Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

В архиве Кембриджского университета хранится экземпляр докторской диссертации Стивена Хокинга «Свойства расширяющихся вселенных», датированный 1 февраля 1966 года. Когда он защитился, ему было всего двадцать четыре года. Диссертация начиналась словами: «Исследуются некоторые выводы и следствия теории расширяющейся Вселенной…» Диссертация, напечатанная Джейн – Стивен, увы, сам сделать этого не мог, – состоит из четырех глав, испещренных поправками и формулами, написанными от руки. Последняя глава – всего около двадцати страниц – сделала Стивена знаменитым среди его коллег.

Стивен появился в Кембридже в октябре 1962 года. За первые два года учебы в Кембридже он приобрел друзей, с которыми поддерживал отношения всю оставшуюся жизнь, и устроил свою семейную жизнь. Но в физике к постоянному берегу пока не прибился. Он изучал общую теорию относительности, занимался различными проблемами, которые казались многообещающими ему и его научному руководителю Сиаме, но все значительные открытия были еще впереди.

Исследования, которые вошли в первые три главы его докторской диссертации, ничем особенным не отличались. Некоторые из них представляли определенный интерес с точки зрения независимого математического анализа различных проблем, например, содержали критику математических уравнений теории стационарной Вселенной Хойла. Но работа содержала лакуны и оставляла нерешенными некоторые вопросы. Если бы диссертация состояла только из этих глав, ее явно было бы недостаточно для получения степени доктора философии. И конечно, она не принесла бы Стивену широкую известность. Но, познакомившись с произведениями тридцатитрехлетнего математика Роджера Пенроуза, Стивен добавил в диссертацию четвертую главу. Она немного выпадала из общего сюжета, но с нее началось восхождение Стивена к мировой славе. Стивен узнал о работе Пенроуза в январе 1965 года, после того как Пенроуз провел семинар в Королевском колледже в Лондоне. Стивену, который был в то время на десять лет моложе Пенроуза, случалось посещать эти семинары. Он, правда, отсутствовал на семинаре Пенроуза, но узнал о нем от Брэндона Картера, с которым на работе в Кембридже делил один кабинет.

Исследуя Вселенную, очень важно учитывать притяжение вещества ко всему остальному веществу. Это верно также и при изучении эволюции звезды. Например, можно задаться вопросом, почему сумма всех притяжений не заставляет звезду схлопываться. Ответ заключается в ядерных реакциях внутри звезды. Они разогревают звезду, заставляя газы расширяться, таким образом компенсируя сжатие, вызываемое гравитацией. Работа, о которой рассказывал Пенроуз в своем докладе, была посвящена тому, что происходит после выгорания ядерного горючего в массивной звезде, когда звезда начинает остывать. Когда это случается, умирающая звезда начинает коллапсировать под действием собственной силы гравитации.

Пенроуз считал, что коллапс звезды – сложный и хаотический процесс, при этом первоначальная сферическая симметрия звезды может нарушаться. Коллапс может протекать по двум возможным сценариям. Один из них напоминает тот вариант теории Большого взрыва, в котором частицы вещества скользят относительно друг друга: во время коллапса звезды все ее составляющие части падают по направлению к центру, но не в одну и ту же точку. А затем они стремительно проносятся мимо друг друга, и стадия сжатия сменяется расширением. В другом сценарии, несмотря на связанный с коллапсом хаос, вещество звезды притягивается точно в ее центр, где оно сдавливается в единую точку, в которой плотность вещества становится бесконечной.

Как впоследствии доказал Пенроуз, именно второй вариант следует из решения уравнений Эйнштейна. В 1969 году физик Джон Уилер назовет погасшие звезды такого рода – с бесконечной плотностью в центре – черными дырами, но в 1965 году такие объекты еще не вызывали интереса, и поэтому они еще не удостоились специального наименования.

Точку, в которой физические величины становятся бесконечными, физики называют сингулярностью. Физики недолюбливают сингулярности, потому что мы сторонимся бесконечностей. Мы не любим бесконечности: хотя они иногда появляются в математических уравнениях, в повседневной жизни с ними не сталкиваешься. Все, что мы измеряем, имеет начало и конец; поэтому всякая теория, предсказывающая сингулярность, вызывает большие сомнения.

Для того чтобы выйти из тупика, физики попытались объявить сингулярность явлением чисто абстрактным. Было рассмотрено несколько способов обойти эту трудность. Во-первых, было объявлено, что теория Эйнштейна не является квантовой и поэтому в некоторой точке во время коллапса звезды – когда она становится совсем крошечной – эта теория не может применяться без некоторых (пока еще не придуманных) модификаций. Удастся ли с их помощью избежать сингулярности? Мы не знаем. Другой способ. Некоторые говорят так: поскольку мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, сингулярность навсегда спрятана от нас – наблюдать ее невозможно – и поэтому она не имеет значения. Звучит разумно, но не все так просто. Черные дыры могут вращаться, и некоторые довольно изощренные вычисления показывают, что это вращение поможет обнаружить сингулярность. Пока вопрос об этом остается открытым.

Однако знаменитая глава, которую Стивен включил в свою диссертацию, касалась других вопросов. Работа Пенроуза вдохновила многих теоретиков на размышления о черных дырах, а Стивен, как обычно, пошел своим путем. Он заметил, что коллапс звезды под действием силы гравитации напоминает Большой взрыв, только происходящий в обратном порядке. Что, если Вселенная представляет собой гигантскую черную дыру, которая, если запустить время вспять, сколлапсирует подобно звезде Пенроуза? Можно ли воспользоваться математическими методами Пенроуза, чтобы постичь то, что ускользнуло даже от Эйнштейна? Сможет ли Стивен доказать, что уравнения Эйнштейна доказывают необходимость Большого взрыва, а вовсе не той версии с повторными циклами расширения и сжатия?

Подобно Галилею, который взял примитивную подзорную трубу, усовершенствовал оптическую систему и направил ее на небо, Стивен воспользовался математическим аппаратом Пенроуза и применил его к изучению космоса. В четвертой главе своей диссертации – и в последующей работе, проделанной совместно с самим Пенроузом, – Стивен вскоре превзошел своего научного руководителя Денниса Сиаму и даже Фреда Хойла, которого когда-то Стивен очень хотел иметь своим научным руководителем: он показал, что сингулярность и Большой взрыв являются неизбежными следствиями общей теории относительности. Не было циклов расширения и сжатия, а было начало, и в этот момент – хотя физики этого и не любят – Вселенная была упакована в пространство нулевого объема. По крайней мере, эти выводы неминуемо следовали из уравнений Эйнштейна.