Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Ходили слухи, что университетская администрация, вероятно, решила не давать эту должность тяжелому инвалиду, поскольку опасалась, что он долго не проживет. Однако к марту 1977 года университет все-таки предоставил Хокингу специально созданную для него позицию профессора физики гравитации. Эту должность закрепили за ним на все время, которое он пробудет в Кембридже. В том же году Хокинг получил место профессора-исследователя в Киз-колледже – опять же особую должность, которую предоставило ему руководство колледжа.

Звания, награды и премии текли рекой. Роберт Берман, куратор Хокинга из Оксфорда, рекомендовал его на должность почетного сотрудника Университетского колледжа. В своем обращении в Комитет по общим вопросам он писал:

Некоторые его достижения перечислены в свежем выпуске «Who’s Who», но новые почетные награды ему присуждают так часто, что пресса за этим не поспевает.

Мне представляется, что наш колледж еще никогда не выпускал такого выдающегося ученого, и для нас будет большая честь, если его успехи в глазах широкой публики окажутся связаны с нами (поскольку внешний мир убежден, что он целиком и полностью продукт Кембриджа).

Вероятно, просить Комитет рассмотреть кандидатуру почетного сотрудника, которому нет еще и тридцати пяти, несколько неожиданно, однако на то есть две причины. Во-первых, это исключительный случай, и нам не придется ждать, когда все поймут, что он оставил свой след в науке. Имя Хокинга упоминается практически во всех статьях и лекциях по черным дырам. Его книга («Крупномасштабная структура пространства-времени») – монография, давно необходимая каждому космологу.

Во-вторых, Хокинг тяжело болен и прикован к инвалидному креслу. У него прогрессирующий паралич, который, как правило, убивает своих жертв очень быстро. Его физическое состояние ужасно, однако разум функционирует нормально. Надеюсь, никто не сочтет, что нам нужно обязательно дожидаться, пока он получит Нобелевскую премию!

Берман считал, что, вероятно, ему придется еще побороться. И был просто поражен, когда рекомендацию приняли без единого возражения на первом же заседании Комитета.

Хулиган, малевавший надписи на мосту, лентяй, который всего шестнадцать лет назад в Оксфорде больше пил, чем работал, прошел очень долгий путь.

К концу 1974 года труды Хокинга по черным дырам показали, что, если опираться только на ОТО, уравнения гласят, что площадь поверхности черной дыры не уменьшается. Но стоило прибавить к формулам законы квантового мира, как оказалось, что эта площадь не просто способна сокращаться – рано или поздно черная дыра исчезнет в гамма-вспышке. Ранние работы Хокинга в соавторстве с Пенроузом показали, что, если опираться только на ОТО, из уравнений следует, что Вселенная рождена из сингулярности, точки бесконечной площади и нулевого объема, приблизительно 15 миллиардов лет назад. Совершенно естественно, что следующая научная задача, которую поставил перед собой Хокинг: что будет с этим выводом, если учесть законы квантового мира.

Ответить на этот вопрос было нелегко. Физики давно, еще со времен квантовой революции 1920-х годов, старались свести квантовую теорию и теорию относительности в одну всеобъемлющую единую теорию. Сам Эйнштейн последние двадцать лет жизни в науке посвятил решению этой задачи – и ничего не добился. Более того, полная теория квантовой гравитации до сих пор ускользает от математиков. Однако Хокинг ограничился конкретным вопросом, как взаимодействовали теория относительности и квантовая механика в начале времен, и достиг определенного прогресса – до такой степени, что к началу 1980-х задался вопросом, было ли вообще начало времен. Чтобы понять, как ему пришла в голову такая поразительная гипотеза, придется вернуться к квантовой теории – точнее, к ее интерпретации, которую разработал великий американский физик Ричард Фейнман. Его вариант называется «сумма историй» или «интегралы по траекториям».

Основные черты квантовой механики нагляднее всего демонстрирует так называемый «эксперимент с двумя прорезями». Суть эксперимента в том, что луч света или поток электронов направляют сквозь две узкие прорези в стене на экран на противоположной стороне. Вариант со световым лучом называется «опыт Юнга» и, вероятно, знаком читателям по школьным урокам физики. Свет на экране образует характерную череду темных и светлых полос, поскольку электромагнитные волны, проходящие сквозь прорези, интерферируют друг с другом. Там, где максимумы обеих волн складываются, возникает светлая полоса, а там, где максимум одной накладывается на минимум другой, экран остается темным.

Если принять, что свет – это волна, такая интерференция понятна. Точно такой же эффект получится, если пустить волны по поверхности воды и поставить на их пути преграду с двумя щелями. Но разобраться, почему так себя ведут электроны, которые мы привыкли считать твердыми частицами вроде крошечных бильярдных шаров, гораздо труднее. Тем не менее картина с пучком электронов точно такая же.

Но самое странное даже не это: если пропускать электроны в щели по одному, на экране (почти таком же, как телеэкран) проступает точно такой же рисунок из темных и светлых полос. Почему это странно? Подумайте, что происходит, когда электроны проходят только через одну прорезь. Тогда на экране появится не полосатый узор, а просто яркое пятно напротив прорези. Именно это мы и увидим, если закроем одну прорезь и пустим электроны сквозь другую. «Очевидно», что каждый электрон может пройти только в одну прорезь. Но когда открыты обе прорези, то даже если электроны в ходе эксперимента испускают по одному, мы видим на экране за прорезями не два ярких пятна, а характерные полосы, как в опыте Юнга.

Перед нами чистейший пример корпускулярно-волнового дуализма (см. главу 2), лежащего в основе квантового мира. Когда электрон попадает на экран, то оставляет точечку света, – собственно, именно этого и ждешь от крошечной «частички-мячика». Но когда накапливаются тысячи точечек света, они образуют полосатый узор, как будто сквозь обе прорези пропущены волны. То есть каждый отдельный электрон ведет себя как волна, которая проходит одновременно через обе прорези, интерферирует сама с собой, решает, к какой части полосатого узора она относится, и направляется туда, а на место прибывает уже как частица, оставляющая точечку света.

Если у вас все это не укладывается в голове, не отчаивайтесь. Нильс Бор, один из пионеров квантовой революции, говорил, что «если квантовая теория тебя не огорошила, значит, ты ее не понял», а Фейнман – вероятно, величайший физик-теоретик послевоенного времени – заходил даже дальше и поговаривал, что квантовую механику не понимает никто. Главное – не понимать, как частице удается так странно себя вести (и как частица, и как волна), а разработать набор формул, которые точно описывают происходящее и дают физикам возможность рассчитать, как поведут себя электроны, световые волны и все прочее. Фейнман придерживался именно такого, сугубо прагматического, подхода к «пониманию» процессов в квантовом мире, потому и предложил свою «сумму историй», а Хокинг в конце 1970-е применил ее к исследованиям Большого взрыва.