Рюдигер Ваас

Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении

Эпилог

Рюдигер Ваас

Серия «Научпоп для начинающих»

EINFACH HAWKING!

Rudiger Vaas

РисункиГюнтера Шульца

Перевод с немецкогоЕ. В. Чернышевой

Мир Стивена Хокинга

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 вИнституте 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

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

19428 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.

1943Рождение сестры Марии.

1946Рождение сестры Филиппы.

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

1955Семья усыновляет еще одного ребенка – Эдварда.

1959Стипендия Оксфордского университета для одаренных студентов, изучение физики.

1961Премия Оксфордского университета по физике.

1962Выпускной экзамен на «отлично».

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

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

1963Диагноз: Боковой амиотрофический склероз (БАС)1965Завершение 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.

1965-1970Формулировка теорем о сингулярности Большого взрыва сРоджером Пенроузоми дальнейшие космологические исследования.

1967Рождение сына Роберта.

1970Рождение дочери Люси.

■ Хокинг в инвалидной коляске.

■ Сотрудничество с Институтом астрономии в Кембридже.

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

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

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

1974Нуждается 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.

198029 апреля: Вступительная лекция «Скоро ли конец теоретической физики?».

1981Лекция в Папской академии наук.

■ Соредактор журнала «Суперпространство и супергравитация».

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

с 1981 годаИсследование космологической постоянной.

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

1982Совместная организация семинара «Очень ранняя

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

1983Исследование волновой функции Вселенной с Джеймсом Хартлом.

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

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

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

1985Исследование 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.

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

c 1987 годаИсследования кротовых нор и дочерних Вселенных.

19881 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.

1989Почетный титул королевы Елизаветы II: Орден Кавалеров Почета.

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

1990Расставание 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).

1991Документальный 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 годаИсследование гипотезы защиты хронологии (Chronology Protection Conjecture).

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

1993Сборник 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).

1994Лекция «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.

1995Развод с Джейн Уайлд.

■ Свадьба с медсестрой Элейн Мейсон в Кембридже.

1996Книга «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.

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

1998Исследования 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 годаИсследования по струнной космологии, частично совместно с Харви С. Риллом и Томасом Хертогом.

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

2002Редактор 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 годаИсследование подхода «сверху вниз» к космологии, проведенное в 2006 году совместно с Томасом Хертогом.

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

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

2005Управление 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).

2006Развод с Элейн Мейсон.

2007Детская 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 Boeing7Т1,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 годаИсследования с Джеймсом Хартлом и Томасом Хертогом по квантовой космологии, волновой функции Вселенной, инфляции и направлению времени.

2008Выступление 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).

2009Президентская 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).

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

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

2011Детская книга «Джордж и Большой взрыв» с Люси Хокинг (George and the Big Bang).

■ Редактор книги «Мечты, из которых сделаны вещи: самые поразительные статьи по квантовой физике и как они потрясли научный мир» (The Dreams That Stuff Is Made Of: The Most Astounding Papers of Quantum Physics and How They Shook the Scientific World).

201229 августа: Открытие XIV Паралимпийских летних игр в Лондоне в присутствии 62 000 зрителей и 4200 спортсменов.

2013Автобиография «Моя краткая история» (Му Brief History).

■ Документальный фильм «Хокинг» Стивена Фин-нигана.

■ Специальная премия за прорыв в области фундаментальной физики.

■ Помолвка с бывшей сиделкой Дианой Финн.

2014Детская книга «Джордж и нерушимый код»

с Люси Хокинг (George and the Unbreakable Code).

■ Фильм «Теория всего» (The Theory of Everything) Джеймса Марша («Оскар» Эдди Редмэйна).

с 2014 годаДальнейшие исследовательские статьи о сохранении информации в испаряющихся черных дырах, с 2015 года совместно с Малкольмом Перри и Эндрю Строминджером.

2015Проект Breakthrough Listen (поиск внеземных цивилизаций).

2016Фильм «Любимые места Стивена Хокинга» (Stephen Hawkings Favorite Places) Бена Боуи.

■ Телесериал «Гений» (Genius).

■ Июль: Серия марок с Хокингом (и пятью другими мотивами) от почтового отделения острова Мэн в ознаменование 100-летия Общей теории относительности.

■ Отправка Breakthrough Starshot (миниатюрных зондов к Альфе Центавра).

■ Детская книга «Джордж и Голубая Луна»

■ Лекции ВВС и книга «Черные дыры». Лекции Рейта «Есть ли у черных дыр волосы?» (Black Holes. The Reith Lectures).

2017Появление в телесериале ВВС «Завтрашний мир» (Tomorrows World).

■ Июль: четырехдневная конференция в честь 75-летия Кембриджского университета с четырьмя публичными докладами и многочисленными лекциями.

■ Участие в документальном фильме YouTube

«До Большого взрыва» (Before the Big Bang) Ника Франко.

■ Ноябрь: Последняя публичная лекция для Кембриджского объединённого общества.

■ Объявление о стипендии профессора Хокинга.201814 марта: Хокинг умирает рано утром у себя дома в Кембридже.

■ 31 марта: Похороны в Университетской церкви Святой Марии в Кембридже.

■ Детская книга «Джордж и корабль времени» (George and the Ship of Time) Люси Хокинг.

■ 15 июня: Захоронение праха Хокинга в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, в почетной могиле между могилами Исаака Ньютона и Чарльза Дарвина.

■ Две последние исследовательские статьи появляются посмертно.

■ Книга «Краткие ответы на большие вопросы» (Brief Answers to the Big Questions)

■ Мемориальный камень Хокингу в Каюс-Корте рядом с его бывшим офисом.

■ 8 ноября: Инвалидная коляска Хокинга 1980-х годов, один из пяти экземпляров его диссертации и 20 других предметов (труды, медали) продаются на аукционе более чем за 1,8 миллиона фунтов стерлингов. Часть средств поступает в его фонд и Британскую ассоциацию по заболеваниям двигательных нейронов (Motor Neurone Disease Association).

2019Памятная монета в 50 пенсов с формулой Хокинга для энтропии черных дыр.

2020Книга «Открывая Вселенную» (Unlocking the Universe) (сборник научно-популярных текстов из детских книг с Люси Хокинг).

■ Апрель: семья Хокинга жертвует его аппарат искусственной вентиляции легких Королевской больнице Папворта в Кембридже, где он часто проходил лечение, с целью помочь пациентам с коронавирусом.

2021План мемориала в Кембридже.

Тайна Большого взрыва

Вселенная – это все, что мы знаем, и даже больше. Она не только невообразимо велика, но и намного больше, чем можно увидеть даже с помощью лучших астрономических телескопов. Может быть, космос вообще бесконечен, но этого никто не знает наверняка. Вселенная не существует вечно. У нее есть начало. Все в ней имеет начало. Каждая звезда, каждая планета, каждый атом. Весь видимый – и невидимый – мир развился из сверхгорячего и чрезвычайно плотного состояния. Как плод случая и необходимости. Согласно законам, которые ученые уже открыли. И они действуют в величинах с удивительной разницей – от менее 0,0000000000000001 миллиметра до более 100 000 000 000 000 000 000 000 километров.

Что удивляет еще больше: гигантский размах физических явлений или еще неизведанные глубины материи и пространства? Или интеллектуальная смелость, сила и гениальность таких исследователей, как Стивен Хокинг?

Начало Вселенной

Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад, она была невообразимо мала, меньше атомного ядра. Это звучит как безосновательное утверждение, но на самом деле это хорошо описанный научный факт. Тогда не существовало ни звезд, ни галактик, ни атомов, и уж точно не было исследователей вроде Стивена Хокинга, которые могли бы это все изучать…

«Большой взрыв» – это название процесса, в ходе которого чрезвычайно горячее и чрезвычайно плотное исходное состояние нашей Вселенной изменилось, и она вдруг начала крайне быстро расширяться. Вскоре после этого образовался хаос из частиц и излучений.

Космические масштабы. Земля – всего лишь песчинка в космосе.

После Большого взрыва возникли первые элементарные частицы, а в первые 15 минут – легкие элементы водород и гелий. На сегодняшний день они составляют 99 процентов известной материи в космосе. Остальные элементы, такие как углерод, кислород и азот, образовались гораздо позже в недрах звезд и во время их взрывов. Эти события хорошо известны и подтверждены наблюдениями. Это же касается и процессов, произошедших в первую миллиардную долю секунды: используя мощные ускорители частиц, исследователи могут даже имитировать их и детально изучать.

Самые ранние моменты нашей Вселенной больше не являются тайной, покрытой мраком. Физики и космологи уже точно знают, что тогда произошло. Но остается одна большая загадка: как произошел Большой взрыв? Является ли он началом всего? Или он стал определенным переходом? И если так, то что тогда было до него?

Маленькие отклонения с большими последствиями

«Первичная материя» распределилась не совсем равномерно. Под действием силы тяжести со временем образовались уплотнения и пустоты. Таким образом, гравитация создала крупномасштабные космические структуры. В еще молодой Вселенной, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, из огромных газовых облаков появились первые звезды. Вскоре они «выгорели» и взорвались.

Затем из их обломков и множества других веществ образовались новые звезды. Так происходит и сегодня.

Облака газа и пыли во Вселенной содержат сырье для еще триллионов лет звездообразования, хотя большинство всех звезд, которые когда-либо существовали и будут существовать, уже светят или уже погасли.

Распределение материи во Вселенной сегодня напоминает гигантскую ванну с пеной.

Звезды распределены в космосе не хаотично. Под действием гравитации они собираются в скопления и галактики. Крупные галактики могут содержать более 100 миллиардов звезд. Это примерно столько, сколько песчинок на всех пляжах Земли, или сколько клеток в человеческом мозге, или сколько людей, которые когда-либо жили на земле. 100 миллиардов – это также число галактик во Вселенной, известных сегодня. Одна из них – Млечный Путь. Во внешней трети этой величественной спирали находится наша звезда – Солнце. С третьей планеты от Солнца астрономы всматриваются в космос и пытаются разобраться в этом огромном беспорядке. Космическая задача!

Астрономы измеряют Вселенную в световых годах. Световой год – это не светящееся время, а единица измерения расстояния. Свет проходит расстояние около 300 000 километров всего за одну секунду. Путь от Солнца до Земли занимает у него чуть более восьми минут.

Один световой год соответствует расстоянию, которое свет проходит за один год: 9,5 триллионов километров. Это в 63 000 раз больше расстояния между Землей и Солнцем. Ближайшая звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии 4,2 световых лет от Солнца. А размер Млечного Пути –

Галактики образуют между собой еще более крупные структуры: группы, скопления и даже сверхскопления, состоящие из десятков тысяч звездных островов. В целом распределение материи во Вселенной напоминает мыльную пену в раковине: пена соответствует сверхскоплениям тысяч скоплений галактик, внутренняя часть воздушных пузырей соответствует космическим пустотам между ними. И пустых пространств становится все больше и больше, об этом свидетельствуют астрономические измерения. Диаметр наблюдаемой Вселенной составляет более 92 миллиардов световых лет. Но так не будет продолжаться вечно.

Рост космоса

Вселенная меняется. И это поистине потрясающее открытие: космос растёт! После Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад, он постоянно расширяется. Только таким образом материя могла разжижаться, охлаждаться и постепенно конденсироваться в звезды и планеты. На самом деле, даже просто глядя в окно ночью, можно увидеть – по крайней мере, если вы космолог – что мы живем в расширяющемся, а не в статичном пространстве. Свет от далеких звезд «растягивается» расширением, и мы больше не можем его видеть (так как длины волн увеличиваются). По этой причине, а также потому, что звезды есть не везде или их свет еще не успел достичь Земли, ночью не так светло, как днем.

Космос – это не «ничто». Он не постоянный и не неизменный, а гибкий, изменчивый и динамичный. Этот факт – одно из самых невероятных открытий. Однако это трудно проиллюстрировать, поскольку в повседневной жизни мы этого никак не замечаем. Тем не менее, человеческий мозг оказался достаточно изобретательным – по крайней мере, у некоторых ученых – чтобы осознать эту идею, обработать ее математически… и, наконец, даже подтвердить ее физическими данными!

Если представить себе пространство как тесто, а скопления галактик – как изюминки, то расширяющаяся Вселенная будет напоминать поднимающееся тесто для пирога, в котором все изюминки отдаляются друг от друга.

В 1915 году Альберт Эйнштейн в общей теории относительности описал, как искривляется пространство в присутствии материи или энергии. Он также понял, что пространство и время – это не сцена, на которой все происходит. Скорее, они образуют единое целое. Они играют активную роль в космической драме как так называемый пространственно-временной континуум. Это понимание стало революционным. В последующие годы Эйнштейн и другие исследователи открыли, что пространство не является статичным, стабильным и неподвижным, а должно расширяться (или сжиматься) как единое целое.

Это был неожиданный вывод. Едва ли тогда кто-то воспринял это всерьез, даже сам Эйнштейн. Но вскоре астрономы обнаружили веские доказательства этого явления. В частности, измерения, проводимые Эдвином Хабблом с 1929 года, показали, что почти все галактики удаляются от Млечного Пути. И чем дальше они находятся, тем быстрее они движутся. Но это не значит, что Млечный Путь является центром огромного взрыва, от которого все разлетается. Напротив, это явное свидетельство того, что все наблюдаемое пространство расширяется. Само пространство расширяется и раздвигает галактики. Это похоже на дрожжевое тесто для пирога: когда оно поднимается в духовке, расстояние между изюминками увеличивается.

Вселенная как воздушный шар

Проявив немного воображения, каждый сможет сделать вторую модель расширяющейся Вселенной: взять мелкий сахар, посыпать им мокрый воздушный шар и надуть его. Сахарные крупинки могут символизировать скопления галактик, а поверхность воздушного шара – космос. Расширение резиновой оболочки при этом соответствует расширению пространства. Сахарные крупинки будут отдаляться друг от друга. С точки зрения каждой крупинки будет создаваться впечатление, будто она находится в центре воображаемого взрыва, а все частицы вокруг нее разлетаются в стороны. Но это оптическая иллюзия, потому что такое же впечатление создается с точки зрения любой другой крупинки сахара. На оболочке воздушного шара вообще нет центра – все движется в противоположных направлениях, как во Вселенной.

Конечно, это сравнение некорректно во многих отношениях. Воздушный шар образует гладкую поверхность, а пространство имеет три измерения. Никто не знает, является ли оно шарообразным или бесконечно велико.

Пространство расширяется, и галактики удаляются друг от друга подобно точкам на поверхности надуваемого воздушного шара. В ходе этого процесса вещество разбавляется.

Воздух надувается в воздушный шарик извне, а Вселенная не получает никакой энергии или чего-либо еще снаружи, а расширяется сама по себе. Однако воздушный шар надувают в помещении или на открытом воздухе. Вселенная же не расширяется в другое пространство, а скорее растет «внутренне» – идея, которая неизбежно выходит за рамки повседневного понимания вещей.

Если бы Вселенная имела положительную кривизну, то ее объем был бы конечным, но она не имела бы границ. Это можно представить, используя аналогию с поверхностью воздушного шара: на этой поверхности двумерный, «плоский» жук вернулся бы в исходную точку, если бы упорно полз прямо вперед.

Это увеличение объема происходит в огромных пустых пространствах между скоплениями галактик. Внутри галактик, которые удерживаются вместе гравитацией своих звезд и газовых масс, расширения не происходит. Так что вы не станете толще за одну ночь только потому, что пространство расширяется. Каждую секунду наблюдаемая Вселенная приобретает объем целой галактики!

У воздушного шара также есть центральная точка, расположенная внутри. В космосе картинка совсем иная. Если мысленно прокрутить событие в обратном порядке – или просто выпустить воздух из шарика – резиновая оболочка сожмется. В модели точка, до которой оболочка идеально сокращается, соответствует Большому взрыву. Это была отправная точка, а не тот хлопок, который раздается, когда надуваешь шарик так сильно, что он лопается.

Но эта точка – не единственная отправная точка расширения! Большой взрыв был не местом, из которого все возникло, а скорее самим началом космоса. Если рассматривать это с такой точки зрения, то Большой взрыв произошел повсюду – даже прямо у нас под носом.

Расширяющаяся Вселенная подобна надуваемому воздушному шару.

Расширяющаяся резиновая оболочка соответствует растущей Вселенной, а ее увеличивающееся расстояние от внутреннего центра соответствует времени, прошедшему с момента Большого взрыва.

Большой взрыв был не событием в космосе, которому можно было бы воздвигнуть памятник, а процессом создания пространства.

Граница прошлого

Научная карьера Стивена Хокинга началась очень стремительно. Его докторская диссертация

Если математически проследить расширение пространства в обратном направлении, то есть выпустить воздух из воздушного шара Вселенной, вы неизбежно придете к точке, где дальше сдувать уже не сможете: математические уравнения имеют здесь так называемую сингулярность. Энергия, температура, плотность и кривизна пространства становятся там бесконечными, тогда как само пространство и время становятся нулевыми. Все известные законы природы теряют свою силу. Научные утверждения больше невозможны. Сингулярность оказывается непредсказуема.

Космологи предполагали, что Большой взрыв был (или стал продолжением) странной сингулярности, еще до того, как Хокинг начал свои исследования. Однако многие физики не хотели принимать это неопределимое начало и выдвигали различные возражения: они утверждали, что сингулярность – это всего лишь результат неудачно выбранных координат. Можно говорить о сингулярности земного шара на Северном и Южном полюсах, поскольку там пересекаются линии долготы. Но законы физики не могут быть абсурдными. Более того, критики утверждали, что ничто не может сжиматься сколь угодно сильно – в какой-то момент противодавление обязательно возобладает. И если Вселенная вращается, что не было ни доказано, ни опровергнуто, то возникающие при этом силы могли бы предотвратить формирование сингулярности. Более того, Вселенная могла расширяться неравномерно. Тогда, если бы кто-то проследил это во времени, могло бы оказаться, что не все сошлось в одной точке и не было никакой сингулярности.

Полюса на земном шаре обладают «сингулярностью» долготы, но это всего лишь свойство системы координат.

Но ни одно из этих возражений не было достаточно обосновано! Принимая во внимание даже общие законы классической физики, сингулярность Большого взрыва невозможно исключить или полностью опровергнуть. Это, вероятно, самый важный результат докторской диссертации Хокинга, которую он завершил в Кембриджском университете в 1966 году. И это сразу же сделало его известным в профессиональных кругах.

Хокинг был не одинок. Его идеи основывались на гениальной работе Роджера Пенроуза (который был удостоен за это Нобелевской премии по физике в 2020 году; если бы Хокинг был жив, он получил бы ее вместе с Пенроузом). Совместно со своим научным руководителем Деннисом Скиамой и Пенроузом, который был вторым рецензентом его диссертации, а также другими физиками Хокинг продолжал свое исследование вплоть до 1970 года. Оказалось, что при всей абсурдности идеи сингулярность просто неизбежна. Это понимание имело огромное значение, как неоднократно подчеркивал сам Хокинг.

Таким образом, теоремы Хокинга и его коллег о сингулярностях стали важным теоретическим прорывом. Они установили временной предел познаний. Тем не менее, этот предел не является непреодолимым, а наоборот, продолжает оставаться стимулом и трамплином для новых идей космологов. Самая сложная задача – найти путь за этот порог или обойти его. В противном случае Большой взрыв навсегда останется непознанным.

«Большой взрыв» «Большому взрыву» рознь

Ситуация вызвала некоторую путаницу не только с точки зрения физики как таковой, но и в понимании термина. Можно выделить по крайней мере следующие шесть значений термина «Большой взрыв»:

■ Мгновенное создание всей материи: такова была идея космолога Жоржа Леметра, который в 1931 году предположил распад «первичного атома» в начале расширения Вселенной. Астроном Фред Хойл раскритиковал эту идею, употребив в научно-популярной британской радиопрограмме 28 марта 1949 года негативный термин «Большой взрыв». Это был фактический прорыв «Большого взрыва» – не как теории, а как термина, который с тех пор вошел в общее употребление. Хойл был убежден в непрерывном создании новой материи в расширяющемся пространстве.

■ Импульс расширения: загадочная сила или импульс расширения пространства. В этом смысле космологи в Кембридже уже говорили о «взрыве» в 1930-х годах, включая Артура Эддингтона, который, однако, счел это неправдоподобным. Хойл взял этот термин и переосмыслил его.

■ Горячая, плотная ранняя фаза нашей Вселенной: здесь легкие элементы образовались в течение нескольких минут (более тяжелые образовались гораздо позже в звездах). Тот факт, что наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва в этом смысле слова, теперь принимается почти всеми космологами, вопреки предубеждениям Хойла.

■ Начальная сингулярность: тот самый момент времени, в котором известные законы природы рушатся. Из этого не следует, что этот математический предел действительно имеет физический эквивалент. Прежде всего, сингулярность просто означает невозможность научного описания природы с помощью общей теории относительности.

■ Абсолютное начало пространства, времени и энергии: такие модели Большого взрыва обозначают самый первый момент, с которого все началось.

■ Начало нашей Вселенной: это не обязательно начало «всего», а только нашей материи, энергии и, возможно, пространства-времени. Тогда наша Вселенная не возникла бы из «ничего» и, вероятно, была бы лишь одной из многих. Таким образом, «наш» Большой взрыв был бы просто резким переходом. Что-то существовало раньше и, возможно, «всегда».

Это многообразие значений никак не объясняет, что же произошло на самом деле. Основной вопрос о начале всего сущего прослеживается во всех концепциях «Большого взрыва».

Вопросы

1. Что такое световой год?

◻ а. Указание времени в астрономии

◻ б. Мера расстояния в пространстве

◻ в. Фундаментальная природная константа

2. Что такое сингулярность?

◻ а. Одинокий астроном

◻ б. Появление материи, согласно общей теории относительности

◻ в. Математический объект

3. Насколько велика наблюдаемая Вселенная?

◻ а. Радиус 13,8 миллиарда световых лет

◻ б. Радиус около 46 миллиардов световых лет

◻ в. Бесконечна

4. С кем Хокинг проводил исследования, будучи студентом?

◻ а. Альберт Эйнштейн

◻

◻ в. Деннис Скиама

5. Что сформулировал Хокинг в своей докторской диссертации?

◻ а. Теорема о существовании сингулярности

◻ б. Теория Большого взрыва Вселенной

◻ в. Доказательство расширения пространства

Ответы: 1б, 2в, 3а, 4в, 5а

Экспедиция в воображаемое

Первая доля секунды Вселенной – великая загадка. Но многие аспекты состояния материи и того времени стали доступны исследователям: с помощью гигантских ускорителей частиц они имитировали экстремальные физические условия, которые когда-то были повсюду в космосе. Однако самое начало всего так и остается недостижимым даже для самых сложных экспериментов. Если это вообще реально, то исследовать его можно только с точки зрения научных теорий, которые, конечно, должны быть каким-то образом доказаны и обоснованы. Есть надежда, что космические окаменелости могут быть изучены опытными исследователями.

Стивену Хокингу и его коллегам удалось обнаружить следы в послесвечении Большого взрыва, а в некоторых случаях даже предсказать их существование еще до того, как их смогли измерить. Но это еще не все: Хокинг и его коллеги хотят понять начало мира и выяснить, что было до Большого взрыва. Имеет ли время на самом деле начало или оно само произошло из таинственной вечности?

Конечная точка физики?

Если бы мы повернули колесо времени вспять, то увидели бы, как вся Вселенная возникла из одной точки. Но эта сингулярность угрожает современной науке и принуждает ее к капитуляции. Здесь терпят неудачу физика и космология, основанные на теории относительности Эйнштейна. Но это ещё не говорит об истинной природе Вселенной, а лишь о представлениях ученых. Если бы эти представления можно было поправить и расширить, это стало бы шансом понять, как произошел Большой взрыв.

Ключевые вопросы таковы: является ли сингулярность Большого взрыва «реальным» препятствием для наших научных познаний и тупиком всех объяснений? Или это всего лишь промежуточный результат незаконченной теории, который можно устранить с помощью более прогрессивной теории?

Сингулярность «свернутого» пространства-времени перед Большим взрывом не является состоянием, объектом или частью природы, но в лучшем случае абстрактным объектом физической теории. Таким образом, сингулярности – просто сигнал окончания действия области применимости общей теории относительности. Но это еще не препятствие для исследований, а скорее преимущество. Становится очевидной ограниченность наших знаний в рамках теории относительности. С научными теориями такго, как правило, не происходит.

Предположения, альтернативы и последствия

Доказательства сингулярностей Хокинга основаны на трех общих и весьма правдоподобных условиях:

■ Гравитация должна быть достаточно сильной, чтобы не допустить выхода чего-либо за пределы ограниченного пространства (например, черной дыры).

■ Причины всегда должны предшествовать следствиям.

■ Скорость звука в каком-либо месте не может быть выше скорости света в этом месте. Не существует отрицательной массы или плотности энергии.

Это означает, что, по мнению Хокинга, сингулярностей кривизны можно «избежать», если хотя бы одно из этих условий не выполняется. В принципе, существует несколько способов обойти теоремы сингулярности. И для всех них уже разработаны прекрасные модели:

■ «Начало» всего на самом деле было временной петлей, циклическим временем. Или время изменило направление в момент Большого взрыва, что бы это ни значило.

■ Наши представления об энергии и материи неполны, поэтому Вселенная может простираться в бесконечное прошлое, или Большой взрыв мог возникнуть из некоего вневременного состояния.

■ Теория относительности неприменима к Большому взрыву, поскольку, например, время больше не является непрерывным, а лишь идет вперед отдельными шажками или даже растворяется.

Вселенная без границ

Поначалу Хокинг поставил своего рода стоп-сигнал для космологических объяснений своими доказательствами сингулярности. Однако позже он смог проехать мимо этого тупика в физике без остановок. В 1981 году у него возникла идея, которую он назвал «безграничным состоянием Вселенной», и он развил ее совместно с Джеймсом Хартлом. В принципе, это должно было позволить рассчитать физическое состояние Вселенной без уравнений, содержащих сингулярность и разбивающихся об нее!

Хокинг решил эту сложную проблему. Космологи спорят о том, является ли его решение разумным и убедительным с точки зрения физики. Неясно, верно ли идея Хокинга описывает Вселенную. В ее пользу говорит доказательство того, что сингулярность Большого взрыва не обязательно должна быть последним словом в исследовании.

Тяжёлая тема даже для Хокинга.

Космологи любят иллюстрировать расширяющуюся Вселенную с помощью своего рода воронки, увеличение размеров которой символизирует расширение Вселенной. Внизу, в самом узком месте, она обрезана. Этот край, граница, символизирует сингулярность. Если представить себе воронку, сужающуюся в точку, то эта точка и будет представлять собой сингулярность.

Условие безграничности Хокинга гласит, что Вселенная не имеет края, границы или сингулярности. Вместо этого твердый край или острый кончик закруглены, то есть заменены полусферой, как у воланчика. Самое главное при этом заключается в том, что эта полусфера, известная на языке физиков как инстантон, имеет четыре пространственных измерения.

«Предельное условие Вселенной заключается в том, что она не имеет пределов».

Согласно общей теории относительности, во Вселенной существует зловещая сингулярность Большого взрыва (слева). Хокинг и его коллеги это доказали. Позднее ему удалось заменить этот математический артефакт так называемым инстантоном[2] с мнимым временем.

Математический трюк Хокинга заключался в том, чтобы придать пространственное измерение времени. Он назвал это мнимым временем. То, что неспециалистам кажется почти магией, на самом деле основано на надежной и нисколько не противоречивой математике. Мнимые числа уже зарекомендовали себя в традиционной физике, особенно в квантовой теории. С мнимым временем сингулярность исчезает, хотя бы чисто математически. Поэтому инстантон не имеет предела, границы в

Мнимое время подобно часам без стрелок, четырехмерной абстракции.

И как законы природы действуют на Южном полюсе, так же должно было произойти и во время Большого взрыва. Таким образом, модель инстантона Хокинга позволяет избежать утомительного вопроса о том, что произошло до Большого взрыва.

Откуда идет время?

Предположение Хокинга о Вселенной без границ стало прорывом и было подхвачено многими исследователями. Однако у этой идеи есть и слабые стороны.

Вселенная с сингулярностями в Большом взрыве и «финальном взрыве» сравнима с пересечением долгот на полюсах Земли. Но в реальности законы природы не могут действовать вне системы. Поэтому космологи ищут модели, свободные от сингулярности. Хокинг предлагал нечто подобное. Его модель была основана на введении мнимого времени, которое перпендикулярно привычному реальному времени и, подобно широтам на земном шаре, не имеет сингулярности.

Большую трудность представляет интерпретация мнимого времени и переход от него к обычному времени. Четырехмерная пространственная полусфера инстантона с точки зрения математики прекрасно сочетается с пространственно-временной воронкой расширяющейся Вселенной. Но что означает подобное описание для реальности? Как из безвременья возникло время?

Этот вопрос остается без ответа по сей день. А может быть, и сам вопрос поставлен неверно. Независимо от конкретной модели остается неясным, что на самом деле означает «начало времени». Потому что время не началось, подобно началу концерта, с нулевой точки времени – не было никакого «до», а значит, и момента начала. Поэтому пытаться выяснить, что было до Большого взрыва, было бы бессмысленно, так же, как спрашивать, кто является матерью клуба, даже если у каждого его участника есть мать. Поэтому некоторые вопросы излишни подобно вопросу о том, как долго человек играет в шахматы, если он никогда не изучал правила. Как или почему произошел Большой взрыв или первый момент – это то, что мы хотели бы знать, и по аналогии с основанием какой-то ассоциации такой вопрос имеет смысл и на него можно ответить.

Кроме того, тут возникла гораздо более конкретная проблема: астрономические измерения больше не соответствовали первоначальной модели Хокинга. В 1997 году совместно с Нилом Туроком он сформулировал еще одну, хотя и не особенно реалистичную, модель, которая также имеет математическое инстантонное решение с мнимым временем. Однако вскоре новые данные опровергли и это предположение.

Может ли время иметь два противоположных направления?

Мост в настоящее

Хокинг не сдался. С 2007 года совместно с Джеймсом Хартлом и Томасом Хертогом он разработал новую модель инстантона для объяснения Большого взрыва. Здесь инстантон представляет собой своего рода «мост» междуколлапсирующей[3]предшествующей вселенной и нашим расширяющимся пространством. Соответственно, Большой взрыв был бы не абсолютным началом, а переходом. В космологии это называется «bounce», что на русский язык можно перевести как «отскок»[4], «поворот» или даже «первичный взмах». Важно: отскок не проходит через сингулярность.

Если Большой взрыв действительно был скачком, то возникает вопрос: что произошло до этого? Мы, вероятно, никогда этого не узнаем. Но, возможно, следы предшествующей Вселенной все еще существуют в космосе (запечатленные, например, в так называемом гравитационно-волновом фоне или в космическом фоновом излучении первого света). Модели других космологов, также описывающих Большой взрыв как переход, говорили об этом и ранее.

В последней космологической модели Хокинга инстантон Большого взрыва представляет собой переход от коллапсирующей предшествующей Вселенной к расширяющейся Вселенной сегодня. До «отскока» время, как ни странно, могло двигаться в противоположном направлении.

Хокинг и его коллеги скептически относятся к подобным космическим окаменелостям. Во-первых, крайне сложно интерпретировать природу описания инстантона, поскольку инстантон имеет только мнимое время. Более того, Вселенная, коллапсирующая из бесконечного прошлого, была бы столь же загадочной, как и та, которая имела абсолютное начало, потому что в конечном итоге ее происхождение было бы столь же необъяснимым.

Однако когда Хокинг с коллегами решили свои уравнения и выполнили приблизительные вычисления на компьютере, они столкнулись с сюрпризом: направление времени в предшествующей Вселенной оказалось противоположным направлению времени в нашей Вселенной. Поэтому события на одной стороне не окажут никакого влияния на другую. Это как песочные часы, бегущие в обоих направлениях одновременно.

В своих публикациях Хокинг, Хартл и Хертог пишут, что существует определенная вероятность того, что Большой взрыв был скачком. Трудно сказать, столкнулись ли две противоположные по времени Вселенные или же предыдущая Вселенная изменила свое временное направление и стала нашей. Возможно, что обе Вселенные перешли из состояния безвременья в состояние существования и эволюционировали отдельно друг от друга. Новая модель мира по-прежнему затрагивает множество фундаментальных вопросов. И они существенно зависят от того, что такое время на самом деле.

«Наши шансы получить сообщение от существ по ту сторону границы не больше, чем шансы отправить сообщение назад во времени, чтобы предотвратить события, которые позже имели бы неприятные последствия».

Первый свет

Спустя 100000 лет после Большого взрыва в любой точке космоса температура была выше, чем на поверхности Солнца. Когда же температура опустилась ниже 4000 градусов, стремительно движущиеся электроны были пойманы атомными ядрами. Так образовались первые атомы. В то же время Вселенная стала прозрачной, и свет смог свободно распространяться. Раньше он постоянно рассеивался, поглощался и переизлучался материей, как это происходит и сейчас внутри звезд, где фотонам требуется более 100000 лет, чтобы добраться из центра до поверхности.

Этот самый первый свет и сегодня заполняет космос в виде фонового космического излучения: в настоящее время в каждом кубическом сантиметре содержится около 440 фотонов (частиц света). Они были выпущены примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. В настоящее время они располагают только энергией микроволн, т. е. коротковолнового радиоизлучения. Но разогреть суп на нем не получится, потому что это излучение имеет температуру минус 270 градусов по Цельсию. Так вот какова температура космоса! (Вряд ли может быть намного холоднее, поскольку температура останавливается на

Вселенная стала прозрачной, т. е. проницаемой для излучения, после того, как она остыла достаточно, чтобы атомные ядра захватили свободные электроны и таким образом образовали атомы.

Реликтовое излучение наряду с доказательствами расширения пространства и открытиями физики элементарных частиц является важнейшим доказательством Большого взрыва. На самом деле ученые, поддерживавшие теорию Большого взрыва, предсказали существование реликтового излучения еще до того, как оно было впервые измерено в 1964 году. Само небо может рассказать, как оно возникло.

И что еще лучше: в этом отголоске Большого взрыва содержатся скрытые послания. Реликтовое излучение не совсем однородно, а содержит незначительные колебания температуры, составляющие всего несколько сотых и даже тысячных градуса. Они образуют на первый взгляд скучный узор из точек, который, однако, завораживает исследователей, потому что эти пятна отражают неровности первичной материи. Там, где реликтовое излучение холоднее (!), там когда-то было немного больше горячей плазмы. За прошедшие миллиарды лет эти уплотнения привели к образованию крупных структур в космосе. Реликтовое излучение представляет собой своего рода детскую фотографию молодой Вселенной, а разница температур отображает зародышевые клетки более поздних галактик и скоплений галактик.

Изображение космического младенца: мелкозернистый рисунок пятен показывает крошечные перепады температур по всему небу. Они возникают из-за неравномерного распределения материи вскоре после Большого взрыва.

Характер распределения температурных колебаний напоминает космический отпечаток пальца. А космологи – детективы, которые могут использовать эту информацию для создания профиля нашей Вселенной. Эту модель можно использовать для расчета фундаментальных характеристик Вселенной: ее возраста, плотности, состава, скорости расширения и т. д.

Эта информация чрезвычайно важна для формулировки и проверки космологических гипотез. Хокинг и его коллеги также активно участвовали в этом соревновании между конкурирующими моделями мира. Пока еще не все детали реликтового излучения стали известны. Поэтому исследователи пытаются вывести из своих идей прогнозы, которые можно будет проверить с помощью будущих измерений. Это чрезвычайно сложный вопрос, ведь некоторые модели уже были опровергнуты. С другой стороны, новая модель инстантона Хокинга все еще находится в стадии разработки.

Плоский мир

Хотя теория Большого взрыва в настоящее время полностью подтверждена, она все еще оставляет много вопросов без ответа и проблем без решения. Неясно, что на самом деле вызвало Большой взрыв, откуда взялись элементарные частицы и что сделало пространство таким большим. На самом деле изначальная теория Большого взрыва посвящена не самому Большому взрыву, а его последствиям. Есть и другие моменты, которые стали очевидны еще в 1960-х и 1970-х годах. В 1973 году Хокинг указал на чрезвычайно маловероятную «плоскость» пространства, то есть на тот факт, что в больших масштабах оно совсем или почти совсем не искривлено. Например, если бы оно было положительно «изогнуто», как поверхность воздушного шара, его, безусловно, можно было бы измерить. В школьной геометрии сумма углов треугольника на плоском листе бумаги составляет 180 градусов. С другой стороны, треугольники на сфере, например, на земном шаре, один угол которого находится на Северном полюсе, а два – на экваторе, имеют большую сумму углов. Поверхность Земли не плоская, а изогнутая, даже если вы обычно не замечаете этого во время короткой воскресной прогулки или на паркетном полу бального зала. В космосе сумма углов гигантских треугольников также может быть измерена.

Кривизна Вселенной зависит от плотности материи и энергии в ней. Соответственно изменяются и суммы углов треугольников. Измерения показали, что наблюдаемая Вселенная практически не искривлена. Это удивительно и требует объяснения.

Результат: 180 градусов (погрешность измерения менее одного процента). Это удивительно, потому что без специальных предположений эта «плоскостность» крайне маловероятна. (Малейшие отклонения от плоского пространства сразу после Большого взрыва быстро усиливались бы из-за расширения Вселенной; следовательно, плоскостность была либо странным начальным условием, либо создана неизвестным механизмом.)

Хокинг был очень удивлен такой плоскостью. Однако в научной статье, написанной совместно с Барри Коллинзом, он подчеркнул, что в сильно искривленной Вселенной вообще не было бы звезд, а значит, и людей, которые могли бы им удивляться. Потому что тогда пространство либо расширилось бы так быстро, что материя была бы полностью рассеяна, либо оно бы снова сжалось и поглотило само себя в финальном взрыве.

Другая связанная с этим проблема – это вопрос о том, почему Вселенная в целом и во всех направлениях выглядит столь однородной. Все эти задачи можно решить одним неожиданным способом: сценарием космической инфляции.

Как Вселенная стала большой

Термин «инфляция» пространства (от латинского «inflare» – «раздувать») не имеет ничего общего с обесцениванием денег, происходящим во время политических или экономических кризисов. Напротив, принято говорить, что природа создала все практически из ничего, при этом, так сказать, безвозмездно, т. е. без нарушения закона сохранения энергии.

Согласно модели космической инфляции, в первую долю секунды после Большого взрыва произошла фаза быстрой инфляции. В результате Вселенная, как говорят, внезапно стала больше. Сегодня пространство кажется локально «плоским», даже если бы оно было глобально искривлено.

Из-за космической инфляции пространство расширилось за доли секунды до гигантских размеров. До сих пор трудно сказать, как долго потом продолжалось это расширение, мнения в этом вопросе различаются в зависимости от теории. (Популярная модель: за невероятно короткий промежуток времени в 10“30 секунд молодая Вселенная расширилась в 1030 раз – это как если бы 10-центовая монета вдруг стала в десять миллионов раз больше Млечного Пути). Инфляция привела к тому, что объем пространства удвоился 50 раз, поскольку в противном случае Вселенная не обладала бы

Хотя на первый взгляд кажется, что инфляция нарушает сразу два закона природы, это не совсем так. С одной стороны, закон сохранения энергии не подразумевает создание энергии (или массы) из ничего. Но есть лазейка в виде так называемой отрицательной энергии. Сюда входит и энергия гравитационного поля. Отрицательная энергия гравитации и положительная энергия излучения и материи уравновешивают друг друга, поэтому общая энергия сохраняется. К тому же согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но это относится только к обычным частицам в космосе. Однако во время инфляции само пространство расширялось быстрее скорости света. И это не только не противоречит теории относительности, но и объясняется ею.

Космическая инфляция сделала наблюдаемое пространство не только большим, но и однородным и не искривленным. Его можно сравнить с мятой и скомканной футболкой из стиральной машины: если ее быстро растянуть, она снова станет большой и плоской, а складки исчезнут.

Самый большой из самого маленького

Первые модели космической инфляции были сформулированы в 1979 году. Хокинг внимательно следил за исследованиями и сам быстро включился в них. В 1982 году он опубликовал статьи по этой теме, одну из них в соавторстве со своим учеником Яном Моссом. Он исследовал вопрос, как могли возникнуть небольшие нарушения в распределении энергии в очень молодой Вселенной. Это стало началом новой области исследований, связывающей микро- и макромиры. Согласно им, небольшие квантовые флуктуации – неизбежные колебания энергии и материи, которые, согласно квантовой физике, присутствуют повсюду – впоследствии были раздуты инфляцией до огромных изменений плотности в первичном газе. И именно их «отпечаток» проявляется в виде небольшой разницы температур в космическом фоновом излучении. Самые крупные – сверхскопления галактик – возникли из самых маленьких, можно даже сказать, микроскопических квантовых эффектов.

Поначалу эти идеи казались незрелыми. Но в ходе трехнедельного семинара в Кембридже, организованного совместно с Хокингом в середине 1982 года, были разработаны детали. Это была одна из самых влиятельных конференций в истории космологии. И действительно, десятилетие спустя спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer) зафиксировал первые признаки этих температурных колебаний. Это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике в 2006 году. Температурные закономерности теперь нанесены на карту очень точно – триумф науки!

Рождение материи

Что именно вызвало и остановило инфляцию, до сих пор остается неясным. Для простоты используется термин для основного физического состояния «ложный вакуум». В нем преобладало по крайней мере одно энергетическое поле:инфлатонное[5].Затем он спонтанно распался – образовался «настоящий вакуум», новое состояние, в котором наша Вселенная находится до сих пор. Это звучит сложнее, чем есть на самом деле. Доказано, что подобные фазовые переходы происходили и позднее, и они достаточно хорошо изучены в физике элементарных частиц.

Существовал ли инфлатон или подобный ему механизм на самом деле, еще неизвестно. В конце концов, в последней модели мира Хокинга инфляция, по-видимому, происходит «естественным образом». Расчеты показывают, что вероятность длительной космической инфляции в новойинстантонной[6]модели весьма высока.

Инфляция не только сделала наш мир большим, тем самым создав простор для всего остального, но и доставила, так сказать, до двери все составляющие: в конце инфляции энергия разрывающегося инфлатонного поля преобразовалась в каскад элементарных частиц при переходе от «ложного» к «реальному» вакууму. Это и было рождение материи.

Вечная инфляция и Мультивселенная

В рамках этой теории инфляция не является частью модели Большого взрыва, но Большой взрыв является частью сценария космической инфляции. И все становится еще более радикальным: инфляция, вероятно, остановилась не во всем космосе одновременно, а в разных местах в разное время. Тогда был не один – наш – Большой взрыв, в результате которого была создана материя, а было сразу огромное количество. Любой Большой взрыв должен был привести к образованию уже не инфляционно расширяющегося космического пузыря, а отдельной Вселенной.

Космологи предполагают, что наша Вселенная – лишь одна из многих, возникших из ложного вакуума. Расширение отдельных пузырьковых Вселенных происходит гораздо медленнее, чем расширение ложного вакуума между ними.

Поэтому пропорции на рисунке очень условные: пузырьки гораздо меньше и расположены дальше друг от друга.

Этот процесс похож на кипение воды, при котором выделяются пузырьки газа. Однако все космические пузыри оказываются разделенными неизмеримо большими расстояниями, которые все еще находятся в процессе инфляции. Инфляция в целом, вероятно, никогда не прекратится и будет продолжаться вечно. Время от времени повсюду возникают новые пузыри-Вселенные. Но их объем и темпы расширения ничтожны по сравнению с постоянно раздувающейся средой.

Таким образом, космос должен состоять не из одной Вселенной, а из невообразимого их количества, контакт между которыми, весьма вероятно, невозможен. Совокупность всех Вселенных называется мультивселенной.

Хокинг изначально скептически отнесся к этому сценарию вечной инфляции. Однако позже он не только принял ее, но и вписал в свою собственную модель мира. Он размышлял о космических условиях за горизонтом нашей наблюдаемой Вселенной.

Законы природы и константы в каждом пузырьке могут быть совершенно разными. Даже число измерений может быть разным. Есть версия, что все возможные физические условия где-то становятся реальностью. В большинстве пузырей-Вселенных, вероятно, не будет ни звезд, ни планет. Но если все возможное действительно существует, то не стоит удивляться, что мы существуем во Вселенной, благоприятной для жизни.

Этот аргумент был назван«антропным принципом»[7]в 1973 годуБрэндоном Картером,который в середине

1960-х годов работал в одном офисе с Хокингом в Кембридже. Хокинг использовал его для оценки различных эволюционных теорий Вселенной в своих космологических моделях, чтобы иметь возможность делать выводы «из настоящего в прошлое» (на конференции 2003 года в Университете Дэвиса в Калифорнии, которую автор также посетил, Хокинг назвал это «Космологией сверху вниз») и чтобы понять особую форму наших естественных

Если все физически возможное в мультивселенной реально, то возникает вопрос создания проверяемых научных предположений и поиска объяснений. В своей последней космологической работе, опубликованной посмертно в 2018 году, Хокинг совместно сТомасом Хер-тогомпредположил, что большинство Вселенных с другими естественными законами и константами, вероятно, быстро разрушатся, и только те, которые физически похожи на нашу, будут существовать долгое время. Тогда наша Вселенная могла бы быть типичной, и ее свойства могли бы быть научно объяснены.

Однако вечная инфляция мультивселенной не решает сложную проблему начала мира. Если инфляция является движущей силой Большого взрыва, то космологи все еще ищут ту самую спичку, которая «зажгла» инфляцию. Вот почему гипотезы, подобные инстантонной модели Хокинга, необходимы, даже если их никогда не удастся проверить с помощью астрономических измерений. Мысли простираются за пределы всего видимого.

Вопросы

1. На чем основаны теоремы Хокинга о сингулярностях?

◻ а. Инстантон (евклидово четырехмерное пространство)

◻ б. Причинность (причинно-следственная связь)

◻ в. Временные петли (замкнутые времяподобные кривые)

2. Что является частью безграничного условия Хокинга?

◻ а. Мнимое время

◻ б. Инфляция

◻ в. Сингулярности

3. Когда возникло реликтовое излучение?

◻ а. В первую секунду

◻ б. Около 380 000 лет после Большого взрыва

◻ в. 13,8 миллиардов лет после Большого взрыва

4. Что Хокинг не предсказал?

◻ а. Колебания температуры в фоновом излучении

◻ б. Космическую инфляцию, запущенную инстантоном

◻ в. Что сингулярность объясняет Большой взрыв

5. Что объясняет космическая инфляция?

◻ а. Происхождение времени

◻ б. Однородность и плоскостность Вселенной

◻ в. Подавление квантовых флуктуаций

Ответы: 1б, 2а, 3б, 4в, 5б

Падающая гравитация

Речь идет об одновременно самых тяжелых и самых простых объектах в мире: о черных дырах. И это не преувеличение, а нечто удивительное и крайне странное. Зловещие гравитационные ловушки содержат в себе столько массы в маленьком пространстве, что даже свет не может вырваться наружу. Поэтому они совершенно невидимы. Тем не менее, эти бездонные ямы в космосе дают о себе знать косвенно: своей гравитацией, предсмертным криком падающей в них материи и своими гравитационными волнами, которые буквально заставляют пространство дрожать. Используя эти призрачные вибрации, физики теперь смогут совершенно по-новому исследовать черные дыры, а вскоре и темные сердца галактик. Два предсказания Стивена Хокинга уже подтвердились.

Основы

Черные дыры абсолютно черные, потому что они не испускают никакого света или другого излучения. И они в некотором смысле являются «дырами» в пространстве, но это не следует понимать буквально. Черные дыры позволяют нам заглянуть в глубины Вселенной и глубже понять реальность. Без черных дыр Вселенная развивалась бы совершенно иначе или, возможно, вообще не возникла бы в результате Большого взрыва, и люди также не существовали бы.

Черные дыры (слева) – это космические пути в один конец, которые не позволяют ничему избежать чар их гравитации. Неясно, какая ужасная судьба ждет их жертву в центре. Некоторые физики предполагают, что может существовать некий запасной выход – белая дыра, из которой все вырывается.

У черных дыр «нет волос», то есть нет индивидуальных свойств, кроме массы, момента импульса и электрического заряда. Все остальные характеристики поглощенной материи и энергии, похоже, исчезают навсегда.

Черные дыры – это, без преувеличения, и самая простая, и самая «весомая» вещь на свете. Эти странные небесные тела тяжелы, потому что их гравитация настолько велика, что ничто не может вырваться из них. Это не материя и не излучение, их скорость равна скорости света, но не бесконечно велика. Черные дыры просты, потому что для их полного описания нужны всего три параметра: масса, момент импульса и электрический заряд. По крайней мере, именно это следует из общей теории относительности. Масса показывает, насколько «тяжела» черная дыра; момент импульса – скорость вращения вокруг своей оси; а электрический заряд фактически равен нулю, поскольку положительные и отрицательные заряды обычно уравновешивают друг друга. Проще не бывает, по крайней мере, в физике.

Ни один другой объект во Вселенной не может быть полностью описан с помощью столь малого количества данных. Хокинг и его коллеги Брэндон Картер, Вернер Израэль и Дэвид С. Робинсон смогли доказать это в период с 1970 по 1973 год. Термин «черная дыра» был введен Джоном Уилером в 1967 году. А поскольку все черные дыры похожи друг на друга, как бритоголовые солдаты в форме, он в шутку назвал это «Гипотезой об отсутствии волос». Поэтому мы никогда не можем знать, что поглотила уже черная дыра.

Прожорливые ямы и творческие силы

Черные дыры – это не плод воображения. Астрономы еще с 1960-х годов считают, что их много в космосе. Хотя сами черные дыры

Так называемые звездные черные дыры – это остатки мертвых звезд. Обычно они не большеБоденского озера[8]и содержат массу от трех до ста солнц. (Масса Солнца эквивалентна примерно двум миллиардам миллиардов миллиардов тонн, что в 330000 раз больше массы Земли.) Астрономы обнаружили несколько десятков черных дыр в Млечном Пути и соседних галактиках. Обычно они являются невидимым компаньоном в двойной звездной системе. Массу невидимого компаньона можно рассчитать на основе измеренного движения нормальной звезды.

Звездные черные дыры имеют радиус от десяти до 300 километров. Некоторые из них вырастают в черные дыры среднего размера, поглощая газ, пыль и целые звезды. Их массы составляют от 100 до миллиона масс Солнца, а радиусы – от 300 до трех миллионов километров. Поэтому многие из них больше Солнца.

Звездные черные дыры действительно легче по сравнению со сверхмассивными черными дырами. Они имеют массу от нескольких миллионов до десяти миллиардов масс Солнца и более и расположены в центре почти каждой галактики. Имея радиус от трех миллионов до 30 миллиардов километров, они могут достигать размеров Солнечной системы. Поскольку на заре существования Вселенной они поглотили невероятное количество материи за короткий промежуток времени, они очень быстро выросли. Это привело к выбросу невероятного количества излучения, которое и сегодня можно наблюдать в телескопы в виде ярких центров молодых галактик на расстоянии миллиардов световых лет. Яркость этихквазаров[9]больше яркости Солнца примерно в 4 триллиона раз. Говоря земным языком, если бы галактика была такой же маленькой, как Берлин, ее активный центр был бы размером с пылинку на Бранденбургских воротах, но эта пылинка сияла бы так же ярко, как все огни большого города, вместе взятые.

Черные дыры – это одновременно и всеразрушаю-щие воронки, и источники колоссального выброса энергии. Когда они поглощают материю, в окружающую среду выбрасывается огромное количество радиации.

Кроме того, создаются интенсивные потоки частиц, которые формируются магнитными полями и часто ускоряются почти до скорости света. Эти потоки обычно выбрасываются далеко в космос, они могут нагревать газовые облака, закручивать их и даже увеличивать или уменьшать скорость образования новых звезд. Это делает черные дыры необычайно креативными: хотя даже самые массивные из них в центрах галактик не могут вырасти больше нашей Солнечной системы, они формируют свое окружение на протяжении тысяч световых лет и таким образом оказывают решающее влияние на развитие своих родительских галактик. Это поразительно, поскольку соотношение размеров галактики и ее темного сердца сопоставимо с соотношением размеров Земли и одного человека.

Коллапс в бездонную яму

Звездные черные дыры являются результатом чрезвычайно бурных процессов в космосе: взрывов выгоревших звезд. Судьба звезд зависит от их массы и состава. Когда их «топливо» заканчивается, они сначала сильно раздуваются, а затем разрушаются. Это происходит тем быстрее, чем больше или тяжелее звезда; лишние расходы приводят к более быстрому разрушению.

Звезды с массой ниже критического предела, то есть легче 1,4 солнечной массы, в конечном итоге сжимаются, образуя белую карликовую звезду. То же самое произойдет и с Солнцем, но только через 7 миллиардов лет, после того как оно, превратившись в красного гиганта, поглотит планеты Меркурий, Венеру и Землю. Белые карлики – то есть «голые» ядра звезд – ненамного больше Земли, но гораздо массивнее. Они имеют плотность более тонны на кубический сантиметр и состоят из так называемой вырожденной материи, в которой атомные ядра сжаты вместе, а свободные электроны прижаты к ним. Наиболее известными примерами белых карликов являются звезды Сириус В и Процион В.

Эволюция звезд зависит главным образом от их массы.

Гигантские звезды, масса которых более чем в 8 раз превышает массу нашего Солнца, взрываются после того, как раздуваются до размеров красных гигантов. За несколько минут они выделяют больше энергии, чем все мирно светящиеся звезды во всей галактике. Такой мощный взрыв называется сверхновой. Внешние слои выгоревшей звезды выбрасываются в космос со скоростью около 1000 километров в секунду. Обломки обогащают космический круговорот материи и могут служить сырьем для образования новых звезд и планет. Земля также частично возникла из пепла таких звездных взрывов. А в метеоритах – камнях, упавших с неба – ученые даже обнаружили следы элементов нескольких сверхновых, остатки которых вошли в состав первичных тел, из них 4,6 миллиарда лет назад образовалась наша Солнечная система.

Однако не вся материя выбрасывается в космос во время взрыва сверхновой. Ядро звезды разрушается под действием собственной гравитации и образует чрезвычайно плотные, компактные остатки. В большинстве случаев это так называемая нейтронная звезда. Как следует из названия, она состоит в основном из электрически нейтральных частиц – нейтронов. Они образовались тысячами, когда электроны были «втолкнуты» в протоны во время ядерного коллапса. Нейтронные звезды имеют диаметр всего около 20 километров и настолько плотны, что чайная ложка их вещества весила бы более 100 миллионов тонн. Весь объем воды пяти Великих озер между Канадой и США можно было бы легко уместить в кухонной раковине, если бы он был сжат так же, как вещество нейтронной звезды.

Если масса ядра звезды превысит определенную величину, коллапс нейтронной звезды не остановится. Даже сильное взаимодействие – самая мощная сила природы, существующая только в субатомном мире – не может противостоять гравитации. Его невозможно остановить, и коллапс материи приводит к бездонной яме: образуется черная дыра. Минимальная масса составляет около трех масс Солнца. Однако масса звезды-прародительницы должна превышать 40 солнечных масс, поскольку большую часть своего вещества она выбрасывает в космос: сначала в виде звездного ветра, а затем при взрыве сверхновой.

Черные дыры представляют собой максимальные уплотнения материи. Больше массы невозможно сконцентрировать в заданном объеме. Размер черной дыры (если она не вращается и не заряжена) зависит только от ее массы m и может быть рассчитана с помощью формулы, выведенной Карлом Шварцшильдом в 1916 году как часть общей теории относительности. Радиус Шварцшильда Rs, названный в его честь, рассчитывается следующим образом: Rs=2Gm/c2, где G – гравитационная постоянная Ньютона, ас – скорость света. Таким образом, для любого объекта, масса которого известна, можно рассчитать, насколько малым он будет, если превратится в черную дыру. Радиус Шварцшильда Солнца составляет чуть менее трех километров, а

Если всю массу Земли сжать в черную дыру, планета оказалась бы размером с маленький стеклянный шарик.

Дальше за горизонт – но куда?

Черные дыры – не только самые простые, но и самые безумные объекты в космосе. Их гравитация настолько велика, что, согласно теории относительности, они могут и искривлять свет, и на определенном расстоянии заставлять его двигаться по круговой орбите вокруг себя. В их среде правое и левое меняются местами, и математически говоря, пространство и время также меняются местами внутри них. Становится невозможным свободно перемещаться в пространстве или оставаться неподвижным на одном месте, все будет неумолимо тянуться к центру, где заканчивается время.

Когда лучи света проходят вблизи черной дыры, они буквально искривляются. На расстоянии, в 1,5 раза превышающем радиус невращающейся черной дыры, свет может даже вечно вращаться вокруг нее по круговой орбите. С еще более близкого расстояния спасения нет.

Внешняя граница черной дыры называется горизонтом событий. (Если дыра не вращается, она напоминает сферу с радиусом Шварцшильда.) Для наблюдателей, находящихся на безопасном расстоянии, время на горизонте событий останавливается. Это гравитационное замедление времени описывается общей теорией относительности. Все, что попадает в черную дыру, не исчезает за горизонтом, если смотреть снаружи, а остается «прилипшим» к нему – как остаточное изображение, которое становится все краснее и тусклее. Вот почему черные дыры когда-то называли замороженными звездами.

С точки зрения самого объекта, падающего в черную дыру, движение продолжается за горизонт событий, вниз, в бездну. Однако столь глубокий спуск не рекомендуется для любознательных исследовательских экспедиций. Во-первых, они в любом случае не смогли бы передать свои открытия миру, поскольку горизонт событий никого не выпускает обратно. А во-вторых, даже самая упорная попытка исследовать таинственный центр черной дыры обречена на провал, потому что ничто не может противостоять приливным силам черной дыры: сначала все растягивается, как спагетти, и затем беспощадно разрывается на части.

Если говорить о звездных черных дырах, то это же происходит еще до горизонта. Однако границу сверхмассивных гигантских дыр первоначально можно было безопасно преодолеть. До полного разрушения внутри черной дыры пройдет максимум один час ощущаемого времени. Однако для звездной черной дыры с массой в десять солнечных масс этот период составит всего лишь чуть больше одной тысячной доли секунды.

Таким образом, о зловещем внутреннем мире черных дыр мы можем рассуждать исключительно с точки зрения теории. Какие ужасные вещи там происходят? Все разрушается? Могут ли исчезнуть сами элементарные частицы? Наиболее вероятным видится вариант крайне плотной концентрации энергии или конец самого пространства-времени. Но может быть, врата сквозь пространство и время откроются и приведут в другую Вселенную или даже зажгут новый Большой взрыв?

Если неосторожный астронавт попадет в черную дыру, приливные силы разорвут его на части.

В 1964 году Роджер Пенроуз доказал, что сингулярности кривизны являются неизбежной чертой гравитационного коллапса. Общая теория относительности теряет свое действие в центре черных дыр, поскольку физические параметры здесь принимают бессмысленные значения: ноль или бесконечность. Вместе с Пенроузом Хокинг уточнил этот результат и применил его к сингулярности Большого взрыва.

На вопрос о том, что происходит в центре черной дыры, невозможно ответить в рамках теории относительности. Для этого необходима теория квантовой гравитации, для которой имеются предварительные теории, но нет экспериментально подтвержденных вариантов. Эта теория должна также решить еще одну загадку: согласно теории относительности, вся масса черной дыры содержится в центральной сингулярности. Это фантастическая и практически несостоятельная идея. Для статических черных дыр сингулярность представляет собой точку без какой-либо протяженности, тогда как для вращающихся черных дыр это бесконечно тонкое кольцо. Неужели в нем могут поместиться огромные массы целых звезд и звездных скоплений?! Джон Уиллер назвал этот парадокс понятием «масса без массы».

Черные дыры на практике

Черные дыры уже давно пленяют воображение писателей-фантастов. Но идеи ученых по своей изобретательности едва ли уступают литературным домыслам. Это особенно касается возможностей использования гравитационных гигантов в соответствии с известными законами природы!

Высокоразвитые цивилизации могли бы строить свои города вокруг небольших вращающихся черных дыр. Они были бы идеальными пожирателями мусора. Кроме того, они могли бы стать источником вращающего импульса для выработки энергии или для запуска космических кораблей в космос.

Черные дыры всеядны. Даже самые опасные отходы можно будет утилизировать в них навсегда. Кроме того, можно генерировать огромное количество энергии. Около 20 процентов энергии вращающейся черной дыры во много тысяч раз больше, чем Солнце сгенерировало за все время своего существования, и она хранится вэргосфере[10].Это экваториальное выпуклое пространство за пределами горизонта событий буквально вращается за счет движения гравитационного монстра. Объекты, пролетающие мимо черной дыры через эргосферу, черпают энергию вращения черной дыры и получают огромное ускорение. Технологически развитые цивилизации могли бы использовать это для запуска космических кораблей или в качестве неиссякаемого источника энергии.

Чтобы создать гравитационную бомбу, понадобится всего лишь черная дыра в центре сферического зеркала, фонарик и пробка.

По тому же принципу можно создать разрушительное оружие: если черную дыру полностью накрыть вогнутым зеркалом, ее можно будет использовать как гравитационную бомбу. Все,

Сотрясение пространства-времени

В 1971 году Хокинг опубликовал статью о гравитационных волнах от черных дыр. В то время еще не было очевидно, что свет истины однажды засияет посреди серой – или скорее черной – теории. Один важный вывод из той самой статьи быстро взбудоражил умы: теорема о «площади черной дыры» – новаторская теорема о росте черных дыр. Позже Хокинг резюмировал это так:

Эту теорему теперь можно проверить с помощью астрономических измерений. И делается это с помощью гравитационных волн, как и предлагал Хокинг. (Кстати, в 1970-х годах он и его студент Гэри Гиббонс не только продолжили исследования в этом направлении, но даже подали заявку на создание детектора.) Прямое обнаружение этих колебаний пространства-времени теперь фактически достигнуто. Впервые об этом заявила международная группа из более чем 1000 ученых в 2016 году.

Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году. Одно из триумфальных открытий общей теории относительности заключается в том, что пространство-время – это не пассивная сцена, на которой разыгрываются драмы Вселенной без его непосредственного влияния. Скорее оно является активным режиссером всемирного театра и участвует в организации космического зрелища. Масса и энергия взаимодействуют с пространством и временем и даже могут искажать их.

Измерения LIGO в очередной раз подтвердили смелые идеи Эйнштейна. LIGO – это аббревиатура от Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (лазерноинтерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Два интерферометра, расположенные на расстоянии 3000 километров друг от друга в Ханфорде (штат Вашингтон, США) и Ливингстоне (леса Луизианы), состоят из двух лазерных плеч, расположенных перпендикулярно друг другу, каждое длиной четыре километра. Для дополнительной поддержки используется детектор Virgo около Пизы с трехкилометровыми лазерными плечами. Точно измеряемая картина суперпозиции интерферирующих лазерных лучей позволяет обнаружить относительные изменения длины менее 1 к 1021 – это соответствует точности расстояния между Солнцем и ближайшей звездой до одной десятой толщины волоса.

Таким образом стало возможным зафиксировать гравитационные волны от черных дыр, которые сначала вращались вокруг друг друга с головокружительной скоростью, затем резко сталкивались и, наконец, сливались.

Столкновение черных дыр вызывает волны в пространстве-времени, которые, таким образом, можно измерить на расстоянии многих сотен миллионов световых лет.

GW150914 – первый обнаруженный сигнал гравитационной волны, измеренный детектором LIGO. Он возникает в результате спирального сближения и столкновения двух черных дыр и финального сотрясения продукта слияния.

Около 70 сигналов, обнаруженных в ходе трех измерительных кампаний с сентября 2015 года по март 2020 года, исходили от черных дыр, находящихся на расстоянии от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов световых лет от Земли и имеющих массу от семи до более 90 солнечных масс. В результате их столкновений за одну секунду высвободилась энергия, превышающая суммарную светимость всех звезд видимой Вселенной.

Измерения не только являются триумфом физики и крайне интересны с астрономической точки зрения, поскольку позволяют сделать выводы о формировании и частоте появления гравитационных колоссов, но и имеют большое значение для теории черных дыр. Поэтому Хокинг сразу же с большим энтузиазмом поздравил команду LIGO. И у него были все основания для радости, поскольку данные подтвердили его теорему о «площади черной дыры».

Первые измерения гравитационных волн стали настоящим прорывом. В результате теория относительности была вновь проверена в ранее недоступных областях. В очередной раз она блестяще выдержала это испытание. Если за гравитационными монстрами скрывается что-то еще, кроме черных дыр, гравитационные волны рано или поздно смогут это обнаружить. Например, три запланированных спутника-детектора гравитационных волн LISA (Laser Interferometer Space Antenna) будут очень тщательно проверять «гипотезу об отсутствии волос» в 2030-х годах.

Кроме того, измерения пространственно-временной ряби уже бросили вызов астрофизикам: им предстоит объяснить, как такие массивные пары черных дыр могли образоваться в таком большом количестве. Например, предполагается, что эти темные объекты образовались в результате экстремальных колебаний плотности в первую долю секунды существования Вселенной и могут до сих пор доминировать во Вселенной как темная материя. Если это правда, то это стало бы существенным подтверждением предположений Хокинга о первичных черных дырах, возникших в результате Большого взрыва.

Вопросы

1. Почему черные дыры черные?

◻ а. Потому что свет избегает гравитации

◻ б. Потому что ничто не ускользает от их горизонта событий.

◻ в. Потому что у них твердая темная поверхность

2. Как образуются черные дыры?

◻ а. Всегда в результате вспышки сверхновой

◻ б. Из-за коллапса очень массивных звезд

◻ в. Когда белый карлик разрывается на части

3. Где находятся сверхмассивные черные дыры?

◻ а. В центре большинства галактик

◻ б. В пульсарах

◻ в. В двойных звездных системах

4. Что гласит «гипотеза об отсутствии волос»?

◻ а. Все черные дыры черные

◻ б. Черные дыры не имеют свойств

◻ в. Черные дыры одинаковы, за исключением трех свойств

5. Что показали измерения гравитационных волн?

◻ а. Черные дыры распространены в космосе

◻ б. Классические теоремы неадекватны

◻ в. Теория относительности не работает должным образом

Ответы: 1б, 2б, 3а, 4в, 5а

Черные дыры не черные

Черные дыры считаются непреодолимыми гравитационными ловушками, но они даже могут взорваться! Это удивительное открытие, вероятно, является самым важным научным достижением Стивена Хокинга. Оно не только объединяет три ранее отдельные области физики, но и имеет последствия для нашего понимания Вселенной в ее наименьшем и наибольшем масштабах. Что происходит с материей, попавшей в черную дыру, когда она растворяется? Хокинг несколько раз менял свои взгляды на этот счет и даже ставил под сомнение само существование черных дыр.

Если физическая информация может исчезнуть, то будут нарушены фундаментальные законы природы, например, закон сохранения энергии. Призраки могли бы выходить из смартфонов, а розовые муравьеды могли бы танцевать польку в духовке. Чтобы восстановить порядок во Вселенной, Хокинг даже проиграл пари.

Взрывоопасная информация

Горизонт событий классической черной дыры никогда не сужается. Он может только расти, если черная дыра что-то поглотит. Хокинг доказал это в рамках общей теории относительности. ЗатемЯаков Бекенштейнзаметил сходство с законом термодинамики, согласно которому энтропия чисто статистически может только увеличиваться (или оставаться постоянной в равновесии). Энтропия – это физическая мера беспорядка системы. Бекенштейн также выяснил, что энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта событий. Это звучит абстрактно, и это так и есть. Но за этой идеей скрывалось огромное количество взрывоопасного материала – в буквальном смысле, как осознал Хокинг в 1973 году.

Черные дыры, как и все системы в природе, должны обладать энтропией: чем они больше, тем больше в них энтропии. Но то, что имеет энтропию, имеет и температуру. А все, что имеет температуру, должно выделять тепло. Это означает, что черные дыры не полностью черные, а выделяют излучение, пусть и небольшое. В 1974 году Хокинг сделал сенсационное заявление, сначала на лекциях, а затем и в научной публикации: черные дыры постепенно испаряются и в конечном итоге должны даже взорваться! Это открытие – вместе с его исследованиями сингулярности Большого взрыва – принесло Хокингу мировую известность среди физиков и навсегда останется важной вехой в истории науки. Его результатом стала первая, пока еще предварительная связь между общей теорией относительности, квантовой физикой и термодинамикой – тремя фундаментальными областями физики, которые ранее были в значительной степени разделены. В конечном счете, утверждал Хокинг, квантовые эффекты на горизонте событий извлекают энергию из гравитационного поля черной дыры.

Вывод Хокинга: чем меньше и менее массивны черные дыры, тем больше их излучение. Их температура обычно ничтожно мала, в случае звездной черной дыры она не превышает даже одной десятимиллионной градуса абсолютного нуля, что соответствует минус 273 градусам по Цельсию. (В настоящее время черные дыры получают гораздо больше, чем теряют, от более теплого на три градуса космического фонового излучения.) Но если пространство будет продолжать расширяться вечно, а Вселенная может расти до любого возраста, то по мнению Хокинга все черные дыры в конечном итоге испарятся!

Энергия финального взрыва черной дыры огромна, ее можно сравнить с одновременной детонацией десяти миллионов атомных бомб, каждая из которых имеет взрывную силу в одну мегатонну. Для звездной черной дыры это займет более 1066 лет, а для сверхмассивной черной дыры в центре галактики это может занять даже до 10100 лет (число со ста нулями!). Но это произойдет. И тогда рана, которую гравитационный коллапс нанес пространству-времени, вероятно, полностью заживет.

Чёрные дыры от большого взрыва?

Сомнительно, что это излучение Хокинга когда-либо можно будет измерить. В любом случае, мы не можем ждать, пока известные нам черные дыры испарятся – до тех пор пройдет гораздо, гораздо больше времени, чем нынешний возраст Вселенной.

Конец «обычных» черных дыр наступит в крайне отдаленном будущем. Однако, по мнению Хокинга и других ученых, черные дыры могли также возникнуть в результате случайных колебаний плотности в хаосе Большого взрыва. Эти так называемые первичные черные дыры могут быть крошечными, размером всего с протон (10-13 сантиметров), и тогда их продолжительность жизни будет намного короче, чем у руин темных звезд.

Возможно, мини-черные дыры и сегодня бороздят космос, испуская интенсивное гамма-излучение в качестве финального сигнала. Даже в черной дыре размером в тысячную долю миллиметра излучение Хокинга оказывается значительным. Она весит столько же, сколько Луна (около 1022 килограммов). Черные дыры размером с протон имеют массу небольшой горы (около миллиарда килограммов) и температуру в миллиард градусов по Цельсию. Они излучают не только фотоны, но также электроны и позитроны. Первичные черные дыры, которые в настоящее время испаряются, изначально имели массу 500 миллионов килограммов и образовались через IO 23 секунды после Большого взрыва. Гамма-телескопы, однако, до сих пор никаких признаков подобных мини-молний не обнаружили. Если они и существуют, то достаточно редко: они случаются не чаще одного раза в кубический световой год за столетие.

При особых обстоятельствах мини-черные дыры можно было бы создать даже в ускорителях частиц на Земле. Они были бы меньше одной тысячной диаметра протона и имели бы массу, примерно равную массе 5000 этих ядерных частиц. (Однако такие мини-дыры могли бы образоваться только при наличии по крайней мере двух дополнительных пространственных измерений размером более одного квадриллионного метра в дополнение к ширине, высоте и глубине. Но это пока только предположение.) Эти мини-дыры немедленно снова распались бы, поэтому они не представляли бы угрозы для Земли. Кроме того, им тогда пришлось бы образоваться в природе самостоятельно: посредством частиц космического излучения, которые постоянно бомбардируют атмосферу из космоса. Они содержат гораздо больше энергии, чем любое столкновение частиц в любом ускорителе частиц будущего.

Создание мини-черных дыр в лабораторных условиях не было бы опасным, но стало бы ярким событием в физике XXI века. Впервые квантовые гравитационные эффекты стали бы доступными, а ранее

Было бы здорово создать черные дыры в лабораторных условиях. Они немедленно растворятся обратно в излучении Хокинга.

Поэтому нет никакой опасности, что они случайно поглотят землю! Но для этого потребуется слишком много энергии.

Кстати, даже космос должен производить излучение Хокинга, если он расширяется все быстрее. А именно это он и делает, как показали астрономические измерения с 1998 года. Но Хокинг не мог этого знать, когда он и Гэри Гиббонс вычисляли безумный квантовый эффект в 1977 году. Это была мысленная аналогия: если Вселенная быстро расширяется, у нее есть горизонт событий – как если бы она была обращенной внутрь черной дырой. И тогда излучение было бы очень слабым (примерно 10 29 Кельвина). Поэтому даже за бесконечное время Вселенная не сможет остыть до абсолютного нуля.

Несмотря на то, что прямое измерение излучения Хокинга пока еще только дело будущего, косвенные указания на него имеются уже сегодня. Эффект должен быть заметен и в системах со «звуковым горизонтом», а не только со световым, например, на краю черной дыры. Подобные звуковые горизонты могут быть созданы в сверххолодных квантовых системах, состоящих из нескольких атомов, так называемых конденсатах Бозе-Эйнштейна, и даже в потоках воды в ванне. На самом деле уже имеются первые экспериментальные доказательства того, что такие горизонты имеют слабое излучение. Однако не совсем ясно, что именно означают подобные эффекты в системах «аналоговой гравитации», как их называют ученые.

Быстрые течения могут генерировать своего рода излучение Хокинга без какой-либо гравитации, в принципе, даже в ванне. Уже имеются первые экспериментальные доказательства такого эффекта.

Формула на могиле Хокинга и игральные кости Бога

Открытие Хокинга, что черные дыры испаряются, имеет важное значение для нашего понимания природы: Вселенная гораздо более хаотична, чем считалось раньше. Это означает, что случайность царит в мире в еще более шокирующей степени, чем это уже допускает обычная интерпретация квантовой физики (например, в случае радиоактивного распада, не имеющего причины). Альберт Эйнштейн сопротивлялся этому до конца своей жизни, утверждая, что Бог не играет в кости. Поэтому Хокинг довел остроумное высказывание Эйнштейна до крайности, применив его к черным дырам:

В своих тонких шутках Хокинг ссылается не только на Эйнштейна, но и на Людвига Больцмана. Согласно его собственному желанию, его надгробие на Центральном кладбище Вены украшено открытой им формулой энтропии: S = k log W. Больцман открыл, как можно вычислить энтропию S. Эта термодинамическая величина является мерой степени беспорядка в большой группе частиц, например, молекул в газе или бутылке шампанского. S получается из постоянной Больцмана к, умноженной на натуральный логарифм числа W возможностей расположить эти частицы, не меняя макроскопического вида.

Революционное открытие Хокингом квантовой аннигиляции черных дыр основано на определении Больцмана, поскольку Хокинг доказал (на основе работы Яакова Бекенштейна), что каждая черная дыра также имеет энтропию S, а значит, и температуру. Величина S пропорциональна «площади поверхности» черной дыры, а точнее, площади A ее горизонта событий; в противном случае S зависит только от естественных констант: постоянной Больцмана к, скорости света с, постоянной Планка h и гравитационной постоянной G. Энтропия черной дыры равна S = Akc3/4hG, как открыл Хокинг. И именно об этом говорил его тонкий юмор, поскольку по случаю своего 60-летия в 2002 году он заявил:

Мир как игра в кости: черные дыры создают новый вид случайности во Вселенной.

К сожалению, желание Хокинга уже пришлось исполнить. 15 июня 2018 года его прах был захоронен в почетной могиле в Вестминстерском аббатстве в Лондоне. Надгробие было изготовлено из темного сланца Кейтнесс из северной Шотландии, его размеры составляют 99,5 на 85,5 сантиметров. Оно призвано символизировать глубины космоса. Гравюра на камне выполнена Джоном Мэйном и Джиллиан Форбс. На краю нарисованной черной дыры находится величайшее открытие Хокинга. Вместо формулы для энтропии на табличке была выгравирована непосредственно связанная с ней температура T – температура Хокинга невращающейся черной дыры с массой M: T=ħc3/8πGMk.

В марте 2019 года формула энтропии Хокинга появилась на памятной монете достоинством 50 пенсов, разработанной Эдвиной Эллис, с именем Хокинга и стилизованной черной дырой.

Уравнения существуют вечно и даже могут украшать надгробия, например, знаменитая формула энтропии Людвига Больцмана. Хокинг тоже пожелал себе такой памятник физике.

Бесследное исчезновение?

Согласно «гипотезе об отсутствии волос», гравитационный коллапс, приводящий к образованию черной дыры, является универсальным уравнителем: черная дыра никому не позволяет узнать, что происходит внутри нее. Таким образом, нет возможности узнать что-либо о ее прошлом – например, как выглядело магнитное поле коллапсировавшей звезды, какова была ее температура и поверхностная структура, состояла ли она из материи или антиматерии, что еще попало в черную дыру после ее коллапса и так далее.

Если у черных дыр нет «волос», то нет способа узнать, что находится у них внутри.

И этот объем информации огромен! Черные дыры в определенном смысле являются лучшими устройствами для хранения информации. Энтропия черной дыры намного больше, чем у ее звезды-прародительницы. Энтропия Солнца составляет около 1057 (измеряется в единицах постоянной Больцмана k[11]), но у Солнца как черной дыры она составляла бы 1077. Галактическая черная дыра с массой в несколько миллионов солнечных масс содержит только 1090, что в 100 раз превышает энтропию всей наблюдаемой Вселенной без черных дыр. (Для компьютерных гиков: если указать емкость хранилища в гигабайтах, k = 10-9/ 3 log2. Все данные Google поместились бы в черную дыру размером всего 10-25 сантиметров. Стрелец А*, черная дыра в центре Млечного Пути с массой около четырех миллионов солнечных масс, содержит 1080 гигабайт.) Поэтому эту проблему нельзя

Информация будет доступна только отряду самоубийц, прыгнувшему в черную дыру, но никто за ее пределами никогда не сможет узнать о ней. Однако ситуация кардинально изменилась с открытием того, что черные дыры постепенно испаряются из-за квантовых эффектов. Если излучение Хокинга является тепловым, как говорят физики, то есть имеет чисто статистическую, по сути случайную природу, то оно имеет тревожные последствия, как обнаружил Хокинг в 1975 году. Потому что тогда уже никогда не будет возможности увидеть то, что когда-то поглотила черная дыра: пыль, звезды или налоговые декларации.

Это касалось бы и прогнозов на будущее. Но и это еще не все.

Никак! По крайней мере, к такому шокирующему выводу пришел Хокинг. Потому что, если черная дыра полностью испарится, вся информация, которую она когда-то поглотила, растворится в ничто. Это может быть неактуально в повседневной жизни, в конце концов, каждый человек время от времени что-то портит, теряет или забывает. Но это не нарушает никаких законов сохранения. Это основа физики. Если предположить, что все физические параметры, исчезающие в черных дырах, действительно остаются утеряны навсегда, то учебники физики были бы бесполезны. Закон сохранения энергии и другие фундаментальные принципы оказались бы нарушены. И квантовая теория, столь успешная экспериментально, должна была бы рухнуть как карточный домик.

Хокинг проиграл спор

Если вывод Хокинга верен, основы физики будут потрясены. Однако большинство исследователей не хотят с этим мириться. Они подозревают, что по крайней мере один из аргументов ошибочен. Они также надеются, что будущая теория квантовой гравитации, которая объединит общую теорию относительности с квантовой теорией, выявит эту ошибку. Но эта «мировая формула» пока еще остается делом будущего.

Хокинг, который сам был в ужасе от вызванных им призраков, долгое время оставался настойчивым. Он даже поспорил с физиком Джоном Прескиллом, что в черных дырах теряется информация. Ставкой была энциклопедия, «из которой информация может быть извлечена по желанию», как с тонким юмором было заявлено в соглашении, заключенном в 1997 году.

Но это не помешало Хокингу самому искать пути выхода из получившегося парадокса. Например, еще в 1988 году он предположил, что информация, исчезнувшая в черной дыре, попадет в другую Вселенную. Центр черной дыры не должен представлять собой сингулярность в большей степени, чем Большой взрыв. Возможно, он может расшириться в параллельную Вселенную. Хокинг также предположил, что другие Вселенные взаимодействуют с нашей. Они могли бы даже сделать понятными загадочные значения естественных констант (особенно зловещую космологическую постоянную в общей теории относительности Эйнштейна, низкому значению которой не существует правдоподобного объяснения).

Но если другие Вселенные имеют доступ к нашей Вселенной, становится трудно отслеживать собственный баланс. Поэтому такого рода рассуждения не получили широкого развития. Можно было бы даже заподозрить, что их позорно загнали под ковер или отправили в специальную Вселенную для непослушных детей и неприятных мыслей…

Если в центре черной дыры образуется новая Вселенная, это может объяснить Большой взрыв и судьбу коллапсировавшей материи. Однако младенческой Вселенной пришлось бы отделиться и вырасти.

После защиты диссертации Хокинга в 1975 году физики активно обсуждали этот информационный парадокс. На сегодняшний день в связи с этой головоломкой опубликовано около 1000 научных статей. Предлагается много решений, но единого мнения нет до сих пор.

Большинство экспертов не верит в уничтожение информации. Некоторые полагают, что поглощенная материя должна появиться вновь – хотя и в сильно измельченном виде – когда горизонт событий откроется, словно театральный занавес. Также высказывалось предположение, что в центре черной дыры находится кристалл с высокой степенью конденсации информации, который хранит все, словно память, но правдоподобной модели такого носителя данных не существует. Другие же исследователи полагают, что информация покидает гравитационную бездну с помощью излучения Хокинга. Тогда получается, что оно не может быть только термическим, т. е. хаотичным, как предполагал Хокинг. Вместо этого информация, которая была когда-то поглощена, должна храниться в нем, как если бы содержимое этой книги, когда ее сожгут, все еще присутствовало в выделившейся теплоте и пепле. Также высказывались предположения о «квантовой передаче» и копировании информации на горизонте.

Идея Хокинга о том, что информация (физические свойства) о материи и энергии необратимо уничтожается при попадании в черную дыру, вызвала бурные споры среди физиков. Ситуация остается крайне сложной, даже сам Хокинг несколько раз менял свое мнение. Недавно он предположил, что информация покидает черные дыры, когда они испаряются, или даже сохраняется в их окружении. Однако эта идея потребовала бы пересмотра физической теории, согласно которой у черных дыр нет «волос».

В 2004 году на конференции по теории относительности в Дублине Хокинг неожиданно отказался от своей первоначальной точки зрения и попытался доказать, что черные дыры не могут уничтожить информацию навсегда, но она не способна попасть в параллельную вселенную.

Новый аргумент был незрелым, сложным и даже непонятным для многих коллег. Но после лекции Хокинг вынес на сцену толстую книгу, энциклопедию по бейсболу, и вручил ее Джону Прескиллу под гром аплодисментов. На самом деле Хокинг проиграл пари 1997 года.

Таким образом информационный парадокс так и не был разрешен. Даже для Хокинга. Вопреки

Черные дыры с хаосом и мягкими волосами

В 2013 году Хокинг вернулся к информационному парадоксу и в 2014 году опубликовал короткую статью с необычным названием «Сохранение информации и прогнозирование погоды для черных дыр». В ней он усомнился в самом существовании горизонтов событий, что в определенном смысле поставило под вопрос существование самих черных дыр.

Это вызвало путаницу, хотя Хокинг не отрицал существования видимых горизонтов, за которыми исчезает информация о коллапсирующей материи. Однако эта информация должна, по его мнению, появиться вновь, когда горизонты растворятся из-за испарения черных дыр.

Если у черных дыр есть маленькие волоски, то информация от падающего в них вещества не теряется навсегда.

Возможно, ему следовало бы сказать так: черные дыры уже не те, какими они были когда-то или какими они казались. Без горизонта событий уходят в прошлое и предположения о некоторых теоретических неудобствах, которые физики обсуждали в последние годы для решения информационного парадокса: например, о центральных информационных ядрах, которые могли бы остаться после испарения, аннигилирующих огненных стенах непосредственно за горизонтом или информационных копиях на нем. Короче говоря, информация должна продолжать существовать в пространстве-времени, хотя и в непредсказуемой, хаотичной форме, как погода, – что и объясняет странное название статьи.

Однако оставалось неясным, как именно может происходить аннигиляция, сохраняющая информацию. Но Хокинг не сдавался. В 2015 году он прочитал лекцию в Стокгольме, в которой представил новую идею решения информационного парадокса, не ссылаясь при этом на свою предыдущую работу.

Он развивал эту гипотезу в статьях с Малкольмом Перри и Эндрю Строминджером, начиная с 2016 года, и продолжал размышлять над ней почти до самой смерти. Последний отчет об исследовании был опубликован посмертно в декабре 2018 года. Многое еще не до конца ясно, но коллеги Хокинга продолжают его работу.

Основная идея заключается в том, что вокруг черной дыры могут существовать различные состояния вакуума, так сказать, свойства пустого пространства, которые изменяются, когда что-то проваливается. Эти состояния должны сохранять разрушающуюся информацию. И этот факт ставит под сомнение физическую предпосылку информационного парадокса (у черных дыр нет волос, т. е. нет других свойств, кроме массы, момента импульса и электрического заряда), так что исходный аргумент больше не является убедительным.

Каким образом информация вновь появляется в излучении Хокинга, которое в таком случае не может носить чисто случайный характер, пока неясно. В конечном счете Хокинг и его коллеги предположили, что черная дыра действительно имеет крошечные «мягкие волосы»: свойства, которые хранятся в форме частиц, не содержащих массы (фотонов и гравитонов). (Физики уже размышляли об этом в 1960-х годах.)

Если теоретически черные дыры не уничтожают информацию – а последнее слово об этом еще не сказано, – то на практике эту информацию восстановить невозможно. Таким образом, невозможно будет восстановить поддельные счета, которые коррумпированный политик решил поместить в темную гравитационную ловушку, чтобы скрыть скандал с пожертвованиями. Вероятность поимки мошенника таким способом крайне мала. Но если бы информация однажды появилась из испаряющейся черной дыры, то, по крайней мере, Вселенная не осталась бы в неведении о содеянном и, грубо говоря, информация никогда не была бы полностью уничтожена.

Вопросы

1. Почему черные дыры не полностью черные?

◻ а. Потому что Хокинг не хочет, чтобы Бог бросал кости

◻ б. Потому что их масса заключена только в их сингулярности

◻ в. Потому что они распадаются из-за квантовых эффектов

2. Насколько тяжелой была бы черная дыра, если бы она испарилась сегодня?

◻ а. Тяжелой как атом

◻ б. Тяжёлой как гора

◻ в. Тяжёлой как Луна

3. Что Хокинг проиграл в споре?

◻ а. Энциклопедию бейсбола

◻ б. Темный горький шоколад

◻ в. Миниатюрную черную дыру

4. Почему «информационный парадокс» является проблемой?

◻ а. Потому что излучение Хокинга является хаотичным

◻ б. Потому что черные дыры не испаряются полностью

◻ в. Потому что закон сохранения информации будет нарушен

5. Какова последняя идея Хокинга?

◻ а. Информация попадает в параллельную вселенную

◻ б. У черных дыр есть волосы

◻ в. Черные дыры оставляют после себя информативный реликт

Ответы: 1в, 2б, 3a, 4в, 5б

Будущее и путешествия во времени

«Почему вообще должно существовать направление времени? Почему мы помним прошлое, но не будущее?»

Многие люди просыпаются от звонка будильника, торопливо завтракают, а затем опаздывают на работу. Там они скучают на бесконечных совещаниях и порой продлевают себе обеденный перерыв. Вас поджимают сроки подачи налоговой декларации или прохождения техосмотра, вы с нетерпением ждете окончания работы, но вечно стоите в пробках и удивляетесь, почему время летит так быстро, когда вы играете в шахматы, читаете хорошую книгу или отправляетесь в отпуск. Время – наш постоянный спутник, но никто не знает, что это такое на самом деле. Откуда оно берётся и куда течёт? Может ли оно повернуться вспять? Возможно ли совершить путешествие в далекое будущее или прошлое, и можно ли тогда исправить ошибки или узнать выигрышные номера лотереи на следующий месяц?

Стивен Хокинг размышлял о тайнах времени больше, чем кто-либо другой. Он не только сформулировал «презумпцию защиты временного порядка»,

Сила беспорядка

Любой, кто увидит, как из компоста появляется красное яблоко, как капли молока выпрыгивают из чашки кофе, как стакан поднимается из осколков на полу, вероятно, почувствует, что смотрит не тот фильм – или просто обратную киносъемку. Потому что все сложные процессы в природе необратимы. Даже повторяющиеся процессы, такие как смена времен года или фаз Луны, имеют необратимый ход действий. Вот почему гораздо менее вероятно, что что-то возникнет и разовьется, чем то, что это что-то превратится в руины и пепел.

Хаос намного превосходит порядок. Это можно даже точно описать в физических терминах: с помощью энтропии, меры беспорядка системы. Например, для компактной капли молока в кофе существует гораздо меньше способов систематизированного расположения молекул, чем для хорошего и, следовательно, неорганизованного размешивания.

Энтропия, согласно второму закону термодинамики, в среднем может только увеличиваться. Это не противоречит возникновению порядка в отдельных сегментах, поскольку он возможен только за счет большего беспорядка в целом. Образование сложных структур, т. е. порядка, возможно, но лишь потому, что он соседствует с еще большим беспорядком. Любому, кто наводит порядок на своем столе, нужна энергия, и поэтому ему приходится есть больше яблок, которые получают энергию из процессов ядерного синтеза на солнце. Стол может стать более аккуратным, но хаос в Солнечной системе возрастет. Таким образом, второй закон определяет направление времени. Он «течет» в сторону большей общей энтропии; все имеет тенденцию к беспорядку.

Чистый стол стоит дорого. Порядок возможен только за счет большего беспорядка в окружающей среде.

Но это скорее не решение вопроса направления времени, а его суть. Все известные фундаментальные законы природы симметричны относительно времени: они не содержат выделенного направления времени и не различают будущее и прошлое. Каждый процесс может также происходить в обратном порядке. Но почему он этого не делает?

Этот вопрос можно отмести как бессмысленный, если придерживаться термодинамики и приравнивать направление времени к росту энтропии. Однако развитие событий может также попеременно происходить то вперед, то назад, либо не происходить вообще. Следовательно, энтропия не является решением, как подчеркивал Хокинг. «Течение» времени остается загадкой. Никто не знает, куда она ведет, откуда берется и почему вообще существует.

ьтяпсв тедйоп ямерв илсЕ

Многие космологи и физики, включая Хокинга, видят тесную связь между направлением времени и расширением пространства. В лучших моделях квантовой космологии время вообще больше не выступает как фундаментальная величина, оно даже не появляется как независимый физический параметр в уравнениях. Здесь космическое расширение указывает направление времени и, возможно, даже подстегивает увеличение энтропии. Эта связь между расширением Вселенной и направлением времени применима и к моделям Хокинга.

Хокинг задал себе этот вопрос еще в начале 1980-х годов. Ранее высказывались предположения, что ось времени может быть обращена вспять, если в далеком будущем пространство станет сжиматься, а не расширяться. Такой коллапс до финального взрыва кажется неизбежным, если общая масса Вселенной превысит критическое значение или космологическая постоянная Эйнштейна окажется отрицательной. Хотя астрономические наблюдения последних лет противоречат обоим вариантам, возможность коллапса никогда не может быть полностью исключена.

Независимо от того, произойдет ли окончательный взрыв или нет, изучение последствий коллапса Вселенной имеет огромное значение для понимания времени. Если бы Второй закон термодинамики изменил свое направление в сжимающейся Вселенной, наступила бы своего рода эпоха чудес! С сегодняшней точки зрения излучение собиралось бы в звезды, яблоки формировались бы в компостных кучах и поднимались бы на деревья, люди восставали бы из пепла, становились бы все моложе и моложе и в конце концов исчезали бы в утробе матери.

Может ли время течь вспять? Тогда песок в песочных часах сможет подняться, а звезды поглотят свой собственный свет.

Фактически в 1985 году, после того как Хокинг и Джеймс Хартл предложили свою теорию безграничности для объяснения Большого взрыва, они пришли к убеждению, что термодинамическая ось времени в его модели меняет направление и время течет вспять, когда пространство сжимается.

Самая большая ошибка Хокинга

Однако большинство космологов не были убеждены предположениями Хокинга. Роджер Пенроуз еще на раннем этапе выдвинул веские аргументы в пользу того, почему финальный взрыв полностью отличается от Большого взрыва и имеет максимальную энтропию. (То же самое относится и к черным дырам.) Сразу после Большого взрыва пространство должно было быть очень однородным, гладким или плоским, но незадолго до Большого взрыва оно было крайне неоднородным или искривленным из-за множества черных дыр. Модель Хокинга подверглась резкой критике. Это не злой умысел, а нормальный ход науки: только так возможны постоянные проверки и развитие.

Одним из критиков был Дон Н. Пейдж. После защиты диссертации, вторым рецензентом которой был Хокинг, Пейдж на несколько лет приехал из США в Кембридж и жил с Хокингом и его семьей, чтобы поддерживать его. Пейдж не видел убедительных причин для космологического обращения времени и считал, что Хокинг сделал слишком упрощенные предположения.

Если Вселенная закончится финальным взрывом, то до него она будет гораздо менее однородной, чем вскоре после Большого взрыва.

Хокинг отнесся к этому скептически и поручил решение этой проблемы своему студенту Рэймонду Лафламму. Однако его расчеты также противоречили мнению Хокинга. Они обсуждали свои модели в течение многих недель, затем к ним присоединился и Пейдж. Вместе с Лафламмом ему наконец удалось убедить Хокинга в его ошибке.

Лафламм получил докторскую степень в 1988 году. В 1993 году Хокинг совместно с Гленном У. Лайонсом опубликовал подробные доказательства того, что время невозможно повернуть вспять.

Поэтому гипотетически астрономы будущего будут наблюдать, как галактики становятся все ближе и ближе друг к другу, а температура космоса повышается. Однако черные дыры будут продолжать поглощать материю и постоянно расти, пока не сольются в конечной стадии существования Вселенной и не займут все больше и больше пространства. Поэтому финальный взрыв не будет зеркальным отражением Большого взрыва, он будет крайне неоднородным: пространство-время будет полностью смято черными дырами и другими гравитационными эффектами. (Если плотность материи во Вселенной будет настолько высока, что произойдет окончательный взрыв, это должно произойти через время от нескольких десятков до 100 миллиардов лет задолго до того, как черные дыры испарятся.) Энтропия также будет расти до самого конца, поскольку большая ее часть содержится в черных дырах.

«Что делать, если вы поняли, что совершили такую ошибку? Некоторые люди никогда не признают своей неправоты и постоянно находят новые, часто весьма противоречивые аргументы в поддержку своей точки зрения. Мне кажется, что гораздо лучше и логичнее открыто признать свою неправоту».

Думать наперед

Стивен Хокинг любил научную фантастику. Он даже появился в качестве гостя в эпизоде популярного телесериала«Звездный путь: Следующее поколение».Там он играл в покер на голопалубе с Исааком Ньютоном, Альбертом Эйнштейном и андроидом Дейтой и выиграл.

Другие физики также с энтузиазмом относятся к научной фантастике, поскольку это больше, чем просто оригинальное развлечение. Тому есть множество примеров, и Хокинг изучил некоторые из них строго научным методом. Основное внимание уделяется не тому, что реалистично или осуществимо, а тому, что было бы возможно в рамках законов природы.

Но что физически возможно? Можно ли преодолеть «световой барьер», установленный теорией относительности, чтобы можно было развивать сверхсветовую скорость в пространстве и осуществить путешествия во Вселенной? Есть ли вообще лазейки – короткие пути через измерения и врата в другие Вселенные? Возможны ли путешествия во времени, полеты в далекое будущее или прошлое? Могут ли архитекторы времени вообще создать новое, лучшее будущее?

Даже вспышки вдохновения за чашкой кофе – это моменты победы порядка над хаосом. Иногда так находят объяснения тайнам мироздания.

Физика, как и философия – это больше, чем просто каталог фактов и законов природы. По крайней мере, фундаментальные исследования также предполагают любопытство, свободную игру воображения и своего рода мышление наперед. Потому что наука – это не бюрократическая административная работа, следующая установленным правилам в рамках офиса (даже если политикам, менеджерам и контролерам это и нравится), а творческий процесс. Многие новаторские – а теперь отчасти и экономически прибыльные – открытия были сделаны не только за рабочим столом, но и во время прогулок или в беседах в кафе с расчетами на бумажных салфетках.

Например, ученые изобрели антиматерию и сверхпроводимость, радиоволны и гравитационные волны, нейтронные звезды и черные дыры, нейтрино и другие экзотические элементарные частицы, а также космическое фоновое излучение от Большого взрыва и зловещую темную энергию задолго до того, как их удалось обнаружить, или даже до того, как кому-то пришла в голову идея их искать.

Кротовые норы и квантовая пена

Пространство и время не являются непрерывными, гладкими и произвольно делимыми, а двигаются рывками в самых малых масштабах. По предположению ученых, они имеют пенистую или зернистую структуру, подобную изображению, которое при сильном увеличении уже не является целым, а состоит из отдельных пикселей. Как и свет, который состоит изквантов[12],пространство и время квантуются[13]. Это одно из важнейших открытий теории квантовой гравитации, которая все еще находится в зачаточном состоянии. Она призвана объединить теорию относительности и квантовую теорию. На расстоянии около 10-33 сантиметров и времени около 10-43 секунд, в Планковских единицах[14], вакуум уже не просто пустое пространство, а бурлящее море различных геометрий.

В наименьшем физически возможном масштабе – в Планковских единицах – пространство и время не являются непрерывными и гладкими, а колеблются и искривляются. Эта квантовая пена может содержать субмикроскопические кротовые норы.

(Планковские единицы восходят к идее, которая возникла у Макса Планка еще в 1899 году: хитрое сочетание трех естественных констант – гравитационной постоянной, скорости света и постоянной Планка – приводит к физическим единицам, которые не зависят от чисто условных величин, таких как «метры».) Квантовый вакуум создает, так сказать, пузыри, возможно, даже отсекая зачаточные Вселенные. Он пронизан виртуальными черными дырами и, возможно, кишит крошечными кротовыми норами. Как утверждают Хокинг и другие физики, такие каналы постоянно создаются и уничтожаются в этом наименьшем масштабе природы в результате квантовых физических событий.

Это похоже на приключенческий роман, но, возможно, удастся найти способ превратить такую структуру в проходимую кротовую нору (к примеру, используя механизм космической инфляции). Также возможно, что крупные кротовые норы образовались уже во время Большого взрыва и находятся где-то в космосе. Или что передовые технологии смогут создавать или прорезать кротовые норы в пространстве-времени. Или что черные дыры могут быть преобразованы в кротовые норы, поскольку с физической точки зрения оба явления тесно связаны.

В научной фантастике кротовые норы играют важную роль в путешествиях к другим звездам, но изначально эти идеи исходят из теории относительности. Альберт Эйнштейн уже писал об этом (но термин «кротовая нора» был введен в обиход только в 1957 году Джоном Уилером). Однако только в 1980-х годах были впервые рассчитаны возможности их использования в качестве космических переходов. На самом деле, кротовые норы в принципе могут обеспечить возможность перемещения со скоростью, превышающей скорость света. Но не путем прорыва через «световую стену» вопреки теории относительности, а используя кратчайший путь в космосе. Это допускается общей теорией относительности и может быть реализовано только в ее рамках, но это не так просто. Чтобы удержать кротовую нору открытой и стабилизировать её, предотвращая разрушение, требуются экстремальные силы.

Кротовые норы

Наиболее подходящим материалом была бы экзотическая материя со странным свойством отрицательной массы: она должна быть гравитационно отталкивающей, а не притягивающей. Никто не знает, существует ли такая материя в реальности и можно ли ее создать. Однако «отрицательная энергия» – это не плод воображения, а уже измеренная в лабораторных условиях величина. Для этого необходимо несколько подавить «пузырение» вакуума. Этого можно добиться с помощью двух параллельных зеркал, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Квантовые эффекты могут производить отрицательную энергию, но это происходит лишь в очень ограниченной степени: чем больше плотность отрицательной энергии, тем меньше ее временная или пространственная протяженность и тем больше положительная энергия как ее противоположность. Физики даже называют возврат энергетического кредита квантовым процентом. И природа неумолимо движет им. Поэтому можно пробовать строить на основании их законов, возможно, даже теоретические кротовые норы в качестве туннелей сквозь пространство и время, а возможно, даже в параллельные Вселенные или в прошлое.

Время-это улица с односторонним движением?

Стивен Хокинг не являлся фанатом путешествий во времени, а точнее, временных петель в природе. Это связано с тем, что они потенциально могут запутать связь между причинами и следствием, что приведет к логическим противоречиям или временным парадоксам. Например, путешественник во времени, находящийся в депрессии, может решить покончить с собой, когда он был еще младенцем. Если бы ему это удалось, он бы не смог путешествовать во времени, но остался бы жив, вернулся бы в машину времени и так далее…

Еще в 1973 году Хокинг и Джордж Эллис логически рассматривали идею путешествий во времени: (1) Путешественник во времени уже существует до того, как он совершает путешествие во времени. (2) Все физические объекты существуют непрерывно. (3) Путешествие во времени в прошлое возможно. (4) Путешественник во времени, отправившийся в прошлое, может вообще не допустить этого самого путешествия во времени.

Чтобы разрешить противоречие – временной парадокс, сформулированный в пункте 4 – которое вытекает из этих четырех предположений, Хокинг и Эллис заявляли, что только пункт 3 может быть ложным. И то необязательно. К примеру, гипотезу о машине времени может опровергнуть предположение в пункте 2. Настаивать на его истинности означало бы просто отрицать проблему без веских оснований. Другая проблема: пункт 4 не является обязательно и универсально верным хотя бы потому, что значение слова «может» неоднозначно. Например, обычный человек «не может» пробежать марафон за десять минут при обычных обстоятельствах, но многие «могут» сделать это за десять часов – но они «не смогут» сделать этого, если будут связаны или устанут и сдадутся за километр до финиша.

Поэтому весьма сомнительно, что путешествия во времени можно исключить только логически. И опыт часто показывал, что теоретически возможно многое, что противоречит здравому смыслу. Поэтому с научной точки зрения важно разрабатывать гипотезы беспристрастно и с любопытством, а также критически их изучать, но не отвергать сразу. Хокинг смотрел на проблему именно в этом ключе и не выдвигал логических возражений против путешествий во времени.

Гипотеза о защите хронологии

Тем не менее Хокинг был убежден, что в природе путешествий во времени не существует. В 1992 году он даже сформулировал «гипотезу о защите хронологии». Таким образом, он постулировал соблюдение хронологического порядка, а значит, и невозможность машин времени:

Хокинг полагал, что квантовая теория действительно допускает путешествия во времени для частиц в микроскопических масштабах. Однако вероятность возникновения таких крошечных временных петель крайне мала и не имеет заметных последствий для повседневной жизни. Вероятность того, что кто-то сможет отправиться в прошлое и убить себя или одного из своих предков, ничтожно мала (всего около 1 из 1060). Поэтому мир с точки зрения исторической науки останется неизменным.

В научной литературе уже имеется более 200 статей, в которых рассматриваются технические детали и убедительность гипотезы Хокинга, а также ее проверка с помощью специальных исследований.

Знания из будущего были бы странным временным парадоксом. Например, художник, не обладающий большим воображением, мог бы скопировать картину из будущего каталога своих работ и прославиться благодаря этому.

Существуют ли машины времени в кротовых норах?

Наиболее изученными моделями машин времени являются кротовые норы. В рамках общей теории относительности их, очевидно, можно использовать для создания временных петель, такие расчеты ведутся с 1988 года. В принципе, достаточно быстро переместить одно отверстие относительно другого или приблизить его к сильному источнику гравитации, например, к нейтронной звезде или черной дыре. Тогда произойдет замедление времени, поскольку часы с большой скоростью замедляются в гравитационном поле. Поэтому в кротовой норе они действуют иначе, чем во внешней Вселенной. В зависимости от направления, в котором вы летите через кротовую нору, вы можете попасть в свое прошлое или будущее. (Однако невозможно вернуться назад во времени дальше того момента, когда кротовая нора была изначально использована в качестве машины времени.)

Такое путешествие во времени через кротовую нору отличается от обычных машин времени в научной фантастике в двух аспектах: машины времени через кротовую нору не перемещаются во времени, а являются частью самой космической архитектуры. И вместо того, чтобы перематывать само время вперед или назад, не покидая своего местоположения, путешественник во времени через кротовую нору отправляется в полет через пространство, которое заканчивается в его прошлом или будущем.

Главный вопрос заключается в том, применима ли теория относительности в этих экстремальных физических ситуациях или квантовые эффекты делают временные петли непроходимыми? В «машинах времени» всегда формируется так называемый горизонт хронологии: граница, разделяющая пространственно-временные области с нормальной и ненормальной причинно-следственной структурой.

Хокинг описал этот горизонт как место, где частицы света могут вращаться во времени. При этом они будут получать все больше и больше энергии, бесконечно много, практически за нулевое время. Источником энергии в конечном итоге должно быть само пространство-время, составляющее хронологический горизонт. Но поскольку питаемые им фотоны и гравитационное поле, связанное с их энергией, оказывают влияние на пространство-время, оно кардинально изменяется, так что временные циклы нарушаются. Таким образом, машины времени уничтожили бы сами себя после запуска.

Неясно, усиливают ли квантовые эффекты это влияние или подавляют его. По этому поводу существуют разные мнения и среди ученых ведутся длительные споры, в которых Хокинг принимал активное участие. Единственное, что до сих пор известно наверняка, это то, что квантовая физическая реакция недостаточна для универсальной защиты времени и что общий механизм защиты – если он вообще существует – должен быть найден в будущей «мировой формуле». В конце концов, сложные дискуссии показывают, что тема путешествий во времени уже не просто захватывающая фантастика, но и точная наука. Великие мысленные эксперименты в литературе и кино нашли свое второе пристанище в физике.

Вопрос времени

Уже есть тысячи серьезных исследовательских работ по путешествиям во времени. Однако существует всего лишь несколько непримиримых принципиальных позиций. И вовсе не обязательно, что путешествия во времени также несут с собой временные парадоксы. Могут существовать временные петли, но только такие, которые допускают «самостоятельное» развитие событий, то есть отсутствие парадоксов. Тогда, например, депрессивный путешественник во времени не мог убить себя в младенчестве, он промахнулся бы или ошибся.

Или путешествие во времени ведет в параллельные миры. Это также опровергло бы еще одно возражение Хокинга:

Ответ заключается не в том, что они уже давно среди нас, но не выдают себя, потому что мы бы заперли их в психиатрических отделениях, а скорее в том, что обитатели будущего (пока) не посещали нас, но, возможно, это делали наши двойники в параллельном мире или в параллельном времени.

Все это интересные предположения. На данный момент вопрос о возможности путешествий во времени и их значимости остается без ответа. И его, вероятно, придется отложить до тех пор, пока не будет найдена «мировая формула». Однако, поскольку это еще далеко, физики анализируют более простые, менее экзотические сценарии. В 1998 году Хокинг и его студент Майкл Кэссиди опубликовали исследование о защите времени в квантовой физике: в некоторых случаях им удалось доказать, что временные петли вообще не могут образовываться. Главный вопрос заключается в том, применим ли этот результат в целом.

Последнее слово по этой сложной теме еще не сказано. Приблизительные расчеты слишком грубы, а более точных теорий пока не существует. Гипотеза о защите хронологии не является полной, и Хокингу пришлось пересмотреть детали.

Вопросы

1. Почему Хокинг ценит научную фантастику?

◻ Д а. Потому что она не учитывает законы природы

◻ Д б. Потому что она расширяет человеческое воображение

◻ Д в. Он ее не любил и считал слишком детской

2. Какова была самая большая (научная) ошибка Хокинга?

◻ Д а. Предположение, что время обращается вспять в коллапсирующей Вселенной

◻ Д б. Введение космологической постоянной

◻ Д в. Гипотеза о том, что черные дыры испаряются

3. Как образуются «младенческие вселенные»?

◻ Д а. Может быть, из черных дыр или кротовых нор

◻ Д б. Всякий раз, когда черная дыра испаряется

◻ Д в. Не образуются совсем, если гипотеза Хокинга о защите хронологии верна.

4. Что такое временной парадокс?

◻ Д а. Эффект, который предотвращает его причину

◻ Д б. Причина, которая предотвращает свое следствие

◻ Д в. Следствие, которое не порождает свою причину

5. Что говорит гипотеза Хокинга о защите хронологии?

◻ Д а. Временные петли невозможны по законам природы

◻ Д б. Временные парадоксы допускаются только в особых случаях

◻ Д в. Путешествие во времени может происходить только под наблюдением патруля времени

Ответы: 1б, 2а, 3а, 4а, 5а

Инопланетяне, боги мир

Мечта человечества – найти ключ, открывающий доступ к последним тайнам Вселенной. Физики не являются исключением. Они также стремятся раздвинуть границы и заложить еще более глубокие основы знаний. Они хотят понять, что удерживает мир в своей основе и как самое малое тесно связано с самым большим. Они ищут сверхсилу, которая управляла Большим взрывом и, возможно, смогут его объяснить.

Стивен Хокинг однажды объявил о закате теоретической физики: «Если бы была найдена «формула мира», здесь бы нечего было делать». Однако потом он взял свои слова обратно. Он и многие его коллеги активно размышляли о том, как может выглядеть следующая революция в физике. Были и другие темы, которые его волновали. Однако они кажутся уже не столь глобальными: будущее человечества, существование внеземного разума и вопрос о Боге.

В космос

Хокинг критически смотрел на будущее человечества. Не следует недооценивать опасность разрушения окружающей среды, изменения климата, войн, а также, возможно, искусственного интеллекта будущих компьютеров и роботов. Да и быстрый рост населения подобен бомбе замедленного действия. Это основная причина роста потребления энергии и других ресурсов. Скоро эксплуатация планеты достигнет предела своих возможностей. Это доказывает даже самый грубый расчет:

«В

Таким образом становится особенно важно, чтобы человечество резко активизировало свои пока еще нерешительные усилия в области космических путешествий. Космические колонии и станции на Луне и Марсе могут показаться научной фантастикой, но в долгосрочной перспективе они являются гарантией выживания. Оставаясь в одиночестве на Земле, человечество становится крайне уязвимым – не только перед лицом собственных неудач (разрушение окружающей среды, Третья мировая война), но и ввиду надвигающихся катастроф из космоса, особенно разрушительных столкновений с планетоидами или кометами.

Не очень хорошие перспективы, если человечество продолжит в том же духе.

В очень долгосрочной перспективе у человечества не останется иного выбора, кроме как эмигрировать, если только оно не уничтожит само себя, потому что солнце становится все жарче и жарче. Через несколько сотен миллионов лет выжить смогут только бактерии. Через один-два миллиарда лет даже океаны испарятся. Через 7,6 миллиарда лет Солнце превратится в красного гиганта и безжалостно поглотит Землю.

В 2016 году Хокинг представил программу«Breakthrough Starshot»[15],которая финансируется частными лицами и фондами и направлена на отправку космических зондов (starchips) размером всего в несколько сантиметров с помощью лазерных лучей к соседней звезде Альфа Центавра в течение 20 лет. Со словами «Космос, я иду!» 26 апреля 2007 года Хокинг уже сделал символический первый шаг в сторону частных космических путешествий с участием человека: во время параболических полетов специальный самолет делает «горку» а затем пикирует так, что пассажиры находятся в свободном падении в течение двух десятков секунд и испытывают невесомость, как в космосе. При этом Хокинг свободно парил по кабине. Впервые за десятилетия он на несколько мгновений не был прикован к инвалидному креслу и не чувствовал себя под гнетом гравитации. Это была настоящая легкость бытия.

Полный отрыв – Хокинг в невесомости во время параболического полета.

Страх перед инопланетянами

Поскольку каждая звезда рано или поздно сгорает, высокотехнологичная цивилизация рано или поздно должна либо вымереть, либо покинуть родную планету и колонизировать космос. Тогда инопланетяне тоже могли бы искать новые миры, даже несмотря на то, что расстояния между звездами огромны и путешествия занимают соответственно много времени. Может быть, инопланетяне уже положили глаз на Землю?

С 1960 года астрономы прислушиваются к сигналам других цивилизаций в космосе. Были предприняты попытки изучить множество звезд, особенно с помощью радиотелескопов, но пока безуспешно. Неясно, есть ли вообще внеземной разум в Млечном Пути, и если да, то где и сколько их. Открытие таких инопланетных культур, несомненно, стало бы одним из самых захватывающих моментов в истории человечества.

Стивен Хокинг считал важным поиск внеземных посланий и косвенных свидетельств от других цивилизаций. Поэтому он также поддержал инициативу«Breakthrough Listen» –десятилетнюю программу SETI («Поиск внеземного разума»), запущенную в 2015 году с бюджетом 100 миллионов долларов. Однако он предостерег от отправки собственных сообщений в космос. Это случалось намеренно несколько раз; и радио-, беспроводные и телевизионные сигналы, а также еще более мощные лучи военных радаров уже многие десятилетия распространяются в космосе со скоростью света – они уже достигли более 5000 соседних звезд. И этот факт вызывал озабоченность не только у Хокинга.

Предупреждение Хокинга не следует путать с научным утверждением. Это не одно и то же. Но он затронул больной вопрос о поисках внеземных разумных существ. Они не обязательно будут миролюбивы, альтруистичны и мудры – иными словами, они не будут такими, какими люди хотят видеть себя, при этом чаще всего такими и не являясь. Скорее всего, в неизведанных глубинах космоса могут таиться большие опасности.

Учитывая колоссальные усилия, необходимые для межзвездных перелетов, и предполагаемую высокую технологичность инопланетян, крайне маловероятно, что им нужны рабы или мясо для пропитания, тем более что высший разум, безусловно, может рассчитывать на превосходную робототехнику и биотехнологии. В каждой галактике также имеется бесчисленное множество планет с сырьевыми ресурсами – вероятно, только в Млечном Пути насчитывается несколько миллионов миров, подобных Земле. Вопреки опасениям Хокинга, высокоэффективным цивилизациям не придется эксплуатировать живой мир. Но, возможно, они хотят чего-то совершенно иного: верующих душ и слепого обожания.

Атака из космоса?

Хокинг предостерегал от радиосообщений к звездам, поскольку они могут привлечь злонамеренных захватчиков.

Возможно, пришельцы – религиозные фанатики и беспощадные миссионеры! Но даже в этом случае предупреждение Хокинга оправдано: не стоит столь активно передавать сообщения в космос. Риски гораздо больше, чем предполагаемая польза. И даже если бы инопланетяне уже давно обнаружили Землю, попытки вступить с ней в контакт могли бы излишне привлечь их. Однако все это делает поиск признаков внеземных цивилизаций еще более важным: не только как фундаментальное научное исследование, но и как космическое просвещение. Иначе человечество останется глухим, слепым и невежественным.

Поиск формулы мира

Крупный прогресс в теоретической физике часто происходит тогда, когда для совершенно разных явлений находят единое описание. Это открывает новые фундаментальные законы природы или связывает отдельные теории и модели. Одним из примеров является описание Хокингом теплового излучения черных дыр, именно оно выявило ранее неизвестные связи между теорией относительности, квантовой физикой и термодинамикой.

Особенно впечатляющей историей успеха является исследование фундаментальных взаимодействий в природе. В древние времена считалось, что небесные и земные сферы в физическом плане принципиально различны. Однако одна и та же сила заставляет планеты вращаться вокруг Солнца и не дает яблоку упасть далеко от дерева, как продемонстрировал Исаак Ньютон в 1680-х годах своим законом

Одним из величайших открытий в науке является понимание структуры материи. Кварки и электроны в настоящее время считаются элементарными частицами. Но, возможно, существуют еще более мелкие единицы, или все вложено в бесконечно малое, как в матрешку. Однако первый аргумент против непрерывной делимости заключается в том, что кварки невозможно изолировать, поскольку энергия, необходимая для их разрыва, настолько высока, что это явно привело бы к созданию новых связанных кварков. Во-вторых, согласно пока еще спекулятивным теориям квантовой гравитации, даже пространство и время не являются непрерывными, а становятся зернистыми или пенистыми в масштабах Планка (10-35 метров, 10-43 секунд). Согласно теории струн, все формы материи и энергии состоят из одномерных струн (или многомерных неделимых объектов, называемых бранами).

Такой «формулой мира», великой целью современной физики, была бы теория квантовой гравитации. Она призвана объединить квантовую теорию и общую теорию относительности (включающую теорию гравитации Ньютона как предельный случай) в супертеорию. Это объединило бы теории наименьшего и наибольшего (что необходимо, поскольку во время Большого взрыва большое было маленьким: вся Вселенная, которую можно наблюдать сегодня, была меньше атома). Даже различие между материей и частицами, передающими силу, может стать несущественным; они были бы «суперсимметричными», как говорят физики.

После того как в 1970-х годах Хокинг внес значительный вклад в так называемую евклидову квантовую гравитацию, которую можно применять лишь приблизительно, но которая уже допускает конкретные расчеты, особенно в космологии, в 1990-х годах он стал сторонником теории струн – или, скорее, различных ее версий, которые, по-видимому, являются компонентами еще более всеобъемлющей теории – М-теории.

Многомерная физика – это научный подвиг. Он взрывает воображение, поскольку дополнительные измерения невозможно оценить или исследовать. Но они могут иметь физические последствия. Вот наглядный пример: в привычном мире канатоходец может двигаться только в одном измерении – по длине каната. Крошечные «свернутые» дополнительные измерения ему недоступны. А вот муравей может ползти по канату совсем иначе. Так и для некоторых частиц и струн открыты другие измерения.

(«М» означает «мембранная», «материнская», «матричная», «мистическая» и «магическая»… а среди критиков даже «мутная»).

Согласно теории струн, фундаментальными строительными блоками природы являются не точечные элементарные частицы, а крошечные одномерные струны. Поэтому известные элементарные частицы были бы просто колебаниями таких струн, а материя была бы мелодией. Однако теория струн требует экстравагантного предположения, иначе ее невозможно сформулировать без противоречий: существование шести или семи неизвестных дополнительных крошечных пространственных измерений.

Следующий эпизод, возможно, лучше всего иллюстрирует, насколько велики были ожидания Хокинга от теории струн /М-теории: когда автор спросил Хокинга, какой общий вопрос он задал бы всезнающей фее,

Хокинг не стал долго колебаться и сказал своим компьютерным голосом:

«Полна ли М-теория?»

Еще есть место для творца?

В своем бестселлере «Краткая история времени» Хокинг задавался риторическим вопросом: где было бы место для Бога, если бы физический мир был в значительной степени понятен. Книга эффектно заканчивается загадкой для читателя: полное объяснение Вселенной было бы «окончательным триумфом человеческого разума», «потому что тогда мы познали бы Божий замысел» (или «разум» Бога, по-английски Хокинг употребил слово «mind»). Но Хокинг не собирался этим ломать религиозные постулаты. На самом деле он неоднократно давал понять, что в таких метафорах он подразумевает под «Богом» только безличные законы природы, точно так же, как это делал Эйнштейн в нескольких, часто неверно истолкованных утверждениях.

Тем не менее, многие верующие видят в кажущемся порядке мира указание на существование высшего разума. Они не хотят признавать, что Вселенная – это странный плод случая и необходимости, не имеющий ни цели, ни предназначения. Но законы природы можно объяснить вполне естественным образом (что также подтверждается исследованиями Хокинга).

«Если бы Вселенная была действительно полностью самодостаточной, если бы она действительно не имела границ или краев, то у нее не было бы ни начала, ни конца: она бы просто была. Где же было бы место для Творца?»

Этот вопрос вызвал много дискуссий. Однако в понимании большинства верующих Бог не сводится к «создателю», который устанавливает законы природы и физические константы или вызывает Большой взрыв. Бог обычно рассматривается не только как создатель мира, но он также сохраняет его и снова разрушает, диктует системы ценностей, отвечает на молитвы и вмешивается в ход событий в мире. Такое убеждение, или благочестивое желание, невозможно опровергнуть физически из-за отсутствия проверяемости, но его, безусловно, можно критиковать с точки зрения философии. Именно это и сделал Хокинг, утверждая, что Бог больше не нужен в современной космологии. Религию можно в лучшем случае воспринимать как странное личное дело, к которому сам Хокинг не относился серьезно.

«Я жил с ожиданием неминуемой смерти. Я рассматриваю мозг как своего рода компьютер, который перестает работать, когда его компоненты выходят из строя. Для сломанных компьютеров не существует рая или загробной жизни; это сказка для людей, которые боятся темноты».

Другие вселенные и конец физики?

Устаревшее предположение о Творце, создавшем и устроившем Вселенную, является излишним и даже вредным в современной космологии. Но вопросы не прекращаются. До сих пор остается загадкой, почему законы природы вообще существуют и почему они такие, какие они есть. Если они начались с Большого взрыва, то возникает и вопрос: как произошел Большой взрыв и почему он создал эту конкретную Вселенную? Почему есть что-то, а не ничего? Разве «плод случая и необходимости» (как выразился греческий философ Демокрит) не мог дать совершенно иные результаты?

Пытаясь ответить на эти вопросы, Хокинг и некоторые его коллеги размышляли о радикальном расширении картины мира:

Согласно этому, Большой взрыв и наша Вселенная не были чем-то уникальным и особенным, а были частью огромной мультивселенной: гигантского собрания Вселенных с совершенно разными свойствами. В большинстве этих более или менее отдельных Вселенных могут быть различные законы природы и константы. Возможно, у них даже разное количество пространственных или временных измерений. Многие Вселенные не создают жизнь, потому что, например, они не содержат материю или звезды. Определенное количество измерений тоже сыграло свою роль. Второе измерение времени нарушило бы структуру причины и следствия. При наличии дополнительных пространственных измерений не могло бы быть стабильных атомов и планетарных орбит. Однако при наличии только двух пространственных измерений не смогли бы развиваться сложные взаимосвязанные структуры.

У двухмерной собаки возникла бы проблема: она бы легко развалилась.

Универсальная формула мира или Теория всего, вероятно, объяснила бы, как произошел Большой взрыв, что происходит внутри черных дыр, как силы, энергия и материя образуют единство, возможны ли путешествия во времени, кротовые норы и параллельные Вселенные – короче говоря, что такое мир на самом деле и что лежит в его основе. Это также раскрыло бы тайну зловещей темной материи и темной энергии, которые составляют около 95 процентов плотности энергии нашей Вселенной (обычная материя обеспечивает только пять процентов). Весьма сомнительно, что теория струн или М-теория смогут докопаться до всего этого. Однако теория квантовой гравитации дала бы нам новые знания, значение которых трудно переоценить.

Когда Хокинг только стал профессором Кембриджа, он уже упоминал о такой формуле мира и ее значении в своей вступительной лекции 29 апреля 1980 года. Ее название было: «Виден ли конец теоретической физики?» Хокинг начал с предположения,

Этот оптимизм был явно поспешным. На сегодняшний день неясно, существует ли и может ли быть найдена теория, которая объяснит все известные и неизвестные законы природы как единственно возможное следствие нескольких простых предположений. Но Хокинг не сдавался. На пресс-конференции в Мюнхене в 2001 году он сказал:

На вопрос автора, являются ли «формула мира» и выведенные из нее законы природы всего лишь творениями человека или они существуют независимо от нас (как мир идей, о котором говорил Платон), Хокинг ответил:

Даже при наличии универсальной формулы мира вопросы не исчезнут. Если Вселенная (или мультивселенная) возникла из «ничего», как сказал Хокинг, это еще вовсе не означает радикального небытия по версии метафизиков и теологов (а последние действительно предполагают существования некоего «нечто»: Бога), а учитывает квантовый вакуум, существование и «творчество» которого отнюдь не самоочевидны. Более того, оставалось бы загадкой, откуда берутся законы природы и почему формула мира такая, какая она есть. Даже если бы она была найдена, она не смогла бы дать окончательных, неоспоримых ответов. Хокинг не пытался скрыть эти моменты под покровом своей научной уверенности, а, наоборот, специально подчеркивал их:

Вопросы

1. Почему Хокинг выступал за космические путешествия?

◻ а. Потому что это развивает технологии

◻ б. Потому что это делает нацию великой

◻ в. Потому что иначе человечество не сможет выжить

2. Почему Хокинг предупреждал об опасности посланий инопланетянам?

◻ а. Чтобы не привлекать их, ведь это может угрожать человечеству

◻ б. Примитивные земляне не должны мешать им

◻ в. Вера в инопланетян – это смешно или безумно

3. Зачем нужна теория квантовой гравитации?

◻ а. Гравитацию нельзя описать иначе

◻ б. Квантовая физика и теория относительности противоречат друг другу

◻ в. Иначе не было бы черных дыр

4. Какая «теория всего» была любимой у Хокинга?

◻ а. Петлевая квантовая гравитация

◻ б. Теория струн/М-теория

◻ в. Гиперуниверсальная

5. Во что верил Хокинг?

◻ а. Что Бог создал Вселенную

◻ б. Что после смерти есть райская жизнь

◻ в. Что люди смогут понять законы природы

Ответы: 1в, 2a, 3б, 4б, 5в

Ранним утром 14 марта 2018 года Стивен Хокинг скончался в своем доме по адресу Вордсворт Гроув, 23 на юго-западе Кембриджа. Вероятно, ему понравилась бы эта дата, ведь он гордился тем, что родился ровно через 300 лет после смерти Галилео Галилея, 8 января 1942 года. А 14 марта – это не только день рождения Альберта Эйнштейна, которого Хокинг ценил больше всех других исследователей, и который также прожил 76 лет, но и любимая дата математиков: День числа Пи – в честь числа π = 3,14… (отношение длины окружности к ее диаметру), которое фигурирует во многих фундаментальных законах природы, в том числе в формулах, открытых Хокингом.

Со смертью Хокинга завершилась целая эпоха в физике и космологии, и прежде всего их популярности в обществе. Теперь очень не хватает творческих идей Хокинга и его уникальной способности передавать знания и быть голосом разума. Такое ничем не заменишь. Но его научное наследие и вдохновение останутся с нами.

Конечно, Хокинг был необыкновенным человеком. Он никогда не стремился к культу своей личности, но постоянно был в центре большого общественного внимания. В его случае это было неизбежно, и ему было намного сложнее справляться с этим давлением, чем человеку без каких-либо серьезных заболеваний. Хокинг реагировал исключительно с иронией, чем вызывал дополнительную симпатию к себе.

Конечно, он хотел, чтобы его книги читали. А круглосуточный уход за ним стоил целое состояние. Но он не позволил себя обмануть. Для него всегда было важно, что наука – это не о человеке или вере, а о природе, о вопросах и проблемах, о критике и исправлении, а также о споре идей и поиске истины.

Мало кто сталкивался с фундаментальными тайнами мира так, как он. И еще меньшему числу удалось найти решения, которые остаются в силе или по крайней мере являются важными шагами на пути к еще более фундаментальным открытиям.

Это стало темой не только его научных статей, но и научно-популярных книг, публикаций и лекций, с которыми Хокинг обращался к широкой аудитории. В дополнение к своим огромным достижениям как ученого он также внес важный вклад в общедоступное представление физических и космологических исследований и в интеллектуальное просвещение, которого все еще не хватает, несмотря на научные и технические достижения, и возможно, сейчас даже больше, чем когда-либо.

Тем не менее, Хокинг не был одиноким и уникальным гением. Он никогда и не видел себя таким. Его уважали и ценили коллеги, но ему не поклонялись как идолу. Бывало, однако, что ему, как ни странно, завидовали. Некоторые из его выводов пользуются большим уважением и являются общепризнанными, некоторые являются умозрительными и конкурируют в качестве гипотез с другими предложениями, и, конечно, были и есть также споры и критика. Это правильно и хорошо. Иначе наука бы не могла развиваться. Она бы закостенела, превратившись в догму, или привела бы к иррациональным убеждениям о бессилии человека.

Хокинг также допустил некоторые ошибки, не только в физике, но он признал их с юмором и открытостью и смог частично исправить. Не все его достижения имеют одинаковую значимость. Однако, возможно, полдюжины его идей навсегда сохранят свое почетное место в истории науки. Они расширили горизонт человеческих знаний, так что теперь каждый может лучше понять, какова эта странная Вселенная.

За несколько месяцев до смерти сам Хокинг ответил на вопрос о своем наследии следующим образом:

Дюжина Хокинга

Важнейшие темы его исследований и вклад в теоретическую физику и космологию, а также их место в современных научных дискуссиях.

Похороны с путешественниками во времени?

31 марта 2018 года в Кембридже состоялась большая панихида по Хокингу. По словам его троих детей, она была «инклюзивной и традиционной, чтобы отразить широту и разносторонность его жизни», имея в виду открытый атеизм отца. В сопровождении сотен людей, выстроившихся вдоль улицы и аплодирующих, шесть носильщиков из колледжа Хокинга внесли его дубовый гроб в церковь Святой Марии. Он был украшен белыми лилиями и белыми розами, которые символизировали Вселенную и Полярную звезду. Церковный колокол прозвонил 76 раз – по одному разу за каждый год жизни Хокинга.

Церемонию провел пастор Кэлли Хэммонд, декан колледжа Хокинга Гонвилл-энд-Киз, хор которого исполнил хоралBeyond the Night Sky[16],написанный и впервые исполненный по случаю его 75-летия. На мероприятии присутствовало около 500 гостей, в том числе гитарист группы Queen и астрофизик Брайан Мэй, писатель Алан Беннетт и основатель космической компании SpaceX Илон Маск.

Эдди Редмэйн, сыгравший Хокинга в биографическом фильме 2014 года «Теория всего», за который он получил «Оскар», прочитал отрывок из Книги Екклесиаста «Всему свое время» (3:1-11), а королевский астроном Мартин Риз – из «Апологии Сократа» Платона (главу 40). Старший сын Хокинга Роберт произнес прощальную речь вместе с его бывшей ученицей Фэй Доукер. Во время похорон по просьбе и за счет Хокинга в церкви Уэсли была организована трапеза для нуждающихся, на которой присутствовало более 50 человек.

15 июня прах Хокинга был захоронен в Вестминстерском аббатстве в Лондоне. Урна находится в «Уголке ученых» между Исааком Ньютоном и Чарльзом Дарвином. Последним ученым, похороненным в Вестминстерском аббатстве до Хокинга, был Лауреат Нобелевской премии по физике 1940 года Джозеф Дж. Томсон, первооткрыватель электрона.

Чтобы дать публике шанс поучаствовать в церемонии прощания, семья Хокинга решила разыграть 1000 билетов. На участие подали заявки более 25 000 человек из 100 стран. Разрешалась любая дата рождения до 31 декабря 2038 года: шутка, достойная легендарного чувства юмора Хокинга – вдруг среди желающих окажутся и путешественники во времени из будущего. (28 июня 2009 года он организовал коктейльную вечеринку для таких путешественников во времени в Кембридже,

Церемонию провел декан Вестминстера Джон Холл. Библейские чтения также прозвучали в исполнении дочери Хокинга Люси («Послание к римлянам» 12:9-21) и актера Бенедикта Камбербэтча, сыгравшего Хокинга в фильме ВВС 2004 года («Книга премудростей Соломона» 7:15-24). Астронавт Тим Пик прочитал отрывок из «Королевы Маб» Перси Биши Шелли (подобающий Хокингу: «В молчании своём красноречивом // Летела каждая сквозь глубину пространств»[17]). Выступили также двое друзей Хокинга: Мартин Риз и лауреат Нобелевской премии по физике Кип Торн. Музыкальное сопровождение составили «Планеты» Густава Холта и «Полет валькирий» Рихарда Вагнера, произведения, которые Хокинг очень ценил при жизни.

Послание в черную дыру

Затем последовало событие астрономического масштаба: радиопослание в космос. Это был первый случай, когда человечество решило непосредственно взаимодействовать с черной дырой. Небесное послание было передано в созвездие Единорога с помощью антенны Cebreros Европейского Космического агентство ЕКА в Испании. Там, примерно в 3500 световых годах от нас, находится система 1А0620-00, также называемая V616 Monocerotis. Она была открыта в 1975 году как первая рентгеновская новая и представляет собой оранжевую звезду массой 0,7 солнечных масс, вращающуюся вокруг компактного невидимого объекта массой около одиннадцати солнечных масс – ближайшей известной черной дыры к нашей Солнечной системе. Радиопередача представляла собой шестиминутное музыкальное произведение, написанное специально композитором Вангелисом. Под его музыку произносится сообщение компьютерным голосом Хокинга. В нем он, среди прочего, говорит:

Одним из величайших откровений космической эры является взгляд человечества на себя. Когда мы видим Землю из космоса, мы видим себя как единое целое; мы видим единство, а не разногласия. Простой образ с великим значением: одна планета, один человеческий вид. Мы здесь все вместе и должны жить вместе, проявляя терпимость и уважение. Мы должны стать гражданами мира. […]

Мы все путешественники во времени, отправляющиеся в будущее. Давайте работать вместе, чтобы сделать это будущее местом, которое мы бы хотели посетить».

Стивен Хокинг 3 июля 2017 г. в Кембридже на научной конференции, посвященной его 75-летию, с вручением первого издания этой книги автором.

Больше о Вселенной Хокинга

Научно-популярные книги Стивена Хокинга

■ Краткая история времени (A Brief History of Time, 1988)

■ Мечта Эйнштейна (The Dreams That Stuff Is Made Of, 1993)

■ Иллюстрированная краткая история времени (The Illustrated A Brief History of Time, 1997)

■ Вселенная в двух словах (The Universe in a Nutshell, 2001)

■ Кратчайшая история времени (A Briefer History of Time, 2006, с Леонардом Млодиновым)

■ Великий Замысел (The Grand Design, 2010, с Леонардом Млодиновым)

■ Мой короткий рассказ (Му Brief History, 2013)

■ У чёрных дыр нет волос? (Do Black Holes Have No Hair?, 2016)

■ Короткие ответы на большие вопросы (Brief Answers to the Big Questions, 2018)

Фильмы

■ Краткая история времени (A Brief History of Time, 1991, реж. Эррол Моррис)

■ Хокинг (Hawking, 2004, реж. Филип Мартин)

■ Хокинг (Hawking, 2013, реж. Стивен Финниган)

■ Вселенная Стивена Хокинга (The Theory of Everything, 2014, реж. Джеймс Марш)

■ Настоящий гений со Стивеном Хокингом (Genius by Stephen Hawking, 2016, реж. Бен Боуи)

Интернет-источники

■ Стивена Хокинга: hawking.org.uk

■ Центр теоретической космологии: www.ctc.cam.ac.uk

■ Последнее сообщение Хокинга: www.youtube.com/ watch?v=kiXWfLJ5T 64

Книги о жизни, творчестве и исследованиях Хокинга, написанные Рюдигером Ваасом

■ Новая вселенная Хокинга. 2018, 6-е изд.

■ Простое объяснение космоса Хокинга. 2011, 2-е изд.

■ От частицы Бога к формуле мира. 2014, 2-е изд.

■ Туннель сквозь пространство и время. 2018, 8-е изд.

■ За пределами Вселенной Эйнштейна. 2017, 4-е изд.

Изображения

Все рисунки принадлежат Гюнтеру Шульцу и частично основаны на идеях Рюдигера Вааса: с. 26, 35 сверху, 50, 52, 55, 60, 62, 67, 72, 74, 75,112, 113,133, 135 из книги Вааса: «Hawkings Kosmos einfach erklart»; с. 156 из книги Вааса: «От частицы Бога к мировой формуле»; с. 82, 87-88 из книги Вааса: «Bild der Wissenschaft» 2/1998, с. 82; с. 158 из книги Вааса: «Bild der Wissenschaft» 5/2013, с. 53; Микроволновое изображение, с. 58: сотрудничество ESA/ Planck 2013; Кривая измерений, с. 91: LIGO/Phys. Rev. Lett. 2016; Вдохновение: с. 49, 151, 162: Стивен Хокинг; с. 105: Микеланджело Буонарроти; с. 107: Венское центральное кладбище; с. 120: Джордж Пал: Машина времени; с. 127: Роджер Пенроуз; с. 128: Звездный путь: Следующее поколение; с. 139: Леонардо да Винчи; с. 146: Дуглас Трамбулл: «Безмолвный бег» и Дуглас Адамс: «Автостопом по Галактике»; с. 149: Ричард Флейшер: Soylent Green. Фото на с. 176: Рюдигер Ваас.

Примечания

Perimeter Institute – ведущий центр научных исследований, обучения и просвещения в области фундаментальной теоретической физики. Расположен в Ватерлоо, Онтарио, Канада.

Инстантон – от англ, instant – мгновение – локализованное во времени решение уравнения движения, сформулированное во мнимом времени.

Коллапс – от лат. collapsus – «упавший» – процесс разрушения какой-либо структуры.

Большой отскок – англ. Big Bounce – космологическая гипотеза формирования Вселенной, вытекающая из циклической модели, или интерпретация теории Большого взрыва, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада некоей «предыдущей» Вселенной.

Инфлатон – сверхмикроскопическая флуктуация особого квантового поля.

Инстантон – англ, instant – «мгновение», – особый вид флуктуации квантового поля в вакууме, удовлетворяющей классическим уравнениям движения; одно из важнейших понятий квантовой теории поля – КТП, – используемое в физике элементарных частиц. Инстантон выглядит как локализованная «псевдочастица» в пространстве на одну размерность больше, чем рассматриваемая. Например, для обычного трёхмерного пространства инстантон представляет собой четырёхмерную «псевдочастицу».

Антропный принцип – от греч. AvOpcbrnvoc; – лат.

Боденское озеро – нем. Bodensee, – озеро, находящееся в Предальпах на границе Германии, Швейцарии и Австрии

Квазары – сокращение от англ, quasi-stellar – «похожий на звезду» – по современным представлениям, активные ядра галактик на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество, формируя аккреционный диск. Он и является источником исключительно мощного излучения – иногда в десятки и сотни раз превышающего суммарную мощность всех звёзд таких галактик, как наша, и имеющего помимо космологического гравитационное красное смещение – уменьшение частоты и удлинение световых волн в сильном гравитационном поле, когда они «смещаются» в красную часть спектра. Это явление было предсказано А. Эйнштейном в общей теории относительности.

Эргосфера – от др.-греч. epyov – «эргон» – работа – область пространства-времени вблизи вращающейся чёрной дыры, расположенная между горизонтом событий и пределом статичности. Объекты, находящиеся в пределах эргосферы, неизбежно вращаются вместе с чёрной дырой.

Постоянная Больцмана – физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией. Её значение в Международной системе единиц СИ согласно изменениям определений основных единиц СИ точно равно: к = 1,380649 • 10 23 Дж/К, где Дж – «Джоуль» единица энергии, а К – Кельвин— единица термодинамической температуры. —

Квант – от лат. quantum – «сколько» – неделимая часть какой-либо величины в физике: напр. порция энергии – квант энергии.

Квантоваться – принимать только строго определенные значения, кратные некоторому минимальному значению – кванту. Например, число людей – в семье, в организации, в автобусе – может быть только целым, но не дробью.

Планковские единицы – одна из систем единиц измерения, основанных на естественных параметрах, а не на условных величинах – таких как метры или секунды. Предложена в 1901 году немецким физиком Максом Планком. Применяется в теоретической физике, поскольку в ней уравнения существенно упрощаются, их запись освобождается от излишних коэффициентов.

Breakthrough Starshot – это научно-исследовательский и инженерный проект Breakthrough Initiatives по разработке концептуального флота световых парусов межзвёздных зондов под названием Starchip, способных совершить путешествие к звёздной системе Альфа Центавра, находящейся на расстоянии 4,34 световых года. Проект был основан в 2016 году Юрием Милнером, Стивеном Хокингом и Марком Цукербергом. Первый корабль может быть запущен примерно в 2036 году. Он совершит облет и, возможно, сделает фотографии любых планет, похожих на Землю, которые могут существовать в системе. Второстепенными целями являются исследование Солнечной системы и обнаружение астероидов, пересекающих орбиту Земли. При скорости от 15% до 20% скорости света путешествие займёт от 20 до 30 лет, а передача сообщения со звездолёта на Землю займёт примерно 4 года. Европейская южная обсерватория (ESO) объявила об обнаружении планеты, вращающейся вокруг третьей звезды в системе Альфа Центавра, Проксимы Центавра, в августе 2016 года. Планета, получившая название Проксима Центавра Ъ, вращается в обитаемой зоне своей звезды. Она может стать целью одного из проектов «Инициативы прорыва».

Beyond the Night Sky – За пределами ночного неба – кантата, премьера которой состоялась 15 мая 2017 года в колледже Гонвилл-энд-Киз под управлением Джеффри Уэббера на частном ужине в честь 75-летия профессора Стивена Хокинга. Автор – Шерил Фрэнсис-Хоуд – вдохновлялась книгой Хокинга «Краткая история времени», беседой с Люси Хокинг, коротким, но прекрасным детским стихотворением «Вселенная» американского поэта Стивена Шнура и прослушиванием записей космоса, сделанных НАСА. Хокинг принял подарок с благодарностью, сказав, что произведение, вдохновленное в том числе космическими записями НАСА, «воссоздает необъятность космоса, от которой захватывает дух» и помогает ему понять, что заставляет Вселенную существовать.

Пер. Д. Захарова.

Спасибо за чтение

Вернуться к книге