Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Одна из главных трудностей, с которыми они столкнулись в ходе работы, состояла в математическом доказательстве своих теорий, превращении их из отвлеченных идей в эмпирически правдоподобные гипотезы; они должны были разработать новые приемы вычислений. С подобными сложностями сталкивался за полвека до этого и Эйнштейн, когда математически доказывал ОТО. Эйнштейн не был блестящим математиком – как и Хокинг. Зато, к счастью для Хокинга, блестящим математиком был Пенроуз. Более того, Пенроуз был в первую очередь именно математик, а уже затем физик – но на таком глубоком уровне, где эти дисциплины уже почти неразличимы.

На самом деле все сводится к разнице в подходах. Хокинг предпочитает опираться в работе в основном на интуицию: он просто знает, верна гипотеза или нет. У него поразительное чутье – будто у музыканта, который играет на слух. А Пенроуз думает и работает иначе, скорее как концертирующий пианист, играющий по нотам. Эти подходы прекрасно дополняли друг друга и вскоре принесли очень интересные результаты, касающиеся природы ранней Вселенной. Как выразился когда-то Деннис Сиама, «[Эти теории] требовали весьма изощренных интеллектуальных методов, по крайней мере, по стандартам физиков-теоретиков». [33]Пенроуз любил наглядные методы работы, с использованием схем и рисунков, и Хокинга это вполне устраивало. Он вообще предпочитает наглядные изображения математическим формулам. И ему значительно проще обращаться с картинками, чем с формулами, которые он не может записать и вынужден запоминать наизусть.

Еще студентом Хокинг стал верным последователем философа Карла Поппера. Главная тема философии Поппера – мысль, что традиционный подход к исследованиям, «научный метод», который первыми усвоили ученые вроде Ньютона и Галилея, на самом деле неадекватен.

Традиционный подход к научным исследованиям состоит из шести этапов. Сначала – наблюдение или эксперимент. Потом ученые пытаются создать общую теорию, которая объясняет по индукции, что они пронаблюдали, а затем предлагаю гипотезу, основанную на общей теории. Затем следуют попытки проверить гипотезу дальнейшими экспериментами. Таким образом первоначальную теорию либо доказывают, либо опровергают, после чего ученый считает, что она либо истинна, либо ошибочна, пока не доказано обратное.

Поппер ставит этот процесс с ног на голову и предлагает другой подход. Возьмите какую-то задачу. Предложите решение или теорию, которая объясняет, что происходит. Продумайте, какие из вашей теории следуют доказуемые утверждения. Проведите испытания или эксперименты, которые должны не доказать ваши утверждения, а опровергнуть. Сопоставьте опровержения с первоначальной теорией – и получите новую теорию, лучше прежней.

Главное различие между подходами состоит в том, что согласно традиционному научному методу ученый, сделав наблюдение, пытается подтвердить теорию дальнейшими экспериментами. По системе Поппера ученый пытается опровергнуть теорию, чтобы найти теорию получше. В этом смысле идеи Поппера очень нравились Хокингу и многим его коллегам, и он часто применял их в своей научной работе. Автор научно-популярных книг Деннис Овербай как-то спросил Хокинга, как работает его мысль. Хокинг ответил:

Иногда я делаю предположение, а потом пытаюсь его доказать. Много раз получалось, что в процессе доказательства я находил контрпример, и тогда предположение приходилось менять. Иногда это что-то, над чем уже работали другие. Мне кажется, статьи часто пишут туманно, я их просто не понимаю. Тогда я пытаюсь истолковать их, приспособить к своему образу мыслей. Часто бывало, что у меня появлялась идея, и я начинал работать над статьей, а на полпути оказывалось, что идея гораздо сложнее.

Я очень часто работаю интуитивно, просто мне приходит в голову, что та или иная гипотеза, похоже, верна. Потом я пытаюсь это доказать. Иногда выясняется, что я ошибся. Иногда оказывается, что ошибочна первоначальная идея, но это наталкивает на новые идеи. Мне очень помогает обсуждение своих соображений с другими. Даже если они не говорят ничего полезного, мне самому многое становится понятнее, когда нужно кому-то все объяснять . [34]

Тогда, в конце 1960-х, Стивен Хокинг и представить себе не мог, какую важную роль предстоит сыграть его идеям в ближайшем будущем.

В 1960-е годы были сделаны четыре открытия – два в изучении черных дыр и два в космологии, – которые возродили интерес к сингулярным решениям уравнений Эйнштейна. В результате исследований, на которые вдохновили ученых эти открытия, а особенно – плодов сотрудничества Хокинга и Пенроуза, – физики в начале 1970-х поняли, что в силах примириться с немыслимым: оказывается, следствие из ОТО, согласно которому во Вселенной могут существовать точки бесконечной плотности, то есть сингулярности, вовсе не означает, что в уравнения Эйнштейна вкралась ошибка. Сингулярности и правда могут существовать. А для тех, кто отчаянно цеплялся за прежнюю картину мироздания, все складывалось еще хуже: похоже, вся Вселенная – тоже черная дыра, на которую мы смотрим изнутри горизонта Шварцшильда, а значит, в начале времен вполне могла быть сингулярность, не скрытая от нас, – «голая» сингулярность.

Все началось в 1963 году, когда были открыты квазары. История квазаров на самом деле началась в последний день 1960 года. В 1950-е астрономы при помощи телескопов, регистрировавших не видимый свет, а радиоволны, обнаружили во Вселенной много объектов, испускавших радиошум. Некоторые такие объекты были видны как яркие галактики и получили название радиогалактик, но были и такие, которые не удавалось отождествить ни с какими известными видимыми объектами. Потом, в конце 1960 года, американский астроном Аллан Сэндидж сообщил, что один из радиоисточников, открытых во время обзора, проведенного кембриджскими радиоастрономами (так называемый источник 48), можно отождествить не с далекой галактикой, а с яркой звездой. В ближайшие несколько лет были обнаружены и другие радиозвезды, но никто не мог объяснить, как им удается испускать радиошум. Затем, уже в 1963 году, Мартен Шмидт, который работал в обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии, объяснил, почему другой такой объект – 3C 273 – обладает весьма необычным спектром.

Состав любой звезды (и вообще любого горячего объекта) выдает природа испускаемого ей света. Каждый элемент – водород, гелий, кислород – поглощает и испускает энергию лишь с конкретными длинами волн из-за квантовых эффектов, о которых мы говорили во второй главе. Поэтому, когда свет от звезды или галактики при помощи призмы разлагается на спектр, мы видим, что этот спектр пересекают темные и светлые полосы разной длины волн, которые соответствуют атомам тех или иных элементов в атмосфере звезды (или звезд, из которых состоит галактика). Спектральные линии индивидуальны, как отпечатки пальцев, и у атомов одного элемента всегда один и тот же набор длин волн. Однако астрономы уже знали, что у галактик вне Млечного Пути эти спектральные линии слегка сдвинуты к красному концу спектра. Знаменитое «красное смещение» вызвано расширением Вселенной, которое растягивает пространство, а следовательно, и длину волн света, идущего к нам от далекой галактики. Именно открытие «красного смещения» и подсказало астрономам, что Вселенная расширяется, однако этому поначалу не поверил даже сам Эйнштейн.