Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Стандартная модель – это фактически квантовая теория, основанная на квантовой гипотезе, предложенной Максом Планком в 1900 году. Гипотеза Макса Планка утверждает, что ряд физических величин – например, энергия – могут принимать только дискретные значения. Если в теории Ньютона энергия – непрерывная субстанция, как вода, то в теории Планка она излучается и поглощается отдельными порциями, напоминающими мельчайшие крупинки пудры. В квантовых теориях все свойства частиц, полей и вселенных становятся расплывчатыми и вероятностными. Теории, которые не учитывают квантованность энергии, называются классическими теориями, если даже, подобно общей теории относительности, они далеко отстоят от первоначальной классической теории (теории Ньютона).

Но стандартная модель – это нечто большее, чем квантовая теория. Это квантовая теория специального типа, квантовая теория поля. Она описывает действующие силы с помощью «полей», типа тех силовых полей, которые действуют в научно-фантастических фильмах и которые пронизывают все пространство и время.

Поскольку общая теория относительности – это классическая теория, она несовместима с квантовой теорией, такой как стандартная модель. Тем, кто не следит за развитием физики, может показаться парадоксальным, что у нас есть классическая теория гравитации и квантовая теория для описания других взаимодействий; но теории эти обычно используются в различных ситуациях, так что данная «шизофрения» находится под контролем. Конечно, такое положение вещей далеко от идеального, поэтому многие физики сегодня пытаются придумать квантовую версию общей теории относительности – теорию квантовой гравитации. Конечной целью является создание единой квантовой теории, объединяющей и квантовую гравитацию, и стандартную модель. Эта еще не созданная теория должна будет описывать все четыре взаимодействия, существующие в природе. Вот почему Эйнштейн называл ее единой теорией поля, а современные физики называют ее теорией всего.

Когда Стивен начинал свою учебу в магистратуре, лишь немногие физики работали над квантовой теорией гравитации, или теорией всего. Как я уже говорил, одна из причин заключалась в том, что между общей теорией относительности и квантовой теорией был заключен пакт о мирном сосуществовании. Они описывают различные типы взаимодействий и рассматривают природу на разных пространственных масштабах. Подобно тому, как млекопитающих и бактерии изучают разные отрасли биологии, в физике общая теория относительности стоит особняком от квантовых теорий.

Но Стивен отличался от большинства прочих физиков. Как только он поступил в магистратуру и избрал свой путь, из всего богатого многообразия идей, существующих в физике, его привлекла общая теория относительности, в особенности та ее часть, которая называется космологией. Космология старается использовать общую теорию относительности, чтобы понять происхождение и развитие Вселенной. Стивен заинтересовался космологией, потому что только эта наука обещала ответить на экзистенциальные вопросы, которые сейчас занимали его больше всех прочих. Стивен считал, что ученые, работавшие с теорией элементарных частиц, – теорией, которая впоследствии превратилась в стандартную модель – скорее заняты классификацией многочисленных элементарных частиц и взаимодействий между ними, чем глобальными космологическими проблемами. Они занимаются «ботаникой», говорил про таких физиков-теоретиков Стивен. Сам он не хотел принимать в этом участия.

Фред Хойл, которого Стивен вначале выбрал для себя в качестве руководителя, был фигурой, известной в космологии. Его авторству принадлежит теория стационарной Вселенной. Когда Стивену назначили другого руководителя, Денниса Сиаму, Стивен был разочарован. В очередной раз в жизни Стивена поражение обернулось победой – чем больше Стивен узнавал о теории стационарной Вселенной Хойла, тем меньше она ему нравилась. Еще в самом начале своего обучения в магистратуре Стивен произвел своего рода сенсацию на обсуждении после научно-исследовательского семинара, который проводил Хойл в Королевском научном обществе в Лондоне. Стивен провозгласил, что он нашел ошибку в уравнениях Хойла. Несколько лет спустя Стивен в очередной раз посыпал соль на рану Хойла, посвятив первую главу своей диссертации критике теории стационарной Вселенной.

Хойл был большим ученым. Он положил начало исследованию проблемы того, как тяжелые элементы образуются из водорода и гелия в результате ядерных реакций внутри звезд. Но, как у ученого, у него был серьезный недостаток – он не хотел соглашаться с тем, что взлелеянная им теория, а именно теория стационарной Вселенной, рассыпается под натиском новых полученных фактов. Если бы Хойл стал руководителем Стивена, последнего вряд ли ожидали бы легкие времена. С другой стороны, Сиама также был ведущим космологом; но он к тому времени уже и сам разочаровался в теории Хойла, поэтому пренебрежительное отношение к ней Стивена не могло вызвать между ними конфликт.

Итак, Стивену повезло с научным руководителем. Но все-таки существовала одна проблема: выбрав космологию в качестве своей будущей специализации, Стивен имел о ней весьма отдаленное представление. В Оксфорде он изучал физику, но нельзя сказать, что он сильно поднаторел в этих занятиях. То, что он смог довольно быстро, буквально за несколько лет, набрать солидный научный багаж и сделать себе имя в выбранной отрасли науки, может многое рассказать о его выдающихся способностях. Заодно давайте немного поговорим о физике.

Добиться успеха в теоретической физике можно довольно быстро, так как эта наука основана на понимании основных концепций, а не на запоминании множества фактов – как в юриспруденции или медицине. «Нет необходимости что-то зубрить, – сказал мне как-то Стивен с усмешкой. – Вы можете просто вывести уравнения». Это происходит потому, что физика способна сконцентрировать полученный опыт в компактную форму. Уравнения Эйнштейна, например, можно записать в одну строчку, но в них закодированы поведение и свойства бесчисленных систем, начиная от орбит планет и полета футбольных мячей до коллапса звезд в черные дыры.

В могуществе формул Эйнштейна нет никакой магии. Несколько символов, которые в них входят, представляют собой понятия, крайне трудные для полного понимания. В той или иной степени мы все занимаемся обобщением нашего опыта. Мир был бы слишком сложен для понимания, если бы мы этого не делали. Мы не говорим: «Форд» остановился на красный свет, «Тойота» остановилась на красный свет, «Фольксваген» остановился на красный свет и так далее. Мы сводим все эти наблюдения к простому принципу или закону: машины останавливаются на красный свет. Именно этим занимаемся и мы, физики, только в еще большей степени. Мы записываем законы в элегантной математической форме, и это дает нам возможность выводить один закон из другого. Юристы лишены возможности поступать таким образом: хотя в юриспруденции и могут существовать общие руководящие принципы, законы, созданные человеком, придумываются для решения тех или иных проблем по мере необходимости и их нельзя вывести друг из друга. Подобно этому, доктора не могут вывести детали анатомии человека из какого-то набора первичных принципов. А вот то, на что способны законы физики, у самих физиков неизменно вызывает восхищение.