Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

заняться подстановкой различных возможных условий, чтобы посмотреть, какие виды вселенных при этом будут получаться. Таким образом, при описании начала Вселенной мы сталкиваемся с задачей отыскания граничных условий, которыми мы не управляем. И что интересно, начальные условия Большого взрыва оказываются заданными теми самыми законами, которые мы и стремимся найти. Однако описанный выше дуализм физики предполагает, что начальные граничные условия не являются частью физических законов. Более того, доказанная Стивеном теорема о сингулярности, в соответствии с которой пространство-время и все известные физические законы в момент Большого взрыва не существуют, тоже вроде бы согласуется с таким воззрением. Заметим, что этот парадокс возникает только в космологическом контексте: ведь только когда мы представляем себе эволюцию Вселенной во всей ее полноте, у нас не может быть никакого более раннего момента времени или большего объема пространства, которыми мы могли бы воспользоваться для выбора и определения граничных условий.

Стивен более, чем кто-либо иной из физиков его поколения, чувствовал, что научное понимание происхождения Вселенной потребует принципиального расширения столетиями не изменявшихся рамок физических предсказаний. Он видел, что мир не укладывается в узкие границы схемы «динамика – начальные условия». Этой проблемы он коснулся уже в своей диссертации, написав: «Одна из слабостей эйнштейновской теории относительности состоит в том, что, хотя она обеспечивает динамические полевые уравнения, она не устанавливает для них граничных условий. Следовательно, теория Эйнштейна не дает уникальной модели Вселенной. Очевидно, что теория, которая обеспечила бы граничные условия, была бы очень привлекательной… Теория Хойла именно такова. К сожалению, ее граничное условие исключает существование вселенных, которые, по-видимому, соответствуют реальной Вселенной, а именно ее расширяющихся моделей». Более подробно Хокинг осветил этот вопрос спустя почти пятнадцать лет в своей инаугурационной лекции при вступлении на Лукасовскую кафедру. Эта кафедра математики была основана в 1663 году Генри Лукасом, бывшим студентом Колледжа св. Иоанна, филантропом и политиком, членом парламента от Кембриджского университета. Годовое жалованье лукасовского профессора тогда составляло 100 фунтов. С 1669 по 1702 год кафедру занимал не кто иной, как Исаак Ньютон (Стивен часто саркастически замечал, что она в то время не была моторизована). К счастью для Ньютона, в документе об основании кафедры специально оговаривалось, что лукасовскому профессору не следует принимать священнического сана в англиканской церкви. Это означало, что Ньютон освобождался от принесения клятвы в вере в Святую Троицу – что было бы для него просто невозможно[92].

Стивен был избран семнадцатым лукасовским профессором в 1979 году. В инаугурационной лекции «Близок ли конец теоретической физики?», находясь на вершине своей уверенности в могуществе физической теории, он выдвинул спорное предсказание о том, что к концу столетия физики построят «теорию всего». И продолжал: «Полная теория заключает в себе кроме динамической теории также и набор граничных условий». Поясняя свое положение, он сказал: «Многие упорно утверждали, что роль науки ограничивается только первой из этих составляющих и что теоретическая физика достигнет своей цели, когда мы получим систему локальных динамических законов. Они считали, что вопрос граничных условий Вселенной относится к сфере метафизики или религии. Но у нас не будет полной теории, пока мы сможем всего лишь повторять, что вещи таковы, каковы они есть потому, что они были такими, какими они были».

Итак, Стивен, вечно оптимистичный и безудержный в амбициях, не желал оставаться заложником своей собственной теоремы о сингулярности. Существование исходной сингулярности, рассуждал он, как и многие другие, на самом деле говорит нам не о том, что причине Большого взрыва суждено остаться непознаваемой, но о том, что эйнштейновское описание гравитации в терминах деформируемого пространства-времени перестает работать в экстремальных условиях рождения Вселенной. Когда мы погружаемся в детали Большого взрыва, на первый план выходят мелкомасштабные квантовомеханические случайности. Можно было бы сказать, что пространство и время отчаянно стремятся выломаться из жестких рамок детерминистской теории Эйнштейна. В конечном счете, несмотря на все его изгибы и деформации, пространство-время в общей теории относительности – крайне жестко ограниченная структура, состоящая из определенной последовательности форм пространства, скрупулезно пригнанных и вставленных друг в друга наподобие «матрешек», в результате чего и образуется четырехмерное пространство-время. Хокинговская теорема о сингулярности Большого взрыва больше, чем что-либо иное, продемонстрировала крайнюю серьезность конфликта между относительностью и квантовой теорией. Она снова подтвердила интуитивную догадку Леметра о том, что космогенез есть сугубо квантовое явление и что если мы хотим разгадать загадку творения на основе научного подхода, мы должны каким-то образом найти путь к объединению этих двух с виду противоречащих друг другу глубинных принципов Природы. Ключевой мотив интуиции Стивена заключался в том, что такое объединение будет чем-то значительно большим, чем простым уточнением существующих рамок предсказательного аппарата физики, что оно потребует от нас переосмысления самих этих рамок, вывода физики за пределы устаревшего дуализма законов и граничных условий, эволюции и творения.

Упоминание квантовой механики, второго краеугольного камня современной физики, уже не впервые встречается на этих страницах. Она возникла из неожиданных результатов экспериментов с атомами и светом в самом начале XX века. Эти результаты нельзя было объяснить никаким расширением классической механики Ньютона. Создание теории квантов в бурные годы начала XX века остается одним из лучших примеров международного сотрудничества в человеческой истории. С тех времен на протяжении всего столетия квантовая механика шла от одного триумфа к другому, сделавшись самой мощной и с наибольшей точностью протестированной научной теорией всех времен. Она применима ко всем известным видам частиц. Идет ли речь о мелких деталях взаимодействия элементарных частиц или о механизме синтеза атомов в недрах далеких звезд – предсказания квантовой механики всегда идеально соответствуют экспериментальным данным. И как созданная Максвеллом классическая теория электромагнетизма заложила основы второй промышленной революции, так и принципы квантовой теории стали фундаментом сегодняшних технологий. А ведь мы, возможно, видим сейчас только верхушку айсберга – квантовые технологии обещают дать гораздо больше. В недалеком будущем физики и инженеры надеются использовать внутреннюю неопределенность микромира для хранения и обработки информации совершенно новыми способами: манипулируя индивидуальными квантовыми битами, или кубитами, и прокладывая тем самым путь к эпохе квантовых компьютеров.

Квантовая революция началась в 1900 году, когда немецкий физик Макс Планк предположил, что любые виды нагретых тел излучают энергию в виде малых дискретных порций, названных им квантами. Планк пытался объяснить, какое количество света каждого цвета излучает горячее тело. Из классической теории Максвелла он знал, что свет состоит из электромагнитных волн с различными частотами колебаний, соответствующими разным цветам. Трудность была в том, что классическая физика предсказывала: энергия, излучаемая нагретым телом, должна быть равномерно распределена между волнами всех частот. Так