Читать книгу "Стивен Хокинг. О дружбе и физике - Леонард Млодинов"

В 1929 году, почти век спустя после того, как Дарвин начал формулировать свою теорию эволюции в биологии, Хаббл открыл, что Вселенная тоже эволюционирует. Но идея о неизменности Вселенной сдавала свои позиции с большим трудом. Физики горазды на всякие ухищрения, и они начали «стряпать» разные теории, чтобы спасти дорогой их сердцу предрассудок. Авторство одной из самых известных попыток в этом направлении принадлежит Фреду Хойлу: он создал теорию стационарной Вселенной. Последователи этой теории не оспаривали тот факт, что далекие галактики разлетаются от нас, но утверждали, что постоянно образуется новое вещество, так что по мере расширения Вселенной плотность вещества остается неизменной и новое вещество заполняет вновь образующееся пространство. В этом смысле Вселенная может оставаться неизменной в космическом масштабе.

Главным конкурентом теории стационарной Вселенной в то время был Большой взрыв. Хойл теорию о Большом взрыве не поддерживал, но этот термин возник благодаря ему. В 1949 году, во время интервью на радио BBC, Хойл упомянул «гипотезу о том, что все вещество во Вселенной было создано при Большом взрыве в какой-то момент в удаленном прошлом». Некоторые потом утверждали, что он произнес это саркастически. Сам Хойл это отрицал. Как бы то ни было, название за теорией закрепилось.

Если теория оказывается достойной внимания физиков, первое, что они с ней делают, – дают ей название. Теория Большого взрыва получила наименование только через двадцать лет после своего возникновения, и это говорит само за себя. Теорию придумал Жорж Леметр, гениальный бельгийский священник, он же профессор физики. Анализ уравнений Эйнштейна привел его в 1927 году к выводу о том, что Вселенная должна расширяться. Это случилось за два года до того, как Хаббл в своей работе показал, что так оно и есть. Затем Леметр отметил, что, если Вселенная становится больше, значит, она должна была быть меньше в прошлом; и чем дальше в прошлое мы погружаемся, тем меньше она становится. В 1931 году он пришел к мысли о том, что когда-то, в далеком прошлом, размеры Вселенной должны были быть равны нулю – другими словами, вся масса Вселенной должна была быть сосредоточена в одной точке. Он назвал это состояние «первородным атомом».

Казалось, теория Большого взрыва подразумевала существование момента творения, но и тут ловкие физики нашли способ уклониться от такого вывода. Они создали вариант теории Большого взрыва, в которой в незапамятные времена Вселенная была сжата не в одной точке, а в некоем небольшом объеме; в далеком прошлом частицы вещества могли «скользить» мимо друг друга. В результате, вместо того чтобы быть сжатыми в одной точке, частицы могли пролететь рядом друг с другом, а потом вновь разлететься. Таким образом, Вселенная может быть вечной и циклической – циклы расширения и сжатия могут сменять друг друга. Именно эти две точки зрения, теория стационарной Вселенной и варианты Большого взрыва, превалировали среди физиков в тот момент, когда Стивен поступил в Кембридж – по крайней мере, среди тех физиков, которые вообще склонны были задумываться о происхождении Вселенной.

Однажды, когда я затронул тему религии, Стивен сказал мне, что он не увлекается метафизикой. Подобно философам, Стивен хотел дать ответы на глубокие вопросы мироздания, но желал сделать это с помощью науки. Поэтому ему было намного труднее, чем философам. Если в философии вы можете теоретизировать, сколько душе угодно, то в науке одного рассудка недостаточно. Научный эксперимент может подтвердить либо опровергнуть вашу правоту. Стивен чувствовал, что ученых, начиная от Ньютона и заканчивая Эйнштейном, подвели их философские и религиозные убеждения, соблазнив идеями, которые не были в достаточной мере подтверждены теорией или физическими экспериментами. Поэтому с самого начала Стивен подверг сомнению утверждение о неизменности и вечности Вселенной. Не менее важно то, что он не был согласен и с гораздо более распространенным убеждением – что сам этот вопрос не имеет большого значения.

⁂

В архиве Кембриджского университета хранится экземпляр докторской диссертации Стивена Хокинга «Свойства расширяющихся вселенных», датированный 1 февраля 1966 года. Когда он защитился, ему было всего двадцать четыре года. Диссертация начиналась словами: «Исследуются некоторые выводы и следствия теории расширяющейся Вселенной…» Диссертация, напечатанная Джейн – Стивен, увы, сам сделать этого не мог, – состоит из четырех глав, испещренных поправками и формулами, написанными от руки. Последняя глава – всего около двадцати страниц – сделала Стивена знаменитым среди его коллег.

Стивен появился в Кембридже в октябре 1962 года. За первые два года учебы в Кембридже он приобрел друзей, с которыми поддерживал отношения всю оставшуюся жизнь, и устроил свою семейную жизнь. Но в физике к постоянному берегу пока не прибился. Он изучал общую теорию относительности, занимался различными проблемами, которые казались многообещающими ему и его научному руководителю Сиаме, но все значительные открытия были еще впереди.

Исследования, которые вошли в первые три главы его докторской диссертации, ничем особенным не отличались. Некоторые из них представляли определенный интерес с точки зрения независимого математического анализа различных проблем, например, содержали критику математических уравнений теории стационарной Вселенной Хойла. Но работа содержала лакуны и оставляла нерешенными некоторые вопросы. Если бы диссертация состояла только из этих глав, ее явно было бы недостаточно для получения степени доктора философии. И конечно, она не принесла бы Стивену широкую известность. Но, познакомившись с произведениями тридцатитрехлетнего математика Роджера Пенроуза, Стивен добавил в диссертацию четвертую главу. Она немного выпадала из общего сюжета, но с нее началось восхождение Стивена к мировой славе. Стивен узнал о работе Пенроуза в январе 1965 года, после того как Пенроуз провел семинар в Королевском колледже в Лондоне. Стивену, который был в то время на десять лет моложе Пенроуза, случалось посещать эти семинары. Он, правда, отсутствовал на семинаре Пенроуза, но узнал о нем от Брэндона Картера, с которым на работе в Кембридже делил один кабинет.

Исследуя Вселенную, очень важно учитывать притяжение вещества ко всему остальному веществу. Это верно также и при изучении эволюции звезды. Например, можно задаться вопросом, почему сумма всех притяжений не заставляет звезду схлопываться. Ответ заключается в ядерных реакциях внутри звезды. Они разогревают звезду, заставляя газы расширяться, таким образом компенсируя сжатие, вызываемое гравитацией. Работа, о которой рассказывал Пенроуз в своем докладе, была посвящена тому, что происходит после выгорания ядерного горючего в массивной звезде, когда звезда начинает остывать. Когда это случается, умирающая звезда начинает коллапсировать под действием собственной силы гравитации.

Пенроуз считал, что коллапс звезды – сложный и хаотический процесс, при этом первоначальная сферическая симметрия звезды может нарушаться. Коллапс может протекать по двум возможным сценариям. Один из них напоминает тот вариант теории Большого взрыва, в котором частицы вещества скользят относительно друг друга: во время коллапса звезды все ее составляющие части падают по направлению к центру, но не в одну и ту же точку. А затем они стремительно проносятся мимо друг друга, и стадия сжатия сменяется расширением. В другом сценарии, несмотря на связанный с коллапсом хаос, вещество звезды притягивается точно в ее центр, где оно сдавливается в единую точку, в которой плотность вещества становится бесконечной.