наконец – или даже в первую очередь – возникает вопрос об истинности научных утверждений, об объяснении всего, а также о природе в реальности и за ее пределами, т. е. также о божественном творце и смысле мира (со с. 154).

Ни в коем случае нельзя сказать, что Хокинг вел существование, оторванное от обычной реальной жизни. Напротив, он много путешествовал, посещал научные конференции и иногда выступал в качестве приглашенного докладчика на крупных мероприятиях. Он также был очень озабочен будущим человечества и пытался по возможности осознанно повлиять на него. И он знал, как наслаждаться своей короткой жизнью на Земле. Однажды он так охарактеризовал свое отношение к жизни:

Биография Стивена Хокинга

1942 8 января: в Оксфорде родился Стивен Уильям Хокинг.

■ Его родители: экономист Изабель Эйлин Хокинг (1915— 2013) и специалист по тропической медицине Фрэнк Хокинг (1905-1986).

■ Детство в Лондоне.

1943 Рождение сестры Марии.

1946 Рождение сестры Филиппы.

1950 Переезд в Сент-Олбанс, Хартфордшир, недалеко от Лондона.

1955 Семья усыновляет еще одного ребенка – Эдварда.

1959 Стипендия Оксфордского университета для одаренных студентов, изучение физики.

1961 Премия Оксфордского университета по физике.

1962 Выпускной экзамен на «отлично».

■ Начало работы над диссертацией по космологии с Деннисом Скиамой в Кембриджском университете.

■ 31 декабря: Встреча с Джейн Уайлд в Сент-Олбансе.

1963 Диагноз: Боковой амиотрофический склероз (БАС) 1965 Завершение диссертации «Свойства расширяющихся вселенных» (принята в 1966 г.).

■ Первые научные публикации.

■ Стажировка и исследовательская стипендия в колледже Гонвилля и Кая в Кембридже.

■ Брак с Джейн Уайлд в Сент-Олбансе (она изучала языки и получила докторскую степень по испанской поэзии в 1981 году). Медовый месяц на конференции по физике в Корнеллском университете, Нью-Йорк.

1965-1970 Формулировка теорем о сингулярности Большого взрыва с Роджером Пенроузом и дальнейшие космологические исследования.

1967 Рождение сына Роберта.

1970 Рождение дочери Люси.

■ Хокинг в инвалидной коляске.

■ Сотрудничество с Институтом астрономии в Кембридже.

с 1971 года Исследования черных дыр (свойства, формирование, рост) и гравитационных волн совместно с Гэри Гиббонсом, Бернардом Карром, Джеймсом Хартлом.

1973 Книга «Крупномасштабная структура пространства-времени» с Джорджем Эллисом.

■ Исследования с Барри Коллинзом по изотропии Вселенной и антропному принципу.

1974 Нуждается в уходе.

■ Исследования термодинамики и квантовой физики черных дыр: открытие их испарения (излучение Хокинга).

■ Прием в Лондонское королевское общество.

1974-1975 Год исследований в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене с Кипом Торном (позднее остается там же).

1975 Гипотеза парадокса потери информации в черных дырах.

■ Назначение на должность доцента (академическая должность) по гравитационной физике.

1975/1976 Шесть наград, включая медаль Эддингтона Королевского астрономического общества и медаль Пия XII Папской академии наук.

1976 Исследования с Доном Пейджем гамма-излучения первичных черных дыр.

с 1976 года Исследования евклидовой квантовой гравитации, частично в сотрудничестве с Гэри У. Гиббонсом, Кристофером Н. Поупом, Малкольмом Перри.

1977 Назначение профессором в колледже Гонвилля и Кая.

■ Исследования с Гэри Гиббонсом излучения от космических горизонтов событий.

■ Появление в телевизионном документальном фильме «Ключ Вселенной» (The Key of the Universe) (BBC).

1978 Премия Альберта Эйнштейна.

1979 Рождение сына Тимоти.

■ Соредактор книги «Общая теория относительности».

■ Назначение на кафедру математики имени Лукаса на кафедре прикладной математики и теоретической физики (DAMTP) Кембриджского университета.

1980 29 апреля: Вступительная лекция «Скоро ли конец теоретической физики?».

1981 Лекция в Папской академии наук.

■ Соредактор журнала «Суперпространство и супергравитация».

■ Почетный титул королевы Елизаветы II: Командор ордена Британской империи.

с 1981 года Исследование космологической постоянной.

с 1982 года Исследования космической инфляции и фазовых переходов, частично совместно с Яном Моссом.

1982 Совместная организация семинара «Очень ранняя Вселенная» (The Very Early Universe) в Кембридже.

■ Почетные докторские степени университетов Лестера, Нью-Йорка, Принстона, Нотр-Дам (позже еще восьми).

1983 Исследование волновой функции Вселенной с Джеймсом Хартлом.

■ Соредактор книги «Очень ранняя Вселенная» (The Very Early Universe).

1984 Черновик «Краткой истории времени» (A Brief History of Time).

■ Литературный агент Al Эл Цукерман из Нью-Йорка выставляет на аукцион права на издательство Bantam.

1985 Исследование направления времени (пересмотрено в 1991 году совместно с Рэймондом Лафламмом и Гленном Лайонсом).

■ Соредактор книги «Суперсимметрия и ее приложения» (Supersymmetry and Its Applications).

■ Август: пневмония в Женеве, трахеотомия в Кембридже, потеря способности говорить; речевой компьютер Дэвида Мейсона, управляемый правой рукой.

1987 Соредактор книги «Триста лет гравитации» (Three Hundred Years of Gravitation).

c 1987 года Исследования кротовых нор и дочерних Вселенных.

1988 1 апреля: «Краткая история времени» (A Brief History of Time) опубликована и быстро становится бестселлером.

■ Более 25 миллионов экземпляров, переведена на более чем 40 языков.

■ Премия Вольфа по физике совместно с Роджером Пенроузом.

1989 Почетный титул королевы Елизаветы II: Орден Кавалеров Почета.

■ Соредактор книги «Формирование и эволюция космических струн» (The Formation and Evolution of Cosmic Strings).

1990 Расставание с Джейн Уайлд (в 1997 году она выйдет замуж за музыканта Джонатана Хеллиера Джонса, с которым она состояла в отношениях с 1980-х годов и который стал частью семьи).

1991 Документальный фильм о «Краткой истории времени» Эррола Морриса, а также книга «Краткая история времени. Спутник читателя» (A Brief History of Time. A Reader s Companion) (Краткая история времени Стивена Хокинга).

с 1992 года Исследование гипотезы защиты хронологии (Chronology Protection Conjecture).

■ Дальнейшие исследования квантовой физики черных дыр, частично совместно с Саймоном Ф. Россом и Рафаэлем Буссо.

1993 Сборник статей «Черные дыры и младенческие вселенные» и другие эссе (Мечта Эйнштейна).

■ Соредактор «Эвклидовой квантовой гравитации» (Euclidean Quantum Gravity).

■ Сборник «Хокинг о Большом Взрыве и Черных Дырах» (Hawking on the Big Bang an Black Holes).

1994 Лекция «Природа пространства и времени»

(The Nature of Space and Time) с Роджером Пенроузом в Кембридже.

■ CD «Краткая история времени – интерактивное приключение» (A Brief History of Time – An interactive adventure) с интерактивными видеороликами по мотивам книги Джима Мервиса и Робита Хейрмана.

1995 Развод с Джейн Уайлд.

■ Свадьба с медсестрой Элейн Мейсон в Кембридже.

1996 Книга «Природа пространства и времени» с Роджером Пенроузом (The Nature of Space and Time).

■ Книга «Иллюстрированная Краткая История Времени» (The Illustrated A Brief History of Time), обновленная и заново иллюстрированная.

1997 Шестисерийный телесериал «Вселенная Стивена Хокинга» (Stephen Hawkings Universe) (PBS).

1998 Исследования с Майклом Кэссиди по выбору хронологии (Chronology Selection).

■ Исследования с Нилом Туроком по возникновению открытых Вселенных с инфляцией.

■ Лекция для Билла Клинтона в Белом доме, Вашингтон, округ Колумбия.

■ Награжден Международным астрономическим союзом: Планетоид (7672) Хокинг.

с 1999 года Исследования по струнной космологии, частично совместно с Харви С. Риллом и Томасом Хертогом.

2001 Книга «Мир в ореховой скорлупе» (The Universe In A Nutshell).

2002 Редактор книги «На плечах гигантов: Великие труды по физике и астрономии» (On the Shoulders of Giants: The Great Works of Physics and Astronomy).

■ Соредактор книги «Будущее пространства-времени» (The Future of Spacetime).

c 2003 года Исследование подхода «сверху вниз» к космологии, проведенное в 2006 году совместно с Томасом Хертогом.

2004 Опровержение потери информации в черных дырах на конференции в Дублине.

■ Художественный фильм «Хокинг» (Hawking) Филипа Мартина.

2005 Управление речевым компьютером только подергиванием правой щеки.

■ Книга «Краткая история времени» с Леонардом Млодиновым (A Briefer History of Time).

■ Редактор книги «Бог создал целые числа: математические открытия, изменившие историю» (God Created the Integers: The Mathematical Breakthroughs That Changed History).

2006 Развод с Элейн Мейсон.

2007 Детская книга «Секретный ключ Джорджа ко Вселенной» с Люси Хокинг (Georges Secret Key to the Universe).

■ Редактор книги «Упрямо настойчивая иллюзия: основные научные труды Альберта Эйнштейна» (A Stubbornly Persistent Illusion: The Essential Scientific Writtings of Albert Einstein).

■ 26 апреля: восемь параболических полетов с 30 секундами невесомости каждый на борту Boeing 7Т1, запущенных из Космического центра Кеннеди.

■ 19 декабря: Открытие Центра теоретической космологии (СТС) в DAMTP/Центре математических наук Кембриджского университета, финансируемого Фондом Стивена Хокинга.

с 2007 года Исследования с Джеймсом Хартлом и Томасом Хертогом по квантовой космологии, волновой функции Вселенной, инфляции и направлению времени.

2008 Выступление на 50-летии НАСА в Университете Джорджа Вашингтона.

■ Телевизионный документальный фильм и DVD «Стивен Хокинг, Властелин Вселенной» (Channel 4) (Stephen Hawking, Master of the Universe).

2009 Президентская медаль Свободы, врученная Бараком Обамой в Белом доме, Вашингтон, округ Колумбия.

■ 30 сентября: Выход на пенсию в Кембридже.

■ Директор по исследованиям в СТС.

■ Детская книга «Джордж и сокровища Вселенной» с Люси Хокинг (Georges Cocmic Treasure Hunt).

2010 Телесериал и DVD «Во Вселенную со Стивеном Хокингом» (канал Discovery) (Into the Universe with Stephen Hawking).

■ Книга «Высший Замысел» с Леонардом Млодиновым (The Grand Design).