Квантовые миры Стивена Хокинга

Олег Фейгин, 2019

Стивен Хокинг – один из самых известных физиков современности. Ему принадлежало множество работ по теории черных дыр, квантовой космологии и теории относительности. Широкой общественности он был хорошо известен как блестящий популяризатор науки. Кроме того, британский ученый являл собой пример личного мужества, полстолетия сражаясь с ужасным недугом, парализовавшим все тело. Весной 2018 года выдающийся ученый навсегда покинул нашу планету, затерявшись где-то в бесконечных измерениях так любимого им многомирья Мультиверса. Олег Фейгин, физик и автор множества популярных книг, тепло и вдохновенно представляет научное творчество великого теоретика современности. В формате a4.pdf сохранен издательский макет.

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.

Здесь Хокинг всегда останавливается на принципиальном вопросе, в котором часто путаются не только студенты, но и многие преподаватели. Дело в том, что широко бытует ошибочное мнение, что поскольку все далекие скопления галактик удаляются от нас, то именно Солнечная система лежит в самом центре Большого взрыва. На самом деле это своеобразная космическая иллюзия, и центр расширения у наблюдаемой части Вселенной просто отсутствует. Иначе говоря, в какую бы точку Метагалактики мы ни попали, картина расширения будет представляться, исключая мелкие детали, той же самой, что и с земной поверхности.

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…