Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Цель физиков-теоретиков – найти теории, которые были бы справедливы без исключений. Но, если у предположительно фундаментальной теории находится какой-либо изъян, теоретики не скорбят об этом – наоборот, чувствуют новый прилив сил. Мы пускаемся в поиски новой теории, той, которая будет объяснять все, что объясняла и предыдущая, и в то же время благополучно пройдет испытание, которое не выдержала предыдущая теория. Следующая теория может быть модификацией старой теории – как это случилось в 1998 году, когда так называемая стандартная модель элементарных частиц была изменена в связи с открытием массы нейтрино. Или это может быть совершенно новая теория – как это произошло с теорией Ньютона, когда на смену его законам движения и гравитации пришли квантовая физика и общая теория относительности.

Парад перманентно улучшающихся теорий, по идее, должен завершиться созданием так называемой «теории всего». Однако вердикт о том, что такая теория действительно существует – и если да, то что она собою представляет, – еще не вынесен. Эйнштейн посвятил созданию этой теории все последние годы своей жизни. Он называл ее единой теорией поля. Вам может прийти в голову, что если кто-то, как фокусник, вытащит эту теорию из своей шляпы, то это будет второй Эйнштейн. Но Эйнштейн в последние годы своей жизни преуспел лишь в том, что отдалился от стратегического направления физической науки. «Нынешнее поколение видит во мне, – писал он, – еретика и реакционера, который, если можно так выразиться, пережил сам себя».

Но Эйнштейн мог себе такое позволить. Он чувствовал, что достиг пика славы и заслужил право в конце жизни немного побороться с ветряными мельницами. Поэтому он обращал мало внимания на мнение ученой среды и продолжал свои донкихотские изыскания. Он, как и Стивен, был упрям. Надо ли говорить, что после смерти Эйнштейна (1955) поиски «теории всего» стали модным увлечением среди физиков.

Большинство дискуссий о «теории всего» не принимали во внимание тот факт, что в распоряжении физиков уже со второй половины XIX века имелось непротиворечивое описание всех физических явлений. Речь идет о теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. Эта теория и теория всемирного тяготения Ньютона вместе объясняли все известные (на тот момент) силы, существующие в природе. Когда в этот коктейль добавили еще законы движения Ньютона – которые описывают движение тел под действием этих сил, – полученная смесь, казалось, стала достаточной для описания всех процессов во Вселенной. По крайней мере, в принципе: для успешного применения теории все-таки надо было решать уравнения, описывающие интересующий нас процесс.

В этом-то все и дело. Без решения уравнений теория остается голым каркасом из принципов и методов. Для каждой физической системы (будь то электроны вокруг ядра атома, Солнечная система и т. д.) теория дает уравнения, решение которых описывает, как свойства этой системы меняются со временем (как излучает атом, планеты вращаются по орбитам и т. п.). Но обычно эти уравнения решить невозможно, поэтому большинство результатов в теоретической физике зависят от того, какое используется приближение. Именно это делает физику не только наукой, но и искусством.

Физики в конце XIX столетия были настолько уверены в глубине своих познаний, что лорд Кельвин, один из знаменитейших физиков своего времени, произнес в апреле 1900 года речь о будущем физики как науки. В ней он заявил, что все, что осталось сделать физикам – согнать пару облаков с уже почти безоблачного голубого неба. Одним из этих облаков стал эксперимент со скоростью света, проведенный американскими физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли. Другое облако – явление под названием «чернотельное излучение». Кельвин полагал, что эти незначительные аномалии ученые-физики вскоре смогут разъяснить в рамках существующих концепций. Впоследствии выяснилось, что эти препятствия – не два маленьких облачка в голубом небе, а скорее два массивных айсберга, вставшие на пути корабля в океане.

Чтобы объяснить эксперимент Майкельсона – Морли, нужно было придумать специальную теорию относительности, что и сделал Эйнштейн в 1905 году. Чтобы объяснить излучение черного тела, нужно было создать квантовую теорию. Над ее созданием трудилась целая плеяда блестящих физиков на протяжении десятков лет, с 1900 по 1925 год. Вместе эти две теории потопили корабль с ньютоновскими законами движения, которые лежали в основе физики в дни Кельвина, да и вообще на протяжении нескольких предыдущих столетий. Больше никогда эти ньютоновские законы не будут восприниматься как фундаментальная истина.

Кельвин, говоря о двух аномалиях, забыл еще об одном «облачке», которое затеняло чистый небосклон ньютоновской физики. В середине XIX века было обнаружено, что Меркурий слегка отклоняется от пути, предписанного ему законом всемирного тяготения Ньютона. Отклонение было маленьким, но оно реально существовало и высвечивало слабое место закона. Как оказалось, открытие этого крошечного отклонения предзнаменовало собой третью революцию в физике – появление общей теории относительности Эйнштейна в 1915 году.

С пришествием специальной и общей теории относительности, а также квантовой механики, законы движения и всемирного тяготения Ньютона потеряли свою актуальность. В меньшей степени в этот период потрясений пострадала теория электромагнетизма Максвелла. Законы Максвелла потребовали ревизии с учетом специальной теории относительности и квантовой механики, но не потеряли своего значения и по сей день. Из всего этого следует такой вывод: когда физическая теория слаба, об этом часто свидетельствуют аномалии, кажущиеся небольшими – отклонения, преодолеть которые, как нам кажется, можно с помощью безобидной интерпретации [2] Две необъяснимые аномалии в современной физике – темная материя и темная энергия. Удастся ли их со временем объяснить в рамках современных теорий, придется ли улучшать эти теории или потребуется совершенно новый подход? Никто не знает. .

Нечто подобное тому, как развивались физические теории, происходило и со здоровьем Стивена. В последний год учебы в Оксфорде он почувствовал проблемы с координацией движений. Он становился все более неуклюжим, ему все труднее было говорить. Эти два, кажущиеся незначительными недуга, были верхушками айсберга фундаментальной болезни, угнездившейся внутри него. Он выглядел здоровым подростком, но правда заключалась в том, что тело его было нездоровым. Оно было больным.

В отличие от лорда Кельвина, Стивен не был склонен пренебрегать айсбергами. Подозревая у себя серьезное недомогание, он отправился в университетский медпункт. Доктор, который исследовал Стивена, спровадил его со словами: «Бросайте пить пиво».