Стивен Хокинг

Краткие ответы на большие вопросы

BRIEF ANSWERS TO THE BIG QUESTIONS

Professor Stephen Hawking

Copyright © 2018 by Spacetime Publications Ltd

Научная редактура Владимира Сурдина, канд. физ.-мат. наук, старшего научного сотрудника Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга, доцента физического факультета МГУ, лауреата Беляевской премии и премии  «Просветитель», российского астронома

© Бавин С., перевод на русский язык, 2018

© ООО «Издательство «Эксмо», 2019

От издателя

У Стивена Хокинга постоянно спрашивали мнение по поводу «главных вопросов» современности, которые интересовали ученых, технологических предпринимателей, крупных бизнесменов, политиков и широкую общественность. Стивен собрал огромный архив из своих ответов, которые в разное время принимали форму выступлений, интервью и эссе.

Эта книга создана на основе его архива и все еще не была закончена в момент его смерти. Ее завершили совместно коллеги Стивена, члены его семьи и фонд Stephen Hawking Estate.

Процент от авторских отчислений с продаж книги пойдет на благотворительные цели.

Предисловие

Эдди Редмэйн

Когда я впервые встретил Стивена Хокинга, меня поразила его невероятная сила и одновременно уязвимость. Я уже был знаком с особенностями сосредоточенного взгляда и неподвижного тела Стивена, потому что готовился к съемкам – незадолго до этого меня пригласили на главную роль в фильме «Вселенная Стивена Хокинга» (The Theory of Everything), и я несколько месяцев посвятил изучению его научных работ и исследованию его заболевания, пытаясь понять, как достоверно передать развитие бокового амиотрофического склероза.

Тем не менее при первой личной встрече со Стивеном – иконой, феноменально талантливым ученым, который мог общаться только посредством синтезированного компьютером голоса и выразительных бровей, – я был поражен. Я, как правило, нервничаю в тишине и слишком много говорю. Он же прекрасно понимал силу молчания, силу чувства, что за тобой пристально наблюдают. Растерявшись, я заговорил о том, что наши дни рождения почти совпадают и у нас один знак Зодиака. Через пару минут Стивен сказал: «Я астроном, а не астролог». Он также настоял, чтобы я называл его Стивеном и перестал обращаться к нему как к «профессору». Меня предупреждали…

Мне невероятно повезло воплотить Стивена на экране. Эта роль очаровала меня дуализмом внешнего триумфа в науке и внутренней борьбы с боковым амиотрофическим склерозом, который развился у Хокинга после двадцати лет. Его жизнь была сложной, богатой, уникальной историей нечеловеческих усилий, любящей семьи, великих научных достижений и полного пренебрежения сложившимися обстоятельствами. Мы хотели показать в фильме вдохновение и в то же время – мужество и самопожертвование, которые демонстрировали по жизни Стивен и все, кто его окружал.

Не менее важным было представить Стивена как настоящего шоумена. В своем съемочном трейлере я повесил три плаката, в которых черпал вдохновение. На одном был Эйнштейн с высунутым языком, потому что его игривый ум был очень близок Хокингу. На другом – джокер из карточной колоды, кукловод, потому что мне казалось, что Стивен всегда держал людей в своих руках. И на третьем – актер Джеймс Дин; у него я пытался перенять блеск и остроумие.

Изображая живого человека, испытываешь огромное давление, потому что должен считаться с его мнением по поводу твоей игры. В случае со Стивеном нужно было учитывать еще и мнение его семьи. Они были очень добры ко мне во время подготовки к съемкам. Перед первым показом фильма Стивен сказал мне: «Я скажу, что думаю. Хорошо. Или не совсем». Я спросил: если будет «не совсем», то, может, он просто скажет «не совсем» и избавит меня от деталей? Но после просмотра Стивен великодушно заявил, что фильм ему понравился и даже тронул. Хотя более широко известной стала другая его фраза: на его взгляд, в картине должно было быть больше физики, чем лирики. И ведь не поспоришь.

После съемок «Вселенной Стивена Хокинга» я продолжал общаться с семьей Хокингов. Меня глубоко тронуло предложение сказать несколько слов на похоронах Стивена. Это был невероятно грустный и при этом прекрасный день, полный любви, веселых воспоминаний и рассуждений об этом самом мужественном из людей, который опередил весь мир в науке и в борьбе за признание прав инвалидов иметь адекватные возможности для благополучной жизни.

Мы потеряли поистине блестящий ум, поразительного ученого и самого веселого человека из всех, с кем я имел счастье быть знакомым. Но, как говорят в семье Стивена после его смерти, его труды и наследие продолжают жить. И я с грустью, но и с большой радостью представляю вам это собрание размышлений Стивена на разнообразные увлекательные темы. Надеюсь, вы получите от них удовольствие, и надеюсь, что и сам Стивен, как сказал Барак Обама, веселится по полной там, среди звезд.

С любовью,

Эдди

Введение

Профессор Кип С. Торн

Впервые я встретил Стивена Хокинга в июле 1965 года в Лондоне, на конференции по общей теории относительности и гравитации. Стивен в то время готовил докторскую диссертацию в Кембриджском университете; я только что защитил свою в Принстоне. В кулуарах конференции прошел слух, будто Стивен нашел неопровержимое доказательство того, что наша Вселенная должна была родиться в какой-то определенный промежуток времени в прошлом. Она не может быть бесконечно старой.

Вместе с сотней людей я втиснулся в аудиторию, рассчитанную на сорок человек, чтобы послушать Стивена. Он вошел с палочкой, речь его была слегка невнятна, но в остальном он демонстрировал весьма незначительные признаки бокового амиотрофического склероза, который ему диагностировали за два года до этого. Его ум оставался поразительно ясным. Его продуманные доказательства опирались на уравнения общей теории относительности Эйнштейна, на астрономические наблюдения, согласно которым наша Вселенная расширяется, и на несколько простых предположений, которые были очень похожи на правду. Он также использовал некоторые математические методы, недавно разработанные Роджером Пенроузом. Все это было оригинально, мощно и убедительно, и в конце Стивен подошел к выводу: наша Вселенная должна была возникнуть в сингулярном состоянии, примерно десять миллиардов лет назад. (В последующее десятилетие Стивен и Роджер, объединив усилия, усовершенствуют доказательства сингулярного начала времени, а также того, что в центре черной дыры находится сингулярность, где времени не существует.)

Выступление Стивена в 1965 году произвело на меня глубочайшее впечатление. Не только благодаря его аргументам и выводам, но и, что более важно, его прозорливости и креативности. После лекции я нашел его, и мы около часа проговорили с глазу на глаз. Это стало началом дружбы, которая продлилась всю жизнь; дружбы, основанной не только на общих научных интересах, но и на удивительном единодушии, необъяснимой способности понимать друг друга с полуслова. Вскоре мы стали проводить все больше времени вместе, разговаривая о жизни, о наших близких, даже о смерти чаще, чем о науке, хотя научные интересы все равно оставались главным связующим звеном между нами.

В сентябре 1973 года я взял Стивена и его жену Джейн с собой в Москву. Несмотря на разгар холодной войны, я каждый год, начиная с 1968-го, проводил в Москве по месяцу, а то и дольше, сотрудничая с группой ученых, которую возглавлял Яков Борисович Зельдович. Зельдович был выдающимся астрофизиком и одним из отцов советской водородной бомбы. Ему было запрещено выезжать в Западную Европу или Америку из-за закона о неразглашении военной тайны. Он мечтал пообщаться со Стивеном, но не мог поехать к нему, поэтому Стивен приехал сам.

В Москве Стивен покорил Зельдовича и других ученых своими теориями; в свою очередь Стивен кое-что почерпнул у Зельдовича. Больше всего мне запомнился день, который мы провели с Зельдовичем и его аспирантом Алексеем Старобинским в номере Стивена в гостинице «Россия». Зельдович в общих чертах рассказывал об их поразительных открытиях, а Старобинский объяснял их с точки зрения математики.

Для вращения черной дыры необходима энергия. Нам это уже было известно. Черная дыра, как они объясняли, может рождать частицы, и эти частицы разлетаются, унося с собой энергию вращения. Это было ново и удивительно – но не сильно удивительно. Если объект обладает энергией движения, природа естественным образом находит способ извлечь ее. Мы уже знали другие способы извлечения вращательной энергии черных дыр; это был просто новый, хотя и неожиданный способ.

Самая большая ценность таких бесед в том, что они дают толчок новому направлению мыслей. Так произошло и со Стивеном. Он несколько месяцев размышлял над открытием Зельдовича – Старобинского, рассматривая его с разных сторон, пока в один прекрасный день его не озарила поистине гениальная мысль: после того как черная дыра перестает вращаться, она продолжает испускать частицы. Она может излучать, словно она горячая, как Солнце, хотя на самом деле не очень горячая, а скорее умеренно теплая. Чем тяжелее дыра, тем ниже ее температура. Дыра массой с Солнце обладает температурой в 0,00000006 К, или в 0,06 миллионных градуса выше абсолютного нуля. Формула для расчета этой температуры теперь выгравирована на надгробии Стивена в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, где его прах покоится между могилами Исаака Ньютона и Чарльза Дарвина.[1]

Эта «Температура Хокинга» черной дыры и ее «Излучение Хокинга» (как их стали называть позже) – поистине радикальные открытия; возможно, самые радикальные в теоретической физике второй половины ХХ века. Мы увидели глубокую связь между общей теорией относительности (черные дыры), термодинамикой (физика тепла) и квантовой физикой (создание частиц там, где их не существовало). Например, это навело Стивена на мысль, что черная дыра обладает энтропией, а это означает, что где-то внутри или вокруг черной дыры существует огромная хаотичность. Он пришел к выводу, что количество энтропии (логарифм степени хаотичности дыры) пропорционально площади поверхности дыры. Формула энтропии[2] выгравирована на памятнике Стивену перед колледжем Гонвиль и Киз в Кембридже, где он работал.

Последние сорок пять лет Стивен и сотни других физиков стремились понять истинную природу хаотичности черной дыры. Это вопрос, который порождает новые мысли об объединении квантовой теории с общей теорией относительности, а если точнее, о плохо еще понимаемых законах квантовой теории гравитации.

Осенью 1974 года Стивен перевез своих аспирантов и семью (жену Джейн и детей – Роберта и Люси) в Пасадену, Калифорния, чтобы на год погрузиться в интеллектуальную жизнь моего университета – Калифорнийского технологического (Калтех) – и временно присоединиться к моей исследовательской группе. Это был славный год, который потом стали называть «золотым веком исследований черных дыр».

В течение этого года Стивен со своими и некоторыми из моих учеников старался глубже понять природу черных дыр. До некоторой степени я и сам занимался этой проблемой. Но присутствие Стивена и его ведущая роль в нашей объединенной исследовательской группе дали мне свободу заняться новым направлением (о чем я мечтал уже несколько лет) – гравитационными волнами.

Существует лишь два типа волн, которые способны перемещаться во Вселенной и доносить до нас информацию из ее глубин: электромагнитные (в том числе свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи, микроволны, радиоволны) и гравитационные волны.

Электромагнитные волны – это пульсирующие электрические и магнитные силы, которые перемещаются со скоростью света. Встречаясь с заряженными частицами, такими как как электроны в антенне радиоприемников и телевизоров, они приводят эти частицы в движение, тем самым передавая содержащуюся в них информацию. Эта информация может быть усилена и направлена в динамик или на телевизионный экран, становясь доступной для человеческого восприятия.

Гравитационные волны, согласно Эйнштейну – это пульсация искривленного пространства: пульсирующее растяжение и сжатие пространства. В 1972 году Райнер (Рай) Вайсс из Массачусетского технологического института изобрел детектор гравитационных волн. В этом устройстве, представляющем собой Г-образную вакуумную трубку, на концах и в месте изгиба располагались зеркала, которые в одном отрезке расходились благодаря расширению пространства, а в другом сходились благодаря сжатию пространства. Райнер предложил использовать лазерный луч для измерения характера пульсаций при расхождении и сжатии. Лазерный луч может извлечь информацию из гравитационных волн, а сигнал затем может быть усилен и передан в компьютер, чтобы стать доступным человеческому пониманию.

В основе изучения Вселенной с помощью электромагнитных телескопов стоит изобретение Галилеем небольшого оптического телескопа. Направив его на Юпитер, Галилей обнаружил четыре крупнейших спутника этой планеты. За четыре сотни лет, прошедших с тех пор, астрономия полностью преобразила наши представления о Вселенной.

В 1972 году я со своими учениками начал размышлять, о том, что можно узнать о Вселенной с помощью гравитационных волн. Мы стали разрабатывать идеи для гравитационно-волновой астрономии. Поскольку гравитационные волны – это форма искривления пространства, наиболее интенсивно их испускают объекты, которые полностью или частично состоят из искаженного пространства-времени, в частности именно черные дыры. Мы пришли к выводу, что гравитационные волны – идеальный инструмент для изучения и проверки гипотез Стивена о природе черных дыр.

В более широком смысле нам казалось, что гравитационные волны настолько сильно отличаются от электромагнитных волн, что благодаря им мы почти гарантированно сможем совершить новую революцию в понимании Вселенной, возможно, сопоставимую по масштабам с электромагнитной революцией, произошедшей после Галилея, – если эти неуловимые волны удастся обнаруживать и отслеживать. Но это значительное «если»: по нашим оценкам, гравитационные волны, которые окутывают Землю, настолько слабы, что зеркала в концах Г-образной трубки, придуманной Раем Вайссом, будут колебаться относительно друг друга не более чем на одну сотую диаметра протона (это 1/10 000 000 размера атома), даже если расстояние между зеркалами будет составлять несколько километров. Сложность измерения столь незначительных колебаний была колоссальной.

В общем, в течение того славного года, когда Стивен работал с моей исследовательской группой, я в основном занимался гравитационно-волновыми перспективами. Стивен помог мне в этом, поскольку сам со своим аспирантом Гэри Гиббонсом за несколько лет до этого спроектировал гравитационно-волновой детектор (но они его так и не построили).

Вскоре после возвращения Стивена в Кембридж я целую ночь разговаривал с Раем Вайссом в номере его вашингтонского отеля и окончательно убедился, что шансы на успех в области изучения гравитационных волн весьма велики и я должен посвятить свою дальнейшую карьеру, как и будущие исследования моих аспирантов, помощи Раю и другим экспериментаторам в осуществлении наших гравитационно-волновых идей. Остальное, как говорится, вошло в историю.

Четырнадцатого сентября 2015 года гравитационно-волновой детектор в обсерватории LIGO зарегистрировал первые гравитационные волны (сооснователями проекта, в котором было задействовано 1000 человек, являются Рай, я и Рональд Древер, а организатором и руководителем процесса был Барри Бариш).[3] Сравнив волновые характеристики с полученными на компьютерном симуляторе, наша команда пришла к выводу, что волны возникли от столкновения двух массивных черных дыр, которое произошло в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Это стало началом гравитационно-волновой астрономии. Наша команда достигла с гравитационными волнами того, что Галилей достиг с электромагнитными.

Я уверен, что в ближайшие десятилетия следующее поколение гравитационно-волновых астрономов будет работать с этими волнами не только для проверки физических законов черных дыр, выведенных Стивеном, но и для обнаружения и слежения за гравитационными волнами, возникшими при сингулярном рождении нашей Вселенной, тем самым проверяя идеи о возникновении нашей Вселенной, выдвинутые Стивеном и другими о ее возникновении.

В течение славного 1974/75 года, когда я занимался проблемами гравитационных волн, а Хокинг во главе объединенной группы изучал черные дыры, ему пришла в голову идея еще более блестящая, чем «Излучение Хокинга».[4] Он дал исчерпывающее, почти неоспоримое доказательство того, что черная дыра после испарения не выпускает содержащуюся в ней информацию. Информация, которая попадает в черную дыру, исчезает бесследно.

Радикальность этой идеи в том, что, согласно законам квантовой физики, информация не может исчезнуть окончательно. Но если Стивен был прав, черные дыры нарушают самый фундаментальный закон квантовой механики.

Как такое возможно? Излучение черной дыры подчиняется объединенным законам квантовой механики и общей теории относительности – плохо еще понимаемым законам квантовой гравитации. Таким образом, утверждал Стивен, пылкий союз теории относительности и квантовой физики должен вести к разрушению информации.

Подавляющее большинство физиков-теоретиков считают это утверждение неприемлемым. Они настроены крайне скептически. На протяжении сорока четырех лет они борются с этим так называемым парадоксом потери информации. Борьба вполне стоит мучительных усилий тех, кто в ней участвует, поскольку этот парадокс является важнейшим звеном для понимания законов квантовой гравитации. В 2003 году сам Стивен нашел способ, благодаря которому в процессе испарения черной дыры информация может вырываться наружу, но это не успокоило теоретиков. Стивен не доказал, что информация может покидать черную дыру. Поэтому борьба продолжается.

В прощальном слове при погребении пепла Стивена в Вестминстерском аббатстве я отметил эту борьбу следующими словами: «Ньютон дал нам ответы. Хокинг дал нам вопросы. И вопросы Хокинга сами по себе будут работать, генерируя научные прорывы еще не одно десятилетие. Когда мы наконец овладеем законами квантовой гравитации и полностью поймем, как родилась наша Вселенная, этим мы во многом будем обязаны именно Хокингу».

* * *

Славный 1974/75 год оказался не только началом моих изысканий в области гравитационных волн, но и началом попыток Стивена разобраться в законах квантовой гравитации, в том, что эти законы говорят об истинной природе информации и хаотичности черных дыр, а также об истинной природе сингулярного рождения нашей Вселенной и истинной природе сингулярности внутри черных дыр – об истинной природе рождения и смерти времени.

Это серьезные вопросы. Очень серьезные.

Я всегда старался уходить от серьезных вопросов. Мне не хватает умения, мудрости и уверенности в себе, чтобы браться за них. Стивена, напротив, всегда привлекали серьезные вопросы, неважно, связанные с его научными интересами или нет. У него были необходимые для этого навыки, мудрость и уверенность в себе.

Эта книга – сборник его ответов на серьезные вопросы, ответов, над которыми он размышлял до самой смерти.

Ответы на шесть глубоко связаны с научными интересами Стивена («Есть ли Бог?», «Как все началось?», «Можно ли предсказать будущее?», «Что находится внутри черных дыр?», «Возможно ли путешествие во времени?», «Как мы формируем будущее?»). В этой книге вы найдете его глубокие размышления над теми проблемами, которых я кратко коснулся в этом предисловии, и еще многое, многое другое.

Ответы на четыре других серьезных вопроса не имеют прямого отношения к науке, которой он занимался («Сохранится ли жизнь на Земле?», «Есть ли другая разумная жизнь во Вселенной?», «Надо ли осваивать космос?», «Превзойдет ли нас искусственный интеллект?»). Тем не менее его ответы и здесь демонстрируют глубокую мудрость и креативность, чего и следовало ожидать.

Надеюсь, для вас эта книга окажется такой же вдохновляющей и содержательной, как для меня. Наслаждайтесь!

Кип С. Торн

Июль 2018 года

Почему мы должны задавать серьезные вопросы

Люди всегда хотели получить ответы на серьезные вопросы. Откуда мы взялись? Как родилась Вселенная? Стоит ли за всем этим глубокий замысел? Есть ли еще кто-то кроме нас в космосе? Истории о сотворении мира из прошлого сейчас уже не кажутся нам актуальными и достоверными. Им на смену пришло разнообразие того, что можно назвать суевериями – от нью-эйдж до «Звездных войн». Но реальная наука может оказаться гораздо более удивительной, чем научная фантастика, и доставлять гораздо больше удовлетворения.

Я ученый. Ученый, которого безумно интересует физика, космология, Вселенная и будущее человечества.

Родители воспитывали во мне неуемное любопытство; вслед за отцом я стремился искать ответы на многие вопросы, которые ставит перед нами наука. Я всю жизнь мысленно путешествовал по Вселенной. Благодаря теоретической физике я нашел ответы на некоторые очень важные вопросы. В какой-то момент мне даже показалось, что я увижу конец физики в том виде, в каком мы ее знаем, но теперь я считаю, что чудесные открытия будут совершаться долго после того, как меня не станет. Мы уже близки к ответам на некоторые вопросы, но еще их не знаем.

Проблема в том, что большинство людей считает серьезную науку слишком трудной и запутанной для понимания. Но я думаю, дело не в этом. Изучение фундаментальных законов, по которым живет Вселенная, требует значительного времени, которого у большинства просто нет. Прогресс быстро зайдет в тупик, если мы все займемся теоретической физикой. Но большинство людей в состоянии понять и оценить основные идеи, если их преподносить ясным языком и без формул, что, на мой взгляд, вполне возможно, и чем я иногда с удовольствием занимался на протяжении всей жизни.

Славное было время – жить и заниматься вопросами теоретической физики. За последние пятьдесят лет наше представление о Вселенной кардинальным образом изменилось, и я рад, что в какой-то степени принимал в этом участие. Одним из главных открытий космической эры стало то, что она прибавила нам всем веры в человечность. Когда мы видим Землю из космоса, мы видим себя как целое. Мы видим единство, а не различия. Очень простой образ с исчерпывающим смыслом: одна планета, одно человечество.

Я хочу присоединить свой голос к тем, кто требует незамедлительных действий по ключевым вопросам существования мира. Надеюсь, двигаясь вперед, даже когда меня уже не будет, люди, наделенные властью, смогут проявить креативность, мужество и лидерские способности. Надеюсь, они сумеют достойно ответить на вызовы прогресса и действовать не в собственных, а в общественных интересах. Я очень хорошо понимаю ценность времени. Не упустите момент. Действуйте сейчас.

* * *

Мне уже приходилось рассказывать о своей жизни, но сейчас, размышляя о том, почему меня всегда безумно увлекали серьезные вопросы, полагаю, имеет смысл вновь обратиться к некоторым из моих ранних впечатлений. Я появился на свет ровно через 300 лет после смерти Галилея, и хочется думать, что это случайное совпадение каким-то образом повлияло на то, как сложилась моя жизнь в науке. Впрочем, в день моего рождения, по моим подсчетам, появилось на свет еще 200 000 младенцев. Не знаю, заинтересовался ли потом кто-то из них астрономией.

Я вырос в высоком, узком викторианском доме в лондонском районе Хайг ейт. Мои родители купили его по дешевке во время Второй мировой войны, когда все считали, что Лондон будет стерт с лица земли под градом бомб. И одна из них, Фау-2, действительно упала в нескольких домах от нашего. Мы с сестрой и матерью в то время были в другом месте, а отец, к счастью, не пострадал. На месте падения образовалась огромная воронка, в которой мы несколько лет играли с моим другом Говардом. Мы исследовали результаты взрыва с тем же любопытством, которое будет подстегивать меня всю жизнь.

В 1950 году место работы моего отца переместилось на север Лондона, в Милл Хилл, где открылся новый Национальный институт медицинских исследований. Наша семья перебралась в расположенный неподалеку городок Сент-Олбанс. Меня отдали в среднюю школу для девочек, куда, несмотря на название, принимали и мальчиков в возрасте до десяти лет. Позже я перешел в знаменитую школу Сент-Олбанс для мальчиков. В классе я был середнячком – ребята собрались очень умные, – но одноклассники дали мне прозвище Эйнштейн, наверное, потому, что смогли во мне что-то разглядеть. Когда мне было двенадцать, один из них поспорил с другим на коробку конфет, что я никогда ничего не добьюсь в жизни.

В Сент-Олбанс у меня было шесть-семь друзей, и я помню, что мы часто подолгу беседовали и спорили обо всем на свете, от радиоуправляемых моделей до религии. Одной из наших любимых тем было происхождение Вселенной, и так ли уж необходим был Бог для ее сотворения. Я слышал, что свет далеких галактик смещается в красную сторону спектра, а это предполагало, что Вселенная расширяется. Но я был уверен, что этому должно быть какое-то другое объяснение. Может, свет устает и краснеет по пути к нам? Принципиально неизменная и вечная Вселенная казалась мне гораздо более естественной. (Только спустя много лет, после открытия фонового микроволнового космического излучения на второй год подготовки своей докторской диссертации, я понял, что был неправ.)

Меня всегда интересовал принцип действия разных механизмов, и я обычно разбирал их, чтобы понять, как они работают. А вот собрать их обратно было гораздо сложнее. Мои практические способности всегда уступали теоретическим. Отец поощрял мой интерес к науке и очень хотел, чтобы я поступил в Оксфорд или Кембридж. Он сам окончил Университетский колледж в Оксфорде и полагал, что мне следует поступать туда же. В то время Университетский колледж не давал стипендию на изучение математики, поэтому мне не оставалось ничего другого, кроме как попытаться получить ее на отделении естественных наук. Я очень удивился, когда мне это удалось.

В то время в Оксфорде среди студентов «не напрягаться» считалось почетным. Ты должен был демонстрировать блестящие успехи без видимых усилий – либо смириться с собственной ограниченностью и получить четвертую степень.[5] Я воспринял это как предлог, чтобы учиться спустя рукава. Я не горжусь этим, просто описываю свое настроение того времени, которое разделяли большинство моих однокурсников. Одним из следствий моей болезни стало то, что я изменил отношение к учебе. Когда узнаешь, что, возможно, скоро умрешь, быстро понимаешь, как много должен успеть сделать до того, как твоя жизнь закончится.

Поскольку я особо не напрягался, на последнем экзамене я планировал избежать вопросов, требующих фактических знаний, и сосредоточиться на проблемах теоретической физики. Ночью перед экзаменом мне не удалось заснуть, и выступил я не очень удачно. Ответы оказались на грани между первой и второй степенью, и мне предстояло пройти собеседование с экзаменаторами. В процессе меня спросили о дальнейших планах. Я ответил, что хочу заниматься исследовательской работой. Если мне дадут первую степень, я отправлюсь в Кембридж. Если вторую – останусь в Оксфорде. Мне присудили первую.

На время длительных каникул после выпускного экзамена колледж предложил на выбор несколько небольших грантов на путешествия. Я решил, что что мои шансы будут выше, если я решу поехать куда-нибудь подальше, и заявил, что хотел бы побывать в Иране. Летом 1962 года я отправился в путь – поездом до Стамбула, далее в Эрзерум на востоке Турции, затем в Тебриз, Тегеран, Исфахан, Шираз и Персеполис – древнюю столицу персидских царей. На обратном пути мы с моим спутником Ричардом Чином оказались почти в эпицентре катастрофического землетрясения в Буин-Захра силой 7,1 балла по шкале Рихтера, в результате которого погибли более 12 000 человек. Я его не заметил, потому что был болен, а автобус, в котором мы ехали по ухабистым иранским дорогам, и без того нещадно трясло.

Несколько дней мы провели в Тебризе, где я восстанавливался после тяжелой дизентерии и перелома ребра, полученного в автобусе, когда меня бросило на переднее сиденье. О катастрофе мы не знали, потому что не владели фарси. Только в Стамбуле нам стало известно, что произошло. Я отправил открытку родителям, которые десять дней провели в тревожном неведении, поскольку знали только о том, что я в день землетрясения уехал из Тегерана как раз в район будущей катастрофы. Несмотря на землетрясение, от Ирана у меня остались очень теплые воспоминания. Чрезмерное любопытство к окружающему миру может, конечно, довести до беды, но у меня это был, пожалуй, единственный раз в жизни, когда такое могло случиться.

В октябре 1962 года мне исполнилось двадцать дет. Я поступил в Кембридж на факультет прикладной математики и теоретической физики. Я решил записаться на семинар Фреда Хойла, самого знаменитого британского астронома того времени. Я говорю «астроном», поскольку космология тогда не считалась официальной наукой. Однако у Хойла к тому времени было достаточно студентов, поэтому, к моему глубокому разочарованию, мне пришлось пойти к Деннису Сиаме, о котором я ничего не слышал. Но в том, что я не стал учеником Хойла, оказались и свои плюсы, потому что мне пришлось бы в таком случае защищать его теорию стационарной Вселенной – а это оказалось бы сложнее, чем вести переговоры по Брекситу[6]. Я начал с чтения старых учебников по общей теории относительности – как всегда, интересуясь самыми серьезными вопросами.

Некоторые из вас, возможно, видели фильм, в котором Эдди Редмэйн сыграл симпатичную версию меня. Там показано, как на третий год в Оксфорде я стал замечать, что становлюсь несколько неуклюжим. Я пару раз падал, не понимая, в чем дело, и обратил внимание, что у меня не очень-то получается управляться с веслами на гребной лодке. Стало ясно, что что-то не так, и я ужасно расстроился, когда врач посоветовал мне отказаться от пива.

Первая зима после моего поступления в Кембридж выдалась очень холодной. Я приехал домой в Сент-Олбанс на рождественские каникулы. Мама уговорила пойти покататься на коньках на озеро, хотя я понимал, что это не для меня. Я упал и поднялся с огромным трудом. Мама почувствовала, что дело плохо, и повезла меня к врачу.

В лондонском госпитале Святого Варфоломея я провел неделю. Мне сделали множество анализов. В 1962 году все анализы были гораздо примитивнее, чем сейчас: у меня взяли образец мышечной ткани из руки, обвешали с ног до головы электродами, и закачали в позвоночник рентгеноконтрастную жидкость. Врачи наблюдали на рентгене, как она движется, когда кровать наклонялась вниз и вверх. Диагноз мне тогда не сказали, но я понял, что дело серьезное, и, признаться, не хотел выяснять. По разговорам врачей я догадывался, что «это» – непонятно что – все хуже и что они ничего не могут сделать, кроме как напичкать меня витаминами. Врач, который проводил анализы, попросту умыл руки, и я никогда его больше не видел.

В какой-то момент мне все-таки пришлось узнать диагноз – боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь моторных нейронов, при которой нервные клетки головного и спинного мозга атрофируются, а затем рубцуются. Я также узнал, что люди с таким заболеванием постепенно теряют контроль над своими движениями, теряют способность говорить, есть и в конце концов – дышать.

Болезнь моя, судя по всему, быстро прогрессировала. Естественно, я впал в депрессию и не видел смысла продолжать работу над диссертацией, поскольку не знал, доживу ли до ее завершения. Но затем болезнь замедлилась, и у меня появилось желание продолжить работу. После того, как мои ожидания упали до нуля, каждый новый день стал для меня подарком. Я начал ценить все, что у меня было. Пока есть жизнь – есть и надежда.

И, конечно, была молодая женщина по имени Джейн, с которой я познакомился на вечеринке. Она была твердо убеждена, что вместе мы сможем побороть мое состояние. Ее уверенность укрепила во мне надежду. Помолвка взбодрила меня, и я понял, что, если мы собираемся пожениться, мне придется искать работу и защищать диссертацию. Я начал усердно работать, и мне это нравилось.

Чтобы каким-то образом обеспечить себя, я подал заявку на должность штатного научного сотрудника в колледж Гонвиль и Киз. К моему огромному удивлению, меня приняли, и я с тех пор являюсь его сотрудником. Это стало поворотным моментом моей жизни. Работа в колледже означала, что я могу продолжать исследования, несмотря на прогрессирующую беспомощность. Это означало также, что мы с Джейн можем пожениться, что мы и сделали в июле 1965 года. Наш первенец, Роберт, появился на свет, когда мы прожили в браке два года. Второй ребенок, Люси, на три года позже. Третий ребенок, Тимоти, родился в 1979 году.

Как отец, я всегда настаивал на необходимости задавать вопросы. Мой сын Тимоти однажды в интервью рассказал, как боялся задать вопрос, который, по его мнению, я мог бы посчитать нелепым. Он хотел узнать, не существует ли вокруг нас множество маленьких Вселенных. Я сказал ему, что никогда не надо бояться высказывать идеи или гипотезы, какими бы глупыми (его слово, не мое) они ни казались.

* * *

Одним из главных вопросов космологии начала 1960-х годов был вопрос: есть ли у Вселенной начало? Многие ученые инстинктивно противились этой идее, потому что им казалось, что точка сотворения может стать тем местом, где кончится наука. Люди обычно обращаются к религии и руке Бога, чтобы объяснить, как зародилась Вселенная. Это действительно фундаментальный вопрос, и как раз такой мне был нужен для завершения докторской диссертации.

Роджер Пенроуз уже показал, что, когда умирающая звезда сжимается до определенного размера, неизбежно должна возникать сингулярность, то есть точка, в которой пространство и время подходят к концу. Разумеется, подумал я, мы уже знаем, что ничто не может помешать массивной холодной звезде коллапсировать под воздействием собственной гравитации до тех пор, пока она не достигнет сингулярности бесконечной плотности. Я понял, что сходные аргументы могут быть применимы к расширению Вселенной. В таком случае я мог бы доказать, что были сингулярности, в которых пространство-время имело свое начало.

Эврика пришла ко мне в 1970 году, через несколько дней после рождения моей дочери Люси. Собираясь вечером ложиться в постель, что при моей инвалидности представляло весьма длительный процесс, я понял, что к черным дырам можно применить теорию свободных структур, которую я разработал для теорем сингулярности. Если общая теория относительности верна и плотность энергии имеет позитивное значение, то площадь поверхности горизонта событий – границы черной дыры – обладает свойством увеличиваться, когда в нее попадает новое вещество или излучение. Более того, если две черные дыры столкнутся и образуют единую черную дыру, то площадь горизонта событий вокруг образовавшейся черной дыры будет больше, чем сумма площадей горизонтов событий вокруг первоначальных черных дыр.

Это был золотой век. Мы решили большинство проблем, связанных с теорией черных дыр, даже раньше, чем появились данные наблюдений за черными дырами. На самом деле, мы так успешно разобрались с общей теорией относительности, что после публикации нашей с Джорджем Эллисом книги «Крупномасштабная структура пространства-времени» (1973) я на время остался без дела. Мое сотрудничество с Пенроузом показало, что общая теория относительности не применима к сингулярности, поэтому следующим очевидным шагом было попробовать объединить общую теорию относительности (теорию очень большого) с квантовой теорией (теорией очень малого). В частности, я задумался, а могут ли существовать атомы, ядро которых представляет собой маленькую первичную черную дыру, образованную в молодой Вселенной? Мои исследования показали глубокую связь, о которой раньше не подозревали, между гравитацией и термодинамикой, наукой о тепле, и разрешили парадокс, над которым ученые без особого успеха ломали голову более тридцати лет: как может излучение, остающееся от сжимающейся черной дыры, нести всю информацию о том, из чего она состояла? Я обнаружил, что информация не теряется, но и не возвращается в полезном виде – это как сжечь энциклопедию, от которой останется лишь дым и пепел.

В поисках ответа я изучал, как черная дыра рассеивает квантовые поля или частицы. Я ожидал, что часть волны должна поглощаться, а остальная – рассеиваться. Но, к моему величайшему удивлению, я обнаружил, что излучение исходит от самой черной дыры. Сначала я решил, что ошибся в расчетах. Но оказалось, что излучение – это именно то, что требуется для отождествления горизонта событий с энтропией черной дыры. Эта энтропия, мера беспорядочности системы, выражается в простой формуле

через параметры площади горизонта и трех фундаментальных физических постоянных: c – скорость света, G – гравитационная постоянная Ньютона и ħ – постоянная Планка. Эмиссия теплового излучения черной дыры теперь называется излучением Хокинга, и я горжусь, что мне удалось ее обнаружить.

В 1974 году меня избрали членом Королевского общества. Это стало сюрпризом для для моих коллег, поскольку я был молод и числился простым научным сотрудником. Но в течение трех лет я дослужился до профессора. Работа над черными дырами зародила надежду, что мы сможем создать теорию всего, и это желание стимулировало меня двигаться дальше.

В том же году мой друг Кип Торн пригласил меня с семьей и группой аспирантов в Калифорнийский технологический институт (Калтех) – поработать над общей теорией относительности. В предыдущие четыре года я пользовался механическим инвалидным креслом, а также маленьким синим трехколесным электромобилем, который передвигался со скоростью велосипеда и в котором я порой нелегально возил пассажиров. Приехав в Калифорнию, мы поселились в принадлежащем Калтеху здании в колониальном стиле неподалеку от кампуса, и у меня впервые появилась возможность свободно пользоваться инвалидным креслом с электрическим приводом. Я чувствовал себя в нем намного более свободно; к тому же, здания и тротуары в Соединенных Штатах оказались гораздо лучше приспособлены для инвалидов, чем в Британии.

Вернувшись из Калтеха в 1975 году, я несколько упал духом. По сравнению с энергичным американским образом жизни дома, в Британии, мне все казалось провинциальным и ограниченным. В то время страна была охвачена забастовками, а пейзаж отличался множеством поваленных деревьев, погибших от голландской болезни вязов. Но мне стало намного лучше, когда я увидел плоды своих трудов, а в 1979 году меня избрали Лукасовским профессором математики[7] – на должность, которую некогда занимали сэр Исаак Ньютон и Поль Дирак.

В 1970-е годы я в основном занимался черными дырами, но интерес к космологии возобновился благодаря предположению о том, что молодая Вселенная прошла период быстрого инфляционного расширения, в процессе которого она постоянно увеличивалась в размерах, прямо как цены, когда Британия проголосовала за Брексит. Некоторое время я работал с Джимом Хартлом, формулируя теорию рождения Вселенной, которую мы назвали «безграничной».

В начале 1980-х мое состояние продолжило ухудшаться. У меня бывали продолжительные приступы удушья, потому что мышцы гортани ослабли и во время еды кусочки пищи попадали в легкие. В 1985 году, во время поездки в ЦЕРН – Европейскую организацию по ядерным исследованиям, расположенную в Швейцарии, я заболел воспалением легких. Это был судьбоносный момент. Меня срочно доставили в кантональную клинику Люцерна и подключили к аппарату искусственного дыхания. Врачи сообщили Джейн, что ситуация достигла стадии, при которой они ничего сделать не могут, и они собираются отключать аппарат и дать мне умереть. Джейн отказалась, и на санитарном самолете меня переправили в Кембридж, в клинику Адденбрук.

Как вы, наверное, поняли, это было очень тяжелое время, но, к счастью, врачам Адденбрука удалось вернуть меня к состоянию, в котором я был до поездки в Швейцарию. Но, поскольку гортань по-прежнему пропускала пищу и слюну в легкие, им пришлось провести трахеотомию. Как известно, трахеотомия лишает человека способности говорить. Голос имеет огромное значение. Если речь невнятная, как была у меня, люди считают, что ты умственно отсталый, и относятся соответственно. До трахеотомии моя речь была настолько невнятной, что меня понимали только самые близкие. Среди этих немногих были и мои дети. Некоторое время после трахеотомии единственным способом коммуникации для меня была возможность поднимать брови, когда кто-нибудь указывал нужные буквы на листке с алфавитом.

К счастью, о моих трудностях узнал программист из Калифорнии Уолт Уолтосц. Он прислал мне программу «Эквалайзер», которую написал сам. Она позволила мне выбирать слова из меню на экране компьютера, установленного на кресле-каталке, нажимая рукой на ключ. Спустя годы система усовершенствовалась. Сегодня я пользуюсь программой «Акат», разработанной компанией Intel, которой управляю с помощью маленького датчика на очках движением щеки. Там предусмотрен мобильный телефон с доступом в интернет. Могу с уверенностью сказать, что я самый онлайновый человек в мире. Я сохранил первоначальный синтезатор речи – отчасти потому, что не слышал о более совершенном, отчасти потому, что уже идентифицирую себя с этим голосом, хотя он и говорит с американским акцентом.

Впервые мысль написать научно-популярную книгу о Вселенной пришла ко мне в 1982 году, когда я размышлял над ее безграничностью. Я решил, что таким образом смогу внести скромный денежный вклад в образование своих детей и оплатить растущие расходы на уход за мной, но прежде всего мне хотелось показать, как далеко, на мой взгляд, мы продвинулись в понимании Вселенной: мы оказались уже очень близко к созданию всеобщей теории, которая описывала бы Вселенную и все, что в ней находится. Важно не только задавать вопросы и искать на них ответы. Как ученый, я считал себя обязанным ставить мир в известность о том, что мы изучаем.

«Краткая история времени», что примечательно, вышла в свет 1 апреля в 1988 году. Изначально книга должна была называться «От Большого взрыва к черным дырам: краткая история времени». Название сократили… Остальное известно.

Я совершенно не ожидал, что «Краткая история времени» будет иметь такой успех. Несомненно, этому способствовал простой человеческий интерес к тому, как мне, несмотря на тяжелую инвалидность, удалось стать физиком-теоретиком, а заодно и автором бестселлера. Не все смогли осилить книгу до конца или понять всё, о чем в ней говорится, но читатели, по крайней мере, соприкоснулись с одним из серьезных вопросов нашего существования и усвоили мысль, что мы живем во Вселенной, которая подчиняется рациональным законам, и эти законы, благодаря науке, можно открыть и понять.

Для моих коллег я просто физик, но для широкой публики я стал, наверное, самым известным ученым в мире. Отчасти это объясняется тем, что ученые, если не говорить об Эйнштейне, отнюдь не так популярны, как рок-звезды, и отчасти тем, что я соответствую стереотипу гения-инвалида. Я не могу замаскироваться париком или темными очками – инвалидное кресло выдает меня с головой. Широкая известность и узнаваемость имеют свои плюсы и минусы, но плюсы явно перевешивают. Люди, похоже, искренне рады меня видеть. Самую большую аудиторию я собрал в 2012 году, когда открывал в Лондоне паралимпийские игры.

О ЧЕМ ВЫ МЕЧТАЛИ В ДЕТСТВЕ И ЧТО ИЗ ЭТОГО СБЫЛОСЬ?

Я хотел стать великим ученым. Однако в школе я был не самым прилежным учеником и редко учился выше среднего. Задания я выполнял неряшливо, почерк был так себе. Но у меня были хорошие друзья. И мы разговаривали обо всем, в особенности о происхождении Вселенной. Тогда у меня появилась мечта, и я рад, что она сбылась.

Я прожил необыкновенную жизнь на этой планете и одновременно с помощью законов физики совершил мысленное путешествие по Вселенной. Я побывал в самых отдаленных уголках нашей галактики, путешествовал в черную дыру и возвращался к началу времени. На Земле я испытывал взлеты и падения, покой и волнения, успех и страдания. Я был бедным и богатым, физически здоровым и инвалидом. Меня хвалили и критиковали, но никогда не игнорировали. Мне выпала огромная честь своими работами внести определенный вклад в наше понимание Вселенной. Но эта Вселенная была бы поистине пустой, если бы не люди, которых я люблю и которые любят меня. Без них я был бы лишен всего этого чуда.

И в конце концов, сам факт, что мы, люди, представляющие собой лишь набор физических частиц, смогли прийти к пониманию законов, которые управляют нами и нашей Вселенной, – это великий триумф. Я хочу поделиться с вами тем волнением и энтузиазмом, с которыми ищу ответы на эти серьезные вопросы.

Надеюсь, настанет день, когда мы найдем все ответы. Но на планете появятся другие вызовы, другие серьезные вопросы, и на них тоже придется искать ответы, соответственно, появится потребность в новом поколении увлеченных, заинтересованных людей, разбирающихся в науках. Как прокормить постоянно растущее население? Как обеспечить всех чистой водой, как получать возобновляемую энергию, как лечить и предотвращать болезни, как замедлить процесс глобального потепления? Надеюсь, наука и техника найдут ответы на эти вопросы, но для их воплощения потребуются образованные и компетентные люди. Давайте бороться за то, чтобы каждая женщина и каждый мужчина имели шанс на благополучную и спокойную жизнь, полную возможностей и любви. Мы все путешественники во времени, наш путь лежит в будущее. Но давайте работать сообща, чтобы это будущее стало местом, куда мы хотим попасть.

Будьте отважны, пытливы, решительны, преодолевайте трудности. И все получится.

1

Есть ли Бог?

Наука все чаще отвечает на вопросы, которые раньше были прерогативой религии. Религия, собственно, была первой попыткой ответить на вопросы, которые интересуют всех нас: почему мы здесь, откуда мы взялись? В давние времена ответ был почти всегда одинаковым: все создали боги. Мир был пугающим, и даже такие суровые люди, как викинги, верили в сверхъестественных существ, чтобы придать смысл непонятным природным явлениям: молниям, бурям или затмениям. В наши дни наука предлагает более ясные и убедительные ответы, но многие по старинке держатся за религию, потому что им так комфортнее и потому что они не доверяют науке или не понимают ее.

Несколько лет назад газета The Times вышла с крупным заголовком на первой полосе: «Хокинг: Бог не создавал Вселенную». К статье прилагались иллюстрации. Бог был изображен в версии Микеланджело и выглядел устрашающим. А я на опубликованной фотографии казался самодовольным. Они сделали так, словно между нами происходит дуэль. Но я не имею ничего против Бога. Я не хочу, чтобы сложилось впечатление, будто моя работа направлена на оправдание или опровержение существования Бога. Моя работа заключается в поиске рациональной системы понимания окружающей нас Вселенной.

Многие века считалось, что инвалиды, подобные мне, прокляты Богом. Допускаю возможность, что чем-то не угодил Тому, кто там, наверху, но предпочитаю думать, что все можно объяснить иначе, с помощью законов природы. Если вы верите в науку, как я, то вы верите в существование законов, которым всегда подчиняются. Если угодно, можете сказать, что эти законы созданы Богом, – но это будет скорее определение Бога, а не доказательство Его существования.

В III веке до н. э. жил один философ по имени Аристарх, которого очень интересовали затмения, в особенности затмения Луны. Аристарх был поистине первопроходцем науки. Ему хватило мужества усомниться в том, что затмения есть дело рук богов. Он тщательно изучил небесную сферу и пришел к смелому выводу: причиной затмений является тень Земли, в которой оказывается Луна, а отнюдь не божественный умысел. Окрыленный этой мыслью, он представил, что в действительности происходит у него над головой, и даже нарисовал схемы, показывающие реальные взаимоотношения между Солнцем, Землей и Луной. А из этого сделал еще более примечательные выводы. Он предположил, что Земля не является центром Вселенной, как все тогда думали, а обращается по орбите вокруг Солнца. Осмысление взаимоотношений Луны, Земли и Солнца как раз и объясняет затмения. Когда Луна отбрасывает тень на Землю, происходит солнечное затмение. Когда Земля отбрасывает тень на Луну – лунное затмение. Но Аристарх пошел еще дальше. Он осмелился утверждать, что звезды – это не дырки в небесном пологе, как думали его современники, а солнца, подобные нашему, только расположенные гораздо дальше от нас. Какое ошеломительное открытие для того времени. Вселенная – механизм, действующий по определенным принципам или законам, и эти законы доступны для человеческого понимания.

Я убежден, что открытие этих законов стало величайшим достижением человечества, поскольку именно они – законы природы, как мы их теперь называем, – дают нам возможность понять, нуждаемся ли мы в Боге для объяснения Вселенной в целом. Законы природы описывают то, как все происходило в прошлом, действует сейчас и будет происходить в будущем. Говорят, теннисный мячик летит туда, куда его направляет игрок. Но при этом на него действует множество других законов. Они управляют всем, что происходит, – полет мяча зависит от энергии удара, которую производят мышцы игроков, и даже от скорости, с которой растет трава у них под ногами. Но самое важное в том, что эти физические законы, помимо того, что неизменны, еще и универсальны. Они применимы не только к полету мяча, но и к движению планет, и ко всему остальному во Вселенной. В отличие от законов, созданных людьми, законы природы нарушить нельзя, вот почему они такие могущественные – и, если смотреть с религиозной точки зрения, противоречивые.

Если вы, как и я, согласны с существованием законов природы, то мы подходим к вопросу: а какая роль в них отводится Богу? В этом и состоит существенная часть противостояния науки и религии, и хотя мои взгляды оказались вынесены на первую полосу, на самом деле это древнейший конфликт. Можно определить Бога как воплощение законов природы. Однако большинство людей полагают иначе. Они представляют Бога человекоподобным существом, с которым можно вступить в непосредственные отношения. Если представить себе бескрайние размеры Вселенной и подумать, насколько незначительной и случайной является в ней человеческая жизнь, это выглядит крайне маловероятно.

Как и Эйнштейн, я использую слово «бог» в обезличенном смысле, связывая его с законами природы, поэтому постижение замысла Божьего – это постижение законов природы. Допускаю, что уже к концу этого столетия мы постигнем замысел Бога.

Остается одна область, на которую сейчас может претендовать религия, – происхождение Вселенной. Но даже здесь наука уже достигла прогресса и вскоре сможет предложить убедительный ответ на вопрос о том, как все начиналось. Я опубликовал книгу, в которой ставится под сомнение божественное создание Вселенной, и она вызвала определенные волнения. Люди были недовольны тем, что ученый высказывается на религиозные темы. У меня нет ни малейшего желания указывать кому-то, во что верить, но, на мой взгляд, вопрос о существовании Бога – вполне правомерный для науки. В конце концов, трудно представить более важную или более фундаментальную тайну, чем что или кто создал Вселенную и управляет ею.

Я полагаю, Вселенная возникла спонтанно, из ничего – согласно научным законам. Базовая предпосылка науки – научный детерминизм. Научные законы определяют эволюцию Вселенной в каждый конкретный момент ее развития. Эти законы могут быть, а могут и не быть установлены Богом, но Он не может вмешаться и нарушить эти законы, иначе они не были бы законами. Это оставляет Богу свободу выбрать первоначальный момент Вселенной, но даже и в этом, судя по всему, должны быть законы. Так что у Бога, по сути, нет никакой свободы.

Несмотря на сложность и разнообразие Вселенной, оказывается, что для ее создания требуются всего три ингредиента. Представим, что мы можем перечислить их в своего рода космической кулинарной книге. Так какие три ингредиента нам нужны, чтобы приготовить Вселенную? Первый – материя, вещество, имеющее массу. Оно окружает нас всюду – вещество и в земле под ногами, и в небесах над головой. Пыль, камни, лед, жидкости. Огромные газовые облака, массивные спиральные галактики с миллиардами звезд, растянувшиеся на невообразимые расстояния.

Второе, что нам требуется, – энергия. Даже если вы никогда об этом не думали, вам известно, что такое энергия. Это то, с чем мы сталкиваемся ежедневно. Посмотрите на Солнце, и вы почувствуете на лице энергию, которую производит звезда, расположенная в 150 миллионах километров от нас. Энергия пронизывает Вселенную, приводя в действие процессы, которые поддерживают ее динамичное, бесконечно изменяющееся состояние.

Итак, у нас есть материя и энергия. Третий ингредиент, необходимый нам для создания Вселенной, – пространство. Много пространства. Можно называть Вселенную как угодно – грандиозной, прекрасной, страшной, но ее никак нельзя назвать тесной. Куда ни бросишь взгляд – увидишь пространство, пространство и еще больше пространства. Оно простирается во все стороны. Этого достаточно, чтобы голова закружилась. А откуда взялась вся эта материя, энергия и пространство? Мы не имели об этом никакого понятия до ХХ века.

Ответ пришел благодаря прозрению одного человека, возможно, самого выдающегося ученого всех времен. Его звали Альберт Эйнштейн. К сожалению, мне не удалось с ним встретиться, поскольку мне было всего тринадцать лет, когда он скончался. Эйнштейн понял нечто удивительное: два ингредиента, необходимые для создания Вселенной – масса и энергия, – по сути, одно и то же, две стороны одной монеты, если угодно. Его знаменитое уравнение E = mc^2 попросту означает, что массу можно рассматривать как своего рода энергию и наоборот. Так что теперь можно сказать, что для создания Вселенной вместо трех ингредиентов достаточно двух – энергии и пространства. А откуда взялись энергия и пространство? Ответ был получен после нескольких лет напряженной работы ученых: пространство и энергия спонтанно возникли в момент, который сейчас называется Большим взрывом.

В момент Большого взрыва начала существовать вся Вселенная, а вместе с ней и пространство. Все расширялось, как надуваемый воздушный шарик. Но все-таки откуда взялись энергия и пространство? Каким образом все произошло? Неужели Вселенная, полная энергии, головокружительные пространства космоса и все, что в нем есть, просто возникли из ничего?

Некоторые считают, что в этот момент в игру вступает Бог. Что именно Бог создал энергию и пространство. Большой взрыв – это момент Творения. Но наука утверждает иное. Рискуя создать себе проблемы, смею утверждать, что мы сейчас гораздо лучше понимаем природные явления, которые пугали викингов. Мы даже можем пойти дальше прекрасной симметрии вещества и энергии, открытой Эйнштейном. Размышляя о зарождении Вселенной, мы можем использовать законы природы и выяснить, возможно ли объяснить этот феномен исключительно существованием Бога.

Я рос в Англии. Годы после Второй мировой войны были временем самоограничений. Нам говорили, что за все надо платить. Но спустя много лет научной деятельности я могу сказать, что на самом деле можно бесплатно получить целую Вселенную.

Главной тайной Большого взрыва остается вопрос: каким образом вся фантастически огромная Вселенная пространства и энергии могла материализоваться из ничего? Секрет кроется в одном очень странном космическом явлении. Законы физики требуют существования того, что называется «отрицательной энергией».

Чтобы помочь вам вникнуть в эту странную, но важную идею, позвольте провести простую аналогию. Представьте человека, который хочет сделать холм на ровном месте. Холм – это Вселенная. Для реализации своего замысла нашему человеку нужно выкопать яму в земле и использовать почву для насыпки холма. То есть он создает не только холм – он создает еще и яму, по сути – отрицательную версию холма. Вещество, которое было в яме, теперь находится в холме, так что все идеально уравновешено. Точно такой же принцип лежит в основе создания Вселенной.

Когда Большой взрыв произвел огромное количество положительной энергии, он одновременно произвел такое же количество отрицательной энергии. Таким образом, отрицательная и положительная энергия в сумме дают ноль – как обычно. Очередной закон природы.

А где сейчас вся эта отрицательная энергия? В третьем ингредиенте нашего космического кулинарного рецепта – в пространстве. Может показаться странным, но, согласно законам природы, имеющим отношение к гравитации и динамике – одним из древнейших научных законов, – пространство является огромным хранилищем отрицательной энергии. Достаточной, чтобы все уравновесить и свести к нулю.

Я понимаю, что, если вы не сильны в математике, в это трудно поверить, но это правда. Безграничная сеть миллиардов и миллиардов галактик, между которыми действуют силы взаимного тяготения, ведет себя как гигантский накопитель. Вселенная похожа на огромный аккумулятор, хранящий отрицательную энергию. Положительная сторона вещей – масса и энергия, которую мы знаем сегодня, – это холм. Соответствующая яма, или отрицательная сторона вещей, находится в пространстве.

Но что это значит для нашего стремления выяснить, есть ли Бог? Это значит, что если Вселенная сводится к нулю, то для ее создания Бог не нужен. Вселенная – идеальный бесплатный ланч.

Поскольку мы знаем, что сумма положительного и отрицательного дает ноль, остается лишь выяснить, что – или, осмелюсь сказать, кто – запустило весь этот процесс. Что могло стать причиной спонтанного возникновения Вселенной? Поначалу это кажется непостижимой загадкой – в конце концов, в повседневной жизни вещи не возникают сами по себе. Нельзя щелкнуть пальцами и получить чашечку кофе, когда вам этого хочется. Кофе надо приготовить из разных компонентов: из кофейных зерен, воды, – возможно, даже добавить молока и сахара. Но давайте отправимся в глубину этой кофейной чашки – сквозь частицы молока доберемся до атомов и попадем на субатомарный уровень. Мы окажемся в мире, где вполне реален этот фокус: здесь все может создаваться из ничего. По крайней мере, на некоторое время. Дело в том, что на этом уровне такие частицы, как протоны, ведут себя согласно законам природы, которые мы называем квантовой механикой. И они действительно могут возникать случайно, соединяться на время, а потом исчезать снова, чтобы появиться где-то в другом месте.

Поскольку мы знаем, что Вселенная изначально была очень мала – возможно, даже меньше протона, – это приводит нас к одному примечательному выводу. Вселенная при всей своей головокружительной величине и сложности могла просто внезапно начать существование, не нарушая при этом законов природы. И с этого момента в процессе выброса гигантского количества энергии пространство начало расширяться и становиться местом для хранения всей отрицательной энергии, необходимой для подведения сальдо. Конечно, тут опять возникает принципиальный вопрос: может быть, Бог создал законы квантовой физики, которые допустили Большой взрыв? Короче, нужен ли Бог для того, чтобы произошел Большой взрыв? Не имею ни малейшего желания оскорблять чувства верующих, но, на мой взгляд, у науки есть более убедительное объяснение, чем наличие божественного Творца.

Повседневный опыт подсказывает, что все происходящее возникает из-за того, что случилось раньше во времени, поэтому нам естественно думать, что нечто – возможно, Бог – должно было стать причиной начала существования Вселенной. Но если говорить о Вселенной в целом, это не обязательно. Представьте ручей, бегущий по горному склону. Что является причиной ручья? Ну, допустим, раньше в горах прошли дожди. А что стало причиной дождей? Хороший ответ – солнце светит над океаном, влага испаряется, и в небе образуются облака. Прекрасно, а что является причиной солнечного света? Если заглянуть внутрь Солнца, мы увидим процесс, который называется синтезом, во время которого атомы водорода соединяются, образуя гелий, и выделяется огромное количество энергии. Пока все хорошо. А откуда взялся водород? Ответ: от Большого взрыва. И вот тут принципиальный момент. Законы природы не только говорят, что Вселенная может внезапно возникнуть без посторонней помощи, как протон, но и не исключают того, что у Большого взрыва вообще не было причины. Никакой.

Это объяснение опирается на теории Эйнштейна и его идею о том, что пространство и время во Вселенной имеют фундаментальную взаимосвязь. В момент Большого взрыва произошло нечто очень интересное. Началось само Время.

Чтобы понять эту ошеломительную идею, представьте себе черную дыру, плывущую в пространстве. Типичная черная дыра – это звезда, масса которой столь велика, что она обрушивается внутрь себя. Она настолько массивна, что даже свет не может преодолеть силу ее гравитации, вот почему она почти идеально черная. Гравитационное притяжение настолько сильное, что оно искривляет и искажает не только свет, но и время. Чтобы это понять, представьте часы, которые затягивает в эту дыру. По мере того как часы приближаются к черной дыре, они начинают идти все медленнее и медленнее.

КАК СУЩЕСТВОВАНИЕ БОГА СОЧЕТАЕТСЯ С ВАШИМИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯМИ О НАЧАЛЕ И КОНЦЕ ВСЕЛЕННОЙ? А ЕСЛИ БЫ БОГ СУЩЕСТВОВАЛ И У ВАС БЫЛ ШАНС С НИМ ВСТРЕТИТЬСЯ, О ЧЕМ БЫ ВЫ СПРОСИЛИ ЕГО?

Вопрос стоит так: есть ли вероятность того, что Вселенная создана Богом по причинам, которые нам не дано понять, или ее рождение детерминировано физическими законами? Я верю во второе. Если угодно, вы можете называть законы природы «богом», но это не тот персонифицированный Бог, с которым вы может встретиться и и задать ему вопрос. Впрочем, если такой Бог действительно существует, я бы спросил Его, что Он думает, например, об одиннадцатимерной М-теории.

Время начинает замедляться. И вот часы оказались в черной дыре – предположим, они смогут выдержать невероятную силу гравитации. И что же? Они совсем остановятся. И остановятся не потому, что сломались, а потому, что внутри черной дыры времени не существует. Именно так было при рождении Вселенной.

За последнюю сотню лет мы добились впечатляющего прогресса в понимании Вселенной. Теперь мы знаем законы, которые управляют всем, что происходит везде, кроме самых экстремальных ситуаций, таких как происхождение Вселенной или существование черных дыр. Роль, которую играло время при рождении Вселенной, на мой взгляд, является ключевым фактором для отказа от необходимости иметь великого Создателя и для понимания того, как Вселенная создала сама себя.

По мере путешествия во времени к моменту Большого взрыва Вселенная будет становиться все меньше и меньше – пока не достигнет точки, в которой превратится в пространство настолько малое, что станет, по сути, одной, бесконечно малой, бесконечно плотной черной дырой. И так же, как в современных черных дырах, существующих в пространстве, законы природы в ней будут действовать весьма своеобразно. Согласно этим законам, время там должно остановиться. Нельзя продвинуться во времени до начала Большого взрыва, потому что до Большого взрыва времени просто не существовало. Наконец мы обнаружили то, у чего нет причины, потому что нет времени, в котором могла возникнуть эта причина. Для меня это означает, что нет возможности существования Творца, потому что нет времени, в котором этот Творец мог бы существовать.

Люди хотят получить ответы на серьезные вопросы – например, почему мы здесь. Никто не ждет, что ответ будет простым, поэтому все готовы приложить к нему некоторые усилия. Когда меня спрашивают, создал ли Вселенную Бог, я говорю, что этот вопрос не имеет смысла. До Большого взрыва времени не существовало, поэтому у Бога не было времени для ее создания. Это все равно что спросить, как пройти на край Земли. Земля – сфера, у которой нет края, поэтому искать его бессмысленно.

Верю ли я? Каждый волен уверовать во что угодно, и, на мой взгляд, это самое простое объяснение того, что Бога нет. Никто не создавал Вселенную, и никто не управляет нашей судьбой. И это подводит меня к глубокой мысли: вероятно, нет ни рая, ни загробной жизни. Думаю, вера в загробную жизнь – лишь принятие желаемого за действительное. Этому нет никаких надежных свидетельств, и предположение о загробной жизни рассеивается на фоне того, что нам известно в науке. Полагаю, мы, умирая, превращаемся в прах. Но в том, что мы живем, что мы на что-то оказываем влияние, что мы передаем гены нашим детям, конечно, есть смысл. У нас есть одна жизнь, чтобы оценить великий замысел Вселенной, и за это я чрезвычайно благодарен.

2

Как все началось?

Гамлет говорил: «Я мог бы замкнуться в ореховой скорлупе и считать себя царем бесконечного пространства».[8] Думаю, он имел в виду то, что мы, люди, и я в особенности, весьма ограничены физически, но наш разум свободен исследовать Вселенную и смело отправляться туда, куда не ведет даже «Звездный путь». Действительно ли Вселенная бесконечна – или просто очень велика? Есть ли у нее начало? Будет ли она существовать вечно или лишь долгое время? Как нашим ограниченным умом постичь безграничную Вселенную? Не слишком ли самонадеянно даже пытаться это сделать?

Уверен, мы можем и должны пытаться понять Вселенную, пусть даже рискуя повторить судьбу Прометея, который украл огонь у античных богов и подарил его людям. В наказание Прометея навечно приковали цепью к скале, но позже его освободил Геркулес. Мы уже добились впечатляющего прогресса в понимании космоса. У нас все еще нет полной картины, но, надеюсь, ждать осталось недолго.

Согласно мифу народа бошонго из Центральной Африки в начале мира не было ничего, кроме тьмы, воды и великого бога Бумбы. Однажды Бумба, почувствовав страшную боль в животе, напрягся и изрыгнул Солнце. Солнце испарило часть воды, и появилась суша. Продолжая страдать от боли, Бумба изрыгнул Луну, звезды, а затем нескольких животных: леопарда, крокодила, черепаху и, наконец, человека.

Этот миф о сотворении мира, как и многие другие, пытается дать ответы на вопросы, которые нас интересуют. Почему мы здесь? Откуда мы взялись? Ответ обычно подразумевает, что люди появились относительно недавно, поскольку очевидно, что человеческая раса развивалась, расширяя познания и совершенствуя технологии. Так что она не может существовать долго, иначе прогресс был бы намного большим. Например, по расчетам епископа Ашшера[9], книга Бытия четко указывает начало времени: это произошло в шесть часов вечера 22 октября 4004 года до н. э. С другой стороны, физическое окружение – горы, реки и прочее – мало изменилось за время существования человечества. Они могут считаться неизменным фоном и либо существовали всегда как безжизненный ландшафт, либо были созданы одновременно с человеком.

Впрочем, не всех устраивала мысль, что у Вселенной есть начало. Например, Аристотель, самый знаменитый из греческих философов, утверждал, что Вселенная существует вечно. Нечто вечное более совершенно, чем нечто созданное. Он предположил, что прогресс можно объяснить потопами или другими природными катастрофами, которые периодически отбрасывают цивилизацию к ее истокам. Основание для веры в вечность Вселенной – это желание избежать идеи божественного вмешательства в ее создание и существование. И напротив, те, кто верит, что у Вселенной есть начало, используют это как аргумент в пользу существования Бога как первопричины, источника ее возникновения.

У того, кто верит, что у Вселенной есть начало, могут возникнуть вопросы: «А что было до начала? Чем занимался Бог до того, как создал наш мир? Может, Он готовил ад для тех, кто задается такими вопросами?» Вопрос о том, есть ли у Вселенной начало, в частности, глубоко интересовал немецкого философа Иммануила Канта. Он чувствовал здесь логическое противоречие, или антиномию. Если у Вселенной есть начало, почему прошло неопределенно бесконечное время, прежде чем она началась? Он назвал это тезисом. С другой стороны, если Вселенная существовала всегда, почему потребовалось неопределенно бесконечное время, чтобы она достигла нынешней стадии? Он назвал это антитезисом. Тезис и антитезис опираются на предположение Канта (как и большинства всех остальных), что время – понятие абсолютное. То есть оно течет от бесконечного прошлого в бесконечное будущее вне зависимости от того, существует или не существует какая-то Вселенная.

Такое представление характерно и для многих современных ученых. Однако еще в 1915 году Эйнштейн разработал революционную теорию относительности. Согласно этой теории, пространство и время не являются абсолютом, не являются фиксированным фоном для всех событий. Напротив, это динамические величины, которые формируются материей и энергией Вселенной. Они определены только в пределах Вселенной, поэтому нет смысла говорить о времени, предшествовавшем рождению Вселенной. Это все равно что спрашивать направление на юг на Южном полюсе. Оно не определено.

Теория Эйнштейна объединяет пространство и время, но мало что говорит о пространстве как таковом. Кажется очевидным, что пространство, например, простирается во всех направлениях. Мы не думаем, что Вселенная заканчивается кирпичной стеной, хотя нет никаких логических оснований полагать, что это исключено. Современные приборы, типа космического телескопа «Хаббл», позволяют нам заглянуть в глубины космоса. Мы видим миллиарды и миллиарды галактик различных форм и размеров. Есть гигантские эллиптические галактики, есть спиральные галактики, подобные нашей. В каждой галактике – миллиарды и миллиарды звезд, у многих из которых могут быть свои планетные системы. Наша галактика перекрывает нам вид в некоторых направлениях, но, если этого не учитывать, можно сказать, что галактики распределены в пространстве приблизительно равномерно, с некоторыми локальными уплотнениями и пустотами. Плотность галактик снижается на очень больших расстояниях, но так кажется потому, что они слишком далеко от нас и мы просто не можем их различить. Единственное, что можно сказать, – Вселенная занимает все бесконечное пространство и в основном одинакова вне зависимости от того, как далеко простирается.

Однако при том, что Вселенная кажется одинаковой в любой точке пространства, она определенно изменяется во времени. Этого не осознавали вплоть до начала прошлого века. До тех пор считали, что Вселенная в принципе неизменна во времени. Она может существовать бесконечно длительное время, но это приводит к абсурдным выводам. Если звезды излучают энергию бесконечное время, то они должны были бы разогреть Вселенную до своей собственной температуры. И даже ночью все небо было бы таким же ярким, как Солнце, потому что любой взгляд упирался бы либо в звезду, либо в пылевое облако, разогретое до температуры звезды. Поэтому то, что мы по ночам видим темное небо, имеет большое значение. Это подразумевает, что Вселенная не может существовать вечно в том состоянии, которое мы видим сегодня. Что-то должно было происходить в прошлом такое, от чего зажигались звезды. И в таком случае свет очень далеких звезд просто не успел до нас дойти. А это объясняет, почему ночное небо не светится во всех направлениях.

Если звезды находятся на своих местах вечно, почему они вдруг зажглись несколько миллиардов лет назад? Что за часы указали им время, в которое пора начинать сиять? Это озадачивало таких философов, как Иммануил Кант, который считал, что Вселенная существует вечно. Но большинство людей устраивает мысль о том, что Вселенная примерно в том же виде, что и сейчас, создана всего лишь несколько тысяч лет назад, как вычислил епископ Ашшер. Однако в 1920-х годах наблюдения с помощью 100-дюймового телескопа, установленного в обсерватории Маунт-Вилсон, в этой теории стали находить нестыковки. Прежде всего, Эдвин Хаббл обнаружил, что многие слабые световые пятна, так называемые туманности, на самом деле – другие галактики, огромные скопления звезд, похожих на Солнце, только находящиеся на огромном расстоянии от нас. Чтобы они выглядели такими маленькими и бледными, расстояние до них должно быть столь велико, что свету потребовались миллионы, а может, и миллиарды лет, чтобы достичь наших глаз. А это говорит о том, что Вселенная не могла начаться всего несколько тысяч лет назад.

Но Хаббл обнаружил и еще нечто более примечательное. Анализируя свет далеких галактик, Хаббл смог определить, в какую сторону они движутся – к нам или от нас. К его глубокому изумлению, оказалось, что они почти все от нас удаляются. Более того, чем они дальше, тем выше их скорость. Иными словами, Вселенная расширяется. Галактики разбегаются друг от друга.

Открытие расширяющейся Вселенной стало одной из величайших интеллектуальных революций ХХ века. Оно оказалось полной неожиданностью, поскольку резко изменило направление дискуссий о происхождении Вселенной. Если галактики сейчас удаляются, значит, в прошлом они были ближе друг к другу. Судя по нынешней скорости расширения, можно вычислить, что десять – пятнадцать миллиардов лет назад они располагались очень близко. Выглядит это так, словно в момент начала Вселенной все находилось в одной точке пространства.

Многих ученых не устраивает идея о том, что Вселенная имеет начало, поскольку это предполагает нарушение законов физики. Кто-то предпочитает объяснять этот феномен наличием внешнего фактора, который для удобства именуется «богом». Следовательно, выдвигались теории, согласно которым Вселенная в настоящее время расширяется, но не имеет начала. Одной из них можно назвать теорию стационарного состояния Вселенной, выдвинутую Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом в 1948 году.

В теории стационарного состояния Вселенной разбегание галактик объясняется тем, что из вещества, которое, предположительно, постоянно возникает в пространстве, образуются новые галактики. Таким образом, Вселенная существует вечно и всегда выглядит одинаково. Это последнее свойство обладает тем преимуществом, что выглядит как конкретное предположение, которое можно проверить с помощью наблюдений. Группа радиоастрономов из Кембриджа под руководством Мартина Райла в начале 1960-х годов провела изучение источников слабых радиоволн. Оказалось, что они распределены по небу на удивление равномерно и находятся за пределами нашей галактики. Более слабые источники располагаются дальше, и наоборот.

Теория устойчивого состояния предполагает связь между количеством источников и их силой. Но наблюдения выявили больше слабых источников, чем предполагалось, а это говорит о том, что плотность их в прошлом была выше. Это противоречит базовому положению теории стационарного состояния, согласно которому всё неизменно во времени. По этой и ряду других причин теория стационарного состояния оказалась отвергнута.

Другой попыткой уйти от идеи начала Вселенной стало предположение, что ранее существовала стадия сжатия, но из-за вращения и локальной неоднородности вещества не вся материя сосредоточилась в одной точке. Некоторые куски материи разминулись, и Вселенная снова стала расширяться, при этом ее плотность всегда остается конечной. Двое советских ученых, Евгений Лифшиц и Исаак Халатников, заявили, что получили доказательство того, что в общем случае сжатие без идеальной симметрии должно всегда приводить к отскоку, при этом плотность остается конечной. Это утверждение было очень удобным для марксистско-ленинского диалектического материализма, поскольку позволяло уйти от неловких вопросов о причинах возникновения Вселенной. Таким образом, это стало символом веры для советских ученых.

Я начал заниматься космологией примерно в то время, когда Лифшиц и Халатников опубликовали свое предположение, что Вселенная не имеет начала. Я понял, что это очень серьезный вопрос, но аргументы Лифшица и Халатникова меня не убедили.

Мы привыкли, что причиной событий являются предыдущие события, которые, в свою очередь, произошли из-за еще более ранних событий. Такая причинно-следственная цепочка тянется в прошлое. Но предположим, что у цепочки есть начало – допустим, первоначальное событие. Что стало его причиной? Немногие ученые демонстрируют желание затрагивать этот вопрос. Они стараются избегать его, либо заявляя, как русские ученые и сторонники теории стационарного состояния, что Вселенная не имеет начала, либо настаивая, что вопрос о происхождении Вселенной лежит не в области науки, а а в области метафизики или религии. На мой взгляд, такая позиция недостойна настоящего ученого. Если научные законы в момент зарождения Вселенной оказываются в подвешенном состоянии, не могут ли они оказаться недействительными и в другие моменты? Закон – не закон, если он действует лишь время от времени. Уверен, что мы должны попытаться понять начало Вселенной на научной основе. Возможно, это непосильная для нас задача, но имеет смысл хотя бы попробовать.

Мы с Роджером Пенроузом смогли доказать: если общая теория относительности Эйнштейна верна и соблюдаются определенные рациональные условия, то Вселенная должна иметь начало. С математическими обоснованиями спорить трудно, поэтому Лифшиц и Халатников в итоге согласились с тем, что Вселенная должна иметь начало. Хотя идея начала Вселенной, может, и не совсем соответствовала коммунистическим представлениям, идеологии как таковой никогда не позволяли вставать на пути развития физики как науки. Физики понадобились для создания бомбы, и было важно, чтобы она действовала. Однако советская идеология препятствовала прогрессу в биологии, отвергая генетику как науку.

Наши с Роджером Пенроузом теоремы показали, что Вселенная должна иметь начало, но они мало что могли сказать о характере этого начала. Они показывали, что Вселенная началась с Большого взрыва, с момента, когда Вселенная и все, из чего она состоит, были втиснуты в единственную точку бесконечной плотности, в пространственно-временную сингулярность. В этот момент общая теория относительности Эйнштейна перестает работать. Поэтому нельзя даже предположить, каким образом началась Вселенная. Остается заявить, что объяснение происхождения Вселенной выходит за рамки науки.

Эмпирические данные, подтверждающие, что Вселенная имела очень компактное начало, появились в октябре 1965 года, через несколько месяцев после моей идеи сингулярности. Это было открытие слабого микроволнового фона в космосе. Микроволны ничем не отличаются от тех, что испускает ваша микроволновая печь, разве что гораздо более слабые. Они могут нагреть пиццу всего-то до минус 270,4 градуса Цельсия – маловато для разморозки, не говоря уж о приготовлении. Вы сами могли наблюдать эти микроволны. Те, кто еще помнит аналоговые телевизоры, почти наверняка их видели. При включении телевизора на «пустой» канал несколько процентов «снежинок», которые были видны на экране, как раз имели отношение к этим фоновым микроволнам. Единственное рациональное объяснение этого фона – излучение, оставшееся от ранее очень горячей и плотной структуры. По мере расширения Вселенной это излучение остывает и постепенно превращается в те слабые остатки, которые мы можем наблюдать сегодня.

Мне и ряду других людей не очень нравится идея сингулярности начала Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна перестает работать рядом с Большим взрывом, поэтому она и называется классической. Она неявно предполагает то, что кажется очевидным с точки зрения здравого смысла: каждая частица имеет четко определенное положение и четко определенную скорость. Если известны положения и скорости всех частиц Вселенной в конкретный момент времени, можно вычислить, каковы они могут быть в любой другой момент времени, в прошлом или будущем. Однако в начале ХХ века ученые обнаружили, что не могут определить, что происходит на очень малом расстоянии. Дело не в том, что им были нужны более качественные теории. Оказалось, что в природе существует определенный уровень хаотичности, или случайности, который не может исключить ни одна даже самая лучшая теория. Это отражено в принципе неопределенности, предложенном немецким ученым Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Нельзя абсолютно точно измерить положение и скорость частицы. Чем точнее определяется положение, тем менее точно можно определить скорость и наоборот.

Эйнштейну категорически не нравилась мысль, что во Вселенной правит случай. Свое отношение к этому он выразил в знаменитой фразе: «Бог не играет в кости». Но все свидетельствует о том, что Бог – азартный игрок. Вселенная похожа на гигантское казино, где при каждом случае бросаются кости или запускается колесо рулетки. При каждом броске или обороте колеса владельцы казино рискуют потерять деньги. Но при большом количестве ставок шансы уравниваются, и владелец казино уверен, что средний результат окажется в его пользу. Поэтому владельцы казино так богаты. Единственный шанс выиграть у них – поставить все свои деньги на несколько чисел в рулетке или комбинаций костей.

То же самое во Вселенной. Когда Вселенная большая, существует множество комбинаций того, как выпадут кости, но средний результат предсказать можно. Но когда Вселенная очень маленькая, в самом начале своего расширения, комбинаций тоже мало, и здесь большую роль играет принцип неопределенности. Чтобы понять происхождение Вселенной, необходимо совместить принцип неопределенности с общей теорией относительности Эйнштейна. Это сложнейная задача для физиков-теоретиков. За последние тридцать лет нам еще не удалось решить ее, но прогресс налицо.

Предположим, мы хотим предсказать будущее. Поскольку нам известно несколько комбинаций положения и скорости частицы, мы не можем точно предсказать, как ее положение и скорость изменятся в дальнейшем. Мы можем лишь определить вероятность конкретных комбинаций положения и скорости. Таким образом устанавливается определенная вероятность будущего Вселенной. А теперь попробуем таким же образом представить себе прошлое.

С учетом характера наблюдений, которые мы способны проделать сегодня, можно установить вероятность определенной истории Вселенной. У Вселенной должно быть много вариантов прошлого, и у каждого – своя вероятность. Есть история Вселенной, в которой Англия снова стала чемпионом мира по футболу, хотя вероятность этого невелика. Мысль о том, что у Вселенной несколько вариантов прошлого, может показаться из области научной фантастики, но это научный факт. И все благодаря Ричарду Фейнману, который работал в высшей степени авторитетном Калифорнийском технологическом институте и в свободное время играл на уличных перекрестках на бонго. Для понимания природы вещей Фейнман предложил устанавливать каждому варианту истории степень вероятности и на основании этого делать прогнозы. Это очень хорошо работает для предсказания будущего. Можно предположить, что оно работает и для реконструкции прошлого.

Ученые сейчас пытаются объединить общую теорию относительности Эйнштейна и идею Фейнмана о том, что Вселенная имеет множество историй, в единую теорию, которая будет описывать все, что происходит во Вселенной. Объединенная теория даст нам возможность вычислить, как будет эволюционировать Вселенная. Но объединенная теория сама по себе не объяснит, как началась Вселенная или каково было ее изначальное состояние. Для этого требуется кое-что еще. Нам нужно знать так называемые пограничные условия, то есть то, что может объяснить происходящее на границе Вселенной, на краю пространства и времени. Если граница Вселенной представляет собой нормальную точку пространства и времени, мы можем пройти за нее и объявить территорию, находящуюся дальше, частью Вселенной. С другой стороны, если граница Вселенной имеет зазубренный край, где пространство или время скручиваются, а плотность бесконечна, то будет очень сложно определить поддающиеся толкованию пограничные условия. Так что не ясно, что требуется для пограничных условий. Похоже, нет логических оснований отдавать предпочтение одним пограничным условиям перед другими.

Мы с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре догадались, что есть третья возможность. Не исключено, что Вселенная не имеет границ в пространстве и времени. На первый взгляд, это вступает в прямое противоречие с геометрическими теоремами, которые я упоминал раньше. Они показывают, что у Вселенной должно быть начало, граница времени. Однако ученые, пытавшиеся математическими способами уточнить методы Фейнмана, разработали концепцию, получившую название «мнимое время». Оно не имеет никакого отношения к реальному времени, которое мы ощущаем. Мнимое время не имеет границ. Оно не имеет отношения к пограничным условиям. Мы назвали эту возможность «безграничным предложением».

Если пограничные условия Вселенной заключаются в том, что она не имеет границ в мнимом времени, значит, у нее не единственная история. В мнимом времени существует множество историй, и каждая из них будет определять историю в реальном времени. Таким образом, появляется множество историй Вселенной.

Что влияет на выбор конкретной истории или ряда историй, в которых мы живем, из всего множества вероятных историй Вселенной?

Можно сразу обратить внимание на то, что многие из этих вероятных историй Вселенной не затрагивают последовательность образования галактик и звезд – а это необходимое условие для нашего собственного развития. Не исключено, что разумные существа могут эволюционировать без галактик и звезд, но это маловероятно. Таким образом, сам факт, что мы есть и как разумные существа способны задать вопрос «Почему Вселенная именно такая?», является ограничением для той истории, в которой мы живем. Получается, что это одна из меньшинства историй, в которых существуют галактики и звезды. Мы это называем антропным принципом. Он утверждает, что Вселенная должна быть более или менее такой, какой мы ее видим, потому что, будь она иной, не было бы тех, кто ее может наблюдать.

Многим ученым не нравится антропный принцип, потому что он кажется надуманным и не обладает существенной предсказательной силой. Но антропный принцип можно изложить в точной формулировке, а это имеет большое значение, когда речь идет о происхождении Вселенной. М-теория, наш пока лучший кандидат на роль исчерпывающей объединенной теории, допускает очень большое количество вероятных историй Вселенной.[10] Большинство этих историй совершенно неприемлемы для развития разумной жизни. Они либо пустые, либо слишком короткие, либо слишком сильно искривлены, либо не годятся по каким-то иным причинам. Однако идея Ричарда Фейнмана о множественном прошлом допускает высокую вероятность таких «необитаемых историй».

На самом деле нам совершенно не важно, сколько может существовать историй, которые не содержат разумной жизни. Нас интересует лишь подгруппа, в которой развивается разумная жизнь. Эта разумная жизнь совершено не обязательно должна быть похожа на человеческую. Маленькие зеленые человечки тоже могут существовать, и не исключено, что гораздо лучше. Человечество не может похвастаться особо разумным поведением.

Чтобы понять действенность антропного принципа, попробуем рассмотреть количество направлений во Вселенной. Здравый смысл подсказывает, что мы живем в трехмерном пространстве. Иными словами, мы можем определить положение точки в пространстве тремя координатами. Например, широтой, долготой и высотой над уровнем моря. Но почему пространство трехмерное? Почему у него нет двух, или четырех, или еще какого-то количества измерений, как в научной фантастике? На самом деле в М-теории пространство имеет десять измерений (а также в этой теории есть еще одно измерение – время), но считается, что семь из десяти измерений скрученные и очень маленькие, в то время как остальные три большие и почти плоские. Это похоже на соломинку для коктейля. Поверхность соломинки двумерная. Но одно измерение скручено в маленькую трубочку, поэтому на расстоянии соломинка выглядит как одномерная линия.

Почему мы живем не в той истории, где восемь измерений скручены и малы, а мы обращаем внимание только на два? Двумерное животное будет испытывать большие проблемы с перевариванием пищи. Если у такого животного желудок будет находится внутри, как у нас, то он разделит животное надвое, и бедняга попросту распадется.

ЧТО БЫЛО ДО БОЛЬШОГО ВЗРЫВА?

Согласно идее о безграничности Вселенной, задавать вопрос о том, что было до Большого взрыва, так же бессмысленно, как спрашивать, где юг на Южном полюсе, – поскольку нет представления о времени, на которое можно сослаться. Концепция времени существует только в нашей Вселенной.

Двух плоских измерений недостаточно для такого сложного явления, как разумная жизнь. В трехмерном пространстве есть нечто особенное. В трехмерном пространстве планеты могут сохранять устойчивые орбиты вокруг своих звезд. Это следствие того, что гравитация подчиняется закону обратных квадратов, открытому Робертом Гуком в 1665 году и доработанному Исааком Ньютоном. Речь идет о гравитационном притяжении двух тел на определенном расстоянии. Если дистанция увеличивается вдвое, сила притяжения уменьшается вчетверо. Если расстояние увеличивается втрое, тогда силу притяжения следует делить на девять, если вчетверо – на шестнадцать и так далее. Это обеспечивает стационарные орбиты планет. А теперь поговорим о пространстве с четырьмя измерениями. Здесь гравитация подчиняется закону обратных кубов. Если расстояние между двумя телами удваивается, то силу притяжения следует делить на восемь, если увеличивается втрое – на двадцать семь, если вчетверо – на шестьдесят четыре. Такое изменение действия закона обратных квадратов приводит к тому, что планеты теряют стационарные орбиты. Они должны либо упасть на свою звезду, либо улететь в космический холод и мрак. Таким же образом потеряют стабильность электроны атомов, и вещество в известном нам виде перестанет существовать. Следовательно, если идея множества историй и допускает такое же множество почти плоских направлений, только в историях, имеющих три плоских направления, возможно нахождение разумных существ. Только в таких историях можно задать вопрос: «Почему пространство имеет три измерения?»

Одна примечательная особенность Вселенной, которую мы наблюдаем, связана с микроволновым фоном, обнаруженным Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. По сути, это реликтовое электромагнитное излучение очень молодой Вселенной. Фон распределен практически равномерно во всех направлениях. Различие составляет примерно одну стотысячную. То есть оно чрезвычайно мало и требует объяснения. Общепринятое объяснение такой однородности заключается в том, что в истории Вселенной был период чрезвычайно быстрого расширения, по крайней мере в миллиард миллиардов миллиардов раз. Этот процесс называется инфляцией, и это хорошо для Вселенной, в отличие от инфляции цен, от которой нередко страдаем мы. Если бы со Вселенной происходило только это, то микроволновое излучение было бы абсолютно одинаковым во всех направлениях. А откуда появляются небольшие различия?

В начале 1982 года я опубликовал статью, в которой предположил, что различия возникают от квантовой флуктуации, которая происходит в инфляционный период. Квантовые флуктуации – это следствие принципа неопределенности. Более того, эти флуктуации стали зернами, из которых проросли все структуры в нашей Вселенной: галактики, звезды и мы сами. В основе этой идеи, в принципе, тот же механизм, что и в так называемом излучении Хокинга с горизонта черной дыры, которое я предсказал десятилетием раньше, только она происходит на космологическом горизонте – поверхности, которая разделяет видимые и невидимые нам части Вселенной. Тем летом в Кембридже мы организовали семинар, в котором приняли участие все крупные специалисты в этой области. На встрече мы сформулировали существующую ныне картину инфляции, в том числе чрезвычайно важную флуктуацию плотности, которая способствовала формированию галактик и, соответственно, нашему существованию. Окончательная картина сложилась несколько позже. Это происходило за десять лет до того, как космическая обсерватория COBE[11] в 1993 году обнаружила флуктуации на микроволновом небе, то есть теория обогнала практику.

Космология стала точной наукой десять лет спустя, в 2003 году, когда были получены первые результаты с космического аппарата WMAP.[12] Он дал замечательную картину температуры космического микроволнового неба, моментальный снимок Вселенной в десятки тысяч раз моложе ее нынешнего состояния.[13] Видимые отклонения были предсказаны инфляцией, и они означают, что некоторые районы Вселенной обладают чуть большей плотностью, чем другие. Гравитационное притяжение в области повышенной плотности замедляет расширение в этом районе и может со временем привести к коллапсу, в результате которого появятся звезды и галактики. Так что присматривайтесь внимательней к карте микроволнового неба. Это – схема строения Вселенной. Мы – продукт квантовой флуктуации на самой ранней стадии развития Вселенной. Бог действительно играет в кости.

Сегодня на смену аппарату WMAP пришел космический телескоп «Планк», который создает карту Вселенной в гораздо более высоком разрешении. «Планк» основательно проверяет наши теории и может даже обнаружить следы гравитационных волн, которые тоже предсказаны инфляцией. Это будет небесный автограф квантовой гравитации.

Могут существовать другие Вселенные. М-теория говорит, что буквально из ничего может быть создано огромное количество Вселенных во множестве различных вероятных историй. У каждой Вселенной есть много возможных историй и множество возможных состояний в ее настоящем возрасте и далее, в будущем. Большинство этих состояний не будут иметь ничего общего с той Вселенной, которую мы наблюдаем.

Есть надежда, что первые подтверждения гипотез М-теории мы увидим с помощью Большого адронного коллайдера (БАК), ускорителя заряженных частиц, который работает в ЦЕРНе, недалеко от Женевы. С позиции М-теории он работает при низких энергиях, но, если нам повезет, мы увидим хотя бы первые намеки на то, что эта теория близка к правде, – например, обнаружим суперсимметрию. Думаю, обнаружение суперсимметричных партнеров известных частиц кардинально повлияет на наше понимание Вселенной.

В 2012 году было объявлено, что с помощью Большого адронного коллайдера обнаружена новая частица – так называемый бозон Хиггса. Это стало первым открытием новой элементарной частицы в XXI веке. Остается надежда, что БАК обнаружит и суперсимметрию. Но даже если он и не найдет никаких новых элементарных частиц, суперсимметрия может быть обнаружена на новом поколении ускорителей.

Начало самой Вселенной в момент Большого взрыва – идеальная лаборатория высокой энергии для проверки М-теории и наших предположений о создании блоков пространства-времени и материи. На различных следах возникновения нынешней структуры Вселенной строятся различные теории, поэтому результаты астрофизических исследований могут нам кое-что подсказать об унификации всех сил природы. Так что другие Вселенные, может, и существуют, но, к сожалению, нам никогда не удастся исследовать их.

Мы кое-что поняли о происхождении Вселенной. Но остаются два серьезных вопроса: наступит ли конец Вселенной? И уникальна ли Вселенная? Как будут развиваться дальше наиболее вероятные истории Вселенной? Есть различные варианты, совместимые с появлением разумных существ. Это зависит от количества материи в космосе. Если ее станет больше определенной критической массы, гравитационное притяжение галактик замедлит расширение. Постепенно они начнут падать друг на друга, и все закончится Большим сжатием. Это станет концом истории нашей Вселенной в реальном времени.

Когда я был на Дальнем Востоке, меня попросили не упоминать о Большом сжатии, опасаясь, что это может повлиять на состояние рынков. Но рынки рухнули: возможно, потому, что информация каким-то образом все равно просочилась. В Британии люди, судя по всему, не очень озабочены вероятностью того, что может произойти через 20 миллиардов лет. До этого еще можно очень долго есть, пить и веселиться.

Если плотность Вселенной окажется ниже критического уровня, гравитация станет слишком слабой, чтобы помешать галактикам разлетаться в разные стороны. Тогда все звезды погаснут, Вселенная будет постепенно пустеть и становиться все более холодной. Так что все тоже подойдет к концу, хотя и менее драматичным образом. Но все равно у нас в запасе есть несколько миллиардов лет.

В этом ответе я попытался кое-что объяснить о происхождении, будущем и особенностях нашей Вселенной. В прошлом Вселенная была маленькой и плотной и напоминала орех, с которого я начал. Однако в этом орехе содержалось все, что происходит в реальном времени. Так что Гамлет был прав. Мы можем замкнуться в ореховой скорлупе и считать себя царями бесконечного пространства.

3

Есть ли другая разумная жизнь во Вселенной?

Я хотел бы немного порассуждать о развитии жизни во Вселенной и, в частности, о развитии разумной жизни. В это понятие придется включить и род человеческий, хотя значительную часть его поведения в исторической перспективе следует признать весьма неразумной и не рассчитанной на выживание вида. Хочу обсудить два вопроса. Какова вероятность существования жизни во Вселенной? И каковы перспективы развития жизни?

Здравый смысл подсказывает, что общий уровень беспорядка и хаоса со временем возрастает. Это наблюдение даже имеет свое научное объяснение – второй закон термодинамики. Согласно этому закону, общая мера беспорядка, или энтропия, во Вселенной постоянно увеличивается. Однако закон относится только к общей мере беспорядка. В отдельном организме порядок может возрастать – при условии, что в окружающей среде мера беспорядка увеличивается в большей степени.

Именно так происходит с живыми существами. Мы можем определить жизнь как упорядоченную систему, поддерживающую свое существование вопреки тенденции к беспорядку и способную к самовоспроизводству. То есть она способна создавать себе подобные, но независимые упорядоченные системы. Для этого система должна преобразовывать энергию, существующую в неком упорядоченном виде, например пищу, солнечный свет или электричество, в беспорядочную энергию – тепло. Таким образом система соответствует требованию нарастания общей меры беспорядка – и в то же время повышает уровень порядка в себе и своем потомстве. Хороший пример – быт молодой семьи, который с рождением детей постепенно превращается в хаос.

Для живых существ, таких как вы и я, как правило, характерны две составляющие: набор инструкций, которые указывают организму, как действовать и размножаться, и механизм, который обеспечивает исполнение этих инструкций. В биологии эти две составляющие называются геномом и метаболизмом. Но следует подчеркнуть, ничего специально биологического в этом нет. Например, компьютерный вирус – программа, которая копирует себя в памяти компьютера и пересылает на другие компьютеры. Это вполне соответствует определению живого организма, которое я уже приводил. Подобно биологическому вирусу, это дегенеративная форма, потому что содержит только инструкции, или гены, но не обладает собственным метаболизмом. Напротив, он перепрограммирует метаболизм компьютера-хозяина или клеток. Некоторые задаются вопросом, следует ли считать вирусы формой жизни, поскольку они являются паразитами и, соответственно, питаются другими формами жизни, от чего зависит их выживание. Но в таком случае большинство жизненных форм, в том числе и мы сами, являются паразитами, поскольку питаются другими формами жизни, от чего зависит их выживание. Полагаю, компьютерные вирусы следует считать формой жизни. Возможно, это кое-что может сказать о природе человека, поскольку единственная форма жизни, которую нам пока удалось создать, оказалась исключительно деструктивной. Что уж говорить о попытках создания жизни в нашем собственном облике. Но к электронным формам жизни я еще вернусь.

То, что мы обычно понимаем как «жизнь», основано на цепочках атомов углерода с вкраплением некоторых других атомов, например азота или фосфора. Можно допустить существование жизни на какой-то иной химической основе, например кремния, но углерод представляется наиболее подходящим, потому что обладает высочайшей способностью образовывать химические связи различного типа. То, что атомы углерода должны присутствовать всюду, со свойствами, которыми они обладают, требует тонкой настройки ряда физических констант, таких как шкала квантовой хромодинамики, электрический заряд и даже количество измерений пространства-времени.

Если эти константы будут иметь существенно различающиеся значения, то либо ядра атомов углерода окажутся нестабильными, либо электроны обрушатся на ядро.

На первый взгляд, прекрасно, что наша Вселенная так тонко настроена. Может, это свидетельствует о том, что данная Вселенная специально создана для возникновения человеческой расы. Однако надо быть осторожнее с такого рода аргументами из-за антропного принципа, суть которого в том, что наши теоретические представления о Вселенной должны быть совместимы с нашим собственным существованием. Это основано на самоочевидной истине: если бы Вселенная не была приспособлена для жизни, мы бы не спрашивали, почему она так тонко настроена.

Часто разделяют сильный и слабый антропный принципы. Сильный антропный принцип предполагает существование множества различных Вселенных, каждой с различными значениями физических констант. При небольших показателях эти значения допускают существование таких объектов, как атомы углерода, которые действуют как строительные блоки для живых существ. Поскольку мы должны жить в одной из таких Вселенных, не следует удивляться, что физические константы так тонко настроены. В ином случае нас бы здесь не было. Таким образом, сильный антропный принцип не очень годится, потому что какое практическое значение в таком случае имеет существование всех остальных Вселенных? А если они отделены от нашей Вселенной, каким образом они могут оказывать влияние на нашу? Я лично предпочитаю слабый антропный принцип. Я принимаю значения физических констант как данность. Но хочу понять, какие выводы можно сделать из того факта, что жизнь существует на данной планете на данном этапе истории Вселенной.

13,8 миллиарда лет назад, когда произошел Большой взрыв и родилась Вселенная, углерода не существовало. Тогда было так жарко, что всё вещество должно было существовать в виде частиц, которые мы называем протонами и нейтронами. Изначально протонов и нейтронов было поровну. Однако по мере расширения Вселенная остывала. Примерно через минуту после Большого взрыва температура должна была упасть приблизительно до миллиарда градусов, что в сто раз выше температуры в недрах Солнца. При такой температуре нейтроны начинают распадаться, образуя больше протонов.

Если бы происходило только это, то всё вещество Вселенной в итоге оказалось бы состоящим из простого элемента – водорода, ядро которого содержит единственный протон. Однако некоторые нейтроны сталкивались с протонами, сливались и образовывали другой простейший элемент – гелий, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Но в молодой Вселенной не могли образовываться более тяжелые элементы, типа углерода и кислорода. Трудно представить, что какая-то живая структура может состоять только из водорода и гелия. В любом случае, молодая Вселенная все равно оставалась еще слишком горячей для того, чтобы атомы могли создавать молекулы.

Вселенная продолжала расширяться и остывать. Но в некоторых ее участках плотность оказывалась несколько выше, чем в других, и в них гравитационное притяжение дополнительной материи замедляло расширение вплоть до полного прекращения этого процесса. Коллапс вещества стал приводить к образованию звезд и галактик. Это началось примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва. Некоторые из первых звезд должны были быть массивнее нашего Солнца, температура их тоже была выше и способствовала превращению первоначальных гелия и водорода в более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и железо. Это могло происходить в течение нескольких сотен миллионов лет. В результате некоторые звезды взрывались, превращаясь в сверхновые, и рассеивали тяжелые элементы в космическом пространстве, что стало сырьем для новых поколений звезд.

Другие звезды слишком далеки от нас, и мы не в состоянии непосредственно увидеть, есть ли у них планетные системы. Однако есть два способа, позволяющих обнаружить наличие планет у звезд. Первый – следить за звездой и наблюдать, остается ли неизменным поток исходящего от нее света. Если планета оказывается между звездой и земным наблюдателем, то она слегка затмевает свет звезды. Если это происходит регулярно, значит, планета обращается на околозвездной орбите. Второй способ – точное измерение положения звезды. Если вокруг звезды обращается планета, она вызывает слабое колебание положения звезды. Если колебания происходят неоднократно и регулярно, можно сделать вывод, что у звезды есть как минимум одна планета.

Эти способы впервые были применены около двадцати лет назад. К настоящему времени благодаря им у далеких звезд обнаружено несколько тысяч планет. По некоторым расчетам, в среднем каждая пятая звезда обладает планетой, похожей на Землю, которая находится от звезды на расстоянии, приемлемом для существования жизни в том виде, как мы ее знаем.

Наша Солнечная система образовалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, или чуть меньше 9 миллиардов лет после Большого взрыва, из газа, содержащего остатки ранних звезд. Земля сформировалась преимущественно из тяжелых элементов, в том числе из углерода и кислорода. Каким-то образом отдельные атомы смогли объединиться в виде молекул ДНК. Это та самая знаменитая двойная спираль, обнаруженная в 1950-е годы Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Две цепочки спирали связываются парой нуклеотидов. Известны четыре нуклеатида: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Аденин в одной цепочке всегда связывается с тимином в другой, а гуанин – с цитозином. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет уникальную комплементарную последовательность в другой. Две цепочки могут отдаляться, и каждая действует как образец для создания последующих цепочек. Молекулы ДНК способны воспроизводить генетическую информацию, закодированную в последовательности нуклеотидов. Части последовательности могут использоваться для производства протеинов и других химических соединений, которые способны нести инструкции, закодированные в последовательности, и собирать сырье для ДНК для самовоспроизводства.

Как я уже говорил, мы не знаем, каким образом появились молекулы ДНК. Поскольку шансы возникновения молекул ДНК благодаря случайным комбинациям чрезвычайно малы, многие склонны предполагать, что жизнь на Земле появилась откуда-то извне, например, благодаря обломкам, оторвавшимся от Марса в тот период, когда планеты находились еще в нестабильном состоянии, или что в Галактике летают семена жизни. Впрочем, маловероятно, что ДНК способна выжить, долгое время подвергаясь космической радиации.

Если зарождение жизни на конкретной планете очень и очень маловероятно, но все же возможно, то для этого потребуется весьма длительное время. И еще должно хватить времени на последующую эволюцию таких разумных существ, как мы с вами, прежде чем Солнце распухнет и поглотит Землю. Временно́е окно, в которое это может произойти, определяется продолжительностью жизни Солнца, а она составляет около 10 миллиардов лет. За это время разумная форма жизни должна потенциально освоить космические путешествия, чтобы иметь возможность перебраться к другой звезде. Но если побег окажется невозможным, жизнь на Земле будет обречена.

Ископаемые останки свидетельствуют, что некоторые формы жизни появились на Земле примерно 3,5 миллиарда лет назад. Это произошло спустя всего 500 миллионов лет после того, как Земля стала стабильной и достаточно остыла, чтобы на ней могла формироваться жизнь. Но у Вселенной на формирование жизни было примерно 7 миллиардов лет, следовало предусмотреть достаточный запас времени на то, чтобы появились такие существа, как мы, способные задаться вопросом о происхождении жизни. Если вероятность образования жизни на конкретной планете чрезвычайно мала, почему это произошло на Земле примерно в 1/14 от доступного временно́го окна? Раннее возникновение жизни на Земле предполагает, что существуют высокие шансы спонтанного зарождения жизни в подходящих условиях. Возможно, сначала были более простые формы организации, из которых образовалась ДНК. Появившаяся ДНК оказалась настолько успешной, что могла полностью вытеснить ранее существовавшие формы. Мы не знаем, каковы были эти формы, но одним из вариантов представляется РНК.

РНК похожа на ДНК, только гораздо проще и без двойной спиральной структуры. Короткие отрезки РНК могут самовоспроизводиться, как ДНК, и постепенно складываться в ДНК. Мы не в состоянии создать нуклеотиды, не говоря уж о РНК, в лабораторных условиях из неживого материала[22]. Но на протяжении 500 миллионов лет, когда океаны покрывали почти всю поверхность планеты, не исключена возможность того, что РНК возникла случайно.

По мере самовоспроизводства ДНК не исключена вероятность случайных ошибок, многие из которых оказывались вредными и вели к гибели видов. Некоторые оказывались нейтральными и никак не влияли на функционирование генов. А отдельные ошибки оказывались благотворными для выживания видов – и попадали в ряд дарвиновского естественного отбора.

Поначалу процесс биологической эволюции шел очень медленно. Потребовалось 2,5 миллиарда лет для того, чтобы первые клетки эволюционировали до многоклеточных организмов. За последующий миллиард лет некоторые из них развились до рыб, а некоторые рыбы, в свою очередь, превратились в млекопитающих. С тех пор скорость эволюции неизменно возрастала. На эволюцию первых млекопитающих до нас ушло всего 100 миллионов лет. Дело в том, что первые млекопитающие уже имели свои версии жизненно важных органов, которыми обладаем мы. Следовательно, для эволюции ранних млекопитающих до человека потребовалась лишь тонкая настройка.

Но эволюция человеческой расы вышла на критическую стадию, сопоставимую по значимости с развитием ДНК. Речь идет о формировании речи, в особенности – письменной речи. После этого передача информации от поколения к поколению стала возможна не только генетически, через ДНК, но и иным способом. За 10 000 лет письменной истории можно выявить несколько различимых изменений в человеческой ДНК, обусловленных биологической эволюцией. Но объем знаний, передаваемых от поколения к поколению, вырос несоизмеримо. Я пишу книги, чтобы рассказать вам, что я узнал о Вселенной за свою долгую карьеру ученого, и, занимаясь этим, переношу знания из своего мозга на бумагу, чтобы вы могли прочитать их.

ДНК в человеческой яйцеклетке или сперматозоиде содержит примерно 3 миллиарда пар нуклеотидов. Однако бо́льшая часть информации, закодированной в этих последовательностях, кажется излишней или неактивной. Можно сказать, общий объем полезной информации в наших генах составляет приблизительно 100 миллионов бит. Один бит информации – это ответ «да/нет». А роман в бумажной обложке может содержать до 2 миллионов бит информации. Таким образом, человек представляет собой эквивалент 50 томам «Гарри Поттера». Фонд крупной национальной библиотеки составляет примерно 5 миллионов томов – или 10 триллионов бит. Объем информации, передаваемой книгами или через интернет, в 100 000 раз превышает объем информации, заложенной в ДНК.

Еще важнее то, что информацию, заложенную в книгах, можно изменять и обновлять гораздо быстрее. Наша эволюция от первых человекообразных обезьян заняла несколько миллионов лет. За это время полезная информация, содержащаяся в ДНК, изменилась, скорее всего, на несколько миллионов бит. То есть скорость биологической эволюции человека составила один бит в год. Для сравнения: каждый год только на английском языке публикуется примерно 50 000 книг, содержащих в целом около 100 миллиардов бит информации. Разумеется, подавляющая часть этой информации – мусор и не имеет никакой пользы для любой формы жизни. Но даже при этом скорость добавления полезной информации в миллионы, если не в миллиарды раз больше, чем в ДНК.

Это означает, что мы вступили в новую эволюционную фазу. Сначала эволюция происходила благодаря естественному отбору, в результате случайных мутаций. Эта дарвиновская фаза длилась примерно 3,5 миллиарда лет, в результате чего появились мы, существа, сформировавшие язык для обмена информацией. Но последние 10 000 лет мы находимся в так называемой фазе внешней передачи данных. За этот период внутренняя регистрация информации, передаваемой последовательными поколениями ДНК, отчасти изменилась, но внешняя регистрация – в книгах и других долгосрочных формах хранения – претерпела грандиозные изменения.

Некоторые пользуются термином «эволюция» только применительно к внутренне передаваемому генетическому материалу и возражают против его применения к информации, передаваемой внешними способами. На мой взгляд, это слишком узкая точка зрения. Мы больше, чем только наши гены. Мы можем быть не сильнее или, в основе, не намного разумнее наших пещерных предков. Но кардинально нас отличает от них сумма знаний, которые мы накопили за последние 10 000 лет, а в особенности за последние три столетия. Думаю, вполне законно принять более широкую точку зрения и включить внешне передаваемую информацию наряду с ДНК в эволюцию человеческой расы. Временна́я шкала эволюции в период внешней передачи информации – это временна́я шкала накопления информации. Некогда она составляла сотни, даже тысячи лет. Сейчас она сократилась до пятидесяти лет, а может, и того меньше. С другой стороны, мозг, который обрабатывает эту информацию, эволюционирует только в дарвиновской шкале времени, а ее диапазон – сотни тысяч лет. И это начинает создавать проблемы.

ЕСЛИ РАЗУМНАЯ ЖИЗНЬ СУЩЕСТВУЕТ ГДЕ-ТО ПОМИМО ЗЕМЛИ, ДОЛЖНА ОНА БЫТЬ ПОХОЖА НА ПРИВЫЧНЫЕ НАМ ФОРМЫ ИЛИ МОЖЕТ ВЫГЛЯДЕТЬ ПО-ДРУГОМУ?

А есть ли разумная жизнь на Земле? Говоря серьезно, если где-то и существует разумная жизнь, то, видимо, очень далеко от нас, иначе она уже проявила бы себя на Земле. Думаю, мы узнали бы о визите; он мог бы выглядеть как в фильме «День независимости».

В XVIII веке, по некоторым сведениям, жил человек, который прочитал все написанные книги. Но в наши дни, если читать по одной книге в день, вам потребуются сотни тысяч лет, чтобы прочитать все книги из Национальной библиотеки. А будет написано и опубликовано еще большее количество книг.

Это означает, что ни один человек не может считать себя специалистом более чем в одной узкой области человеческих знаний. Сейчас приходится специализироваться во все более узких областях. Вероятно, это станет серьезной проблемой в будущем. Мы, безусловно, не сможем долго продолжать семимильными шагами наращивать знания, как это происходило в последние триста лет. Еще бо́льшим ограничением и опасностью для грядущих поколений является то, что в нас сохраняются инстинкты, и в особенности агрессивные, характерные для пещерного человека. Агрессия в форме порабощения или убийства, захвата людей и по сей день дает определенные преимущества в борьбе за выживание. Но теперь она способна уничтожить все человечество и большинство всей остальной жизни на Земле. До сих пор самая непосредственная опасность – ядерная война, но есть и другие, например распространение генетически модифицированного вируса. Или нестабильное влияние парникового эффекта.

У нас нет времени ждать, пока дарвиновская эволюция сделает нас разумнее и добропорядочнее. Но мы вступаем в новую фазу, которую можно назвать искусственной эволюцией, в ходе которой будем в состоянии изменять и совершенствовать наши ДНК. У нас уже есть карта ДНК. Это означает, что мы способны читать «книгу жизни» и, следовательно, вносить в нее поправки. Сначала эти изменения будут касаться исправления генетических дефектов – типа фиброзно-кистозной дегенерации и мышечной дистрофии, которые контролируются отдельными генами, поэтому их легко идентифицировать и исправить. Другие качества, например умственные способности, скорее всего, контролируются бо́льшим количеством генов, и найти их и обнаружить взаимосвязи будет гораздо труднее. Тем не менее я уверен, что в течение этого столетия люди поймут, как видоизменять и умственные способности, и даже такие инстинкты, как агрессия.

Вероятно, будут приниматься законы против применения генной инженерии на человеке. Но всегда найдутся люди, которые не смогут устоять перед искушением улучшить человеческие характеристики, такие как, например, объем памяти, сопротивляемость заболеваниям и продолжительность жизни. Как только появятся такие сверхчеловеческие существа, возникнут серьезные проблемы политического свойства, связанные с неусовершенствованными людьми. Предположительно, они либо вымрут, либо не будут иметь никакого значения. Вместо них появится раса самоконтролируемых существ, совершенствующих себя со все возрастающей скоростью.

Если человеческая раса сумеет переконструировать себя, сократить или ликвидировать риск самоуничтожения, вероятно, она сможет распространиться и колонизировать другие планеты и звезды. Однако дальние космические перелеты будут представлять значительную сложность для жизненных форм, основанных на химических процессах (основанных на ДНК, то есть таких, как мы). Естественная продолжительность жизни таких существ значительно короче времени путешествий. Согласно теории относительности, ничто не может перемещаться быстрее света, поэтому полет до ближайшей звезды и обратно потребует как минимум восьми лет, а в центр Галактики – около пятидесяти тысяч лет. В научной фантастике эти проблемы решаются за счет искривления пространства или путешествия через дополнительные измерения. Но я не думаю, что это когда-либо станет реальностью, как бы ни усовершенствовались наши интеллектуальные способности. Согласно теории относительности, если возможно перемещение быстрее света, то возможно и путешествие во времени, а это создаст проблемы с людьми, возвращающимися в прошлое и пытающимися его изменить. В таком случае уже сейчас можно ожидать появления большого количества любопытных туристов из будущего, жаждущих поглазеть на нашу причудливую старомодную жизнь.

В принципе, генная инженерия может продлить существование жизненных форм, основанных на ДНК, на неопределенно долгое время, по крайней мере на 100 000 лет. Но гораздо проще и уже почти в наших современных возможностях отправить в космос механизмы. Можно спроектировать срок их действия на время, достаточное для межзвездных путешествий. Прибывая к новой звезде, они смогут совершить посадку на подходящей планете и добыть минералы, необходимые для создания новых механизмов, которые могут быть отправлены к еще более далеким звездам. Эти механизмы могут стать новой формой жизни, только основанной не на макромолекулах, а на механических и электронных компонентах. Со временем они могут заменить жизнь, основанную на ДНК, – так же как ДНК, возможно, заменила более ранние формы жизни.

* * *

Каковы шансы на то, что в процессе исследования Галактики мы можем столкнуться с инопланетной формой жизни? Если аргумент насчет временно́й шкалы для возникновения жизни на Земле корректен, то должно быть довольно много звезд, на планетах которых есть жизнь. Отдельные из этих звездных систем сформировались за миллиарды лет до образования Земли – так почему бы галактике не кишеть самоконтролируемыми механическими или биологическими формами жизни? Почему Землю никто не колонизирует и даже не посещает? Кстати сказать, я отрицательно отношусь к предположениям о том, что в НЛО находятся инопланетные существа. Думаю, любой визит инопланетян должен был бы стать более очевидным и, вероятно, заодно и весьма малоприятным.

Так почему нас никто не посещает? Не исключено, что вероятность спонтанного зарождения жизни настолько мала, что Земля оказалась единственной планетой в Галактике – или в наблюдаемой Вселенной, – на которой это оказалось возможно. Есть иной вариант: существует реальная вероятность формирования самовоспроизводящихся систем типа клеток, но большинство таких форм жизни не эволюционировало до уровня разумных существ. Мы привыкли считать разумную жизнь неизбежным следствием эволюции, но так ли это? Антропный принцип напоминает, что следует с осторожностью относиться к подобным утверждениям. Более вероятно, что эволюция – это хаотический процесс и что формирование разума – лишь один из множества возможных результатов.

Даже совсем не обязательно, что разум каким-то образом полезен для выживаемости в долгосрочной перспективе. Бактерии и другие одноклеточные организмы могут остаться, даже если в результате человеческой деятельности вся остальная жизнь на Земле окажется уничтожена. Возможно, разум был неперспективным направлением для формирования жизни на Земле, поскольку потребовалось очень много времени – 2,5 миллиарда лет, – чтобы пройти путь от отдельных клеток до многоклеточных организмов, необходимых предшественников разумной жизни. Это довольно большой отрезок доступного времени до момента гибели Солнца, что вполне согласуется с гипотезой о том, что вероятность формирования разума у жизненных форм чрезвычайно мала. В таком случае мы можем обнаружить в Галактике множество других форм жизни, но маловероятно, что найдем разумных существ.

Жизнь может не проэволюционировать до разумных форм и по другой причине: например, планета столкнется с астероидом или кометой. В 1994 году мы наблюдали столкновение кометы Шумейкеров – Леви с Юпитером. В результате возникло несколько гигантских огненных вспышек. Считается, что столкновение относительно более мелкого тела с Землей, произошедшее 66 миллионов лет назад, привело к исчезновению динозавров. Несколько видов мелких ранних млекопитающих выжили, но все живое размером с человека и крупнее почти наверняка было уничтожено. Трудно сказать, как часто происходят такие столкновения, но с определенной долей вероятности можно утверждать, что их периодичность составляет приблизительно 20 миллионов лет. Если так, то это означает, что разумная жизнь на Земле сформировалась лишь благодаря той счастливой случайности, что в последние 66 миллионов лет ничего подобного не происходило. Другие планеты в Галактике, на которых формировалась жизнь, могли не иметь столь длительного периода существования без глобальных потрясений, достаточного для эволюции разумных существ.

Третий вариант состоит в том, что существует немалая вероятность для жизни сформироваться и развиться до разумных существ, но затем система становится нестабильной, и разумная жизнь уничтожает себя. Это очень пессимистический вариант, и я надеюсь, что он исключен.

Я предпочитаю четвертый: в космосе существуют другие формы разумной жизни, но мы их не замечаем.

В 2015 году меня пригласили на ланч в связи с проектами Breakthrough Listen Initiatives,[14] целью которых является поиск разумной внеземной жизни. В рамках проекта Breakthrough Listen проводятся наблюдения за звездным небом на двух радиотелескопах. Используется самое совершенное оборудование, проект имеет очень щедрое финансирование и обеспечен тысячами часов рабочего времени телескопов. В настоящее время это крупнейшая в мире научная программа, направленная на поиск свидетельств существования внеземных цивилизаций. Проект Breakthrough Message[15] – это международный конкурс по созданию посланий, которые могут быть прочтены развитой цивилизацией. Но пока мы сами не продвинулись несколько дальше, надо с осторожностью относиться к возможным ответам. На нашей нынешней стадии встреча с более развитой цивилизацией может оказаться похожей на встречу американских аборигенов с Колумбом, и я сомневаюсь, что аборигены были от этой встречи очень счастливы.

4

Можно ли предсказать будущее?

В древние времена мир, наверное, казался очень капризным. Наводнения, эпидемии, землетрясения, извержения вулканов происходили без предупреждения и без видимых причин. Примитивные общества относили природные явления к делу рук пантеона богов и богинь, поведение которых отличалось раздражительностью и эксцентричностью. Совершенно невозможно было предсказать, что у них на уме, и оставалось только надеяться заслужить их благосклонность дарами или поступками. Многие до сих пор отчасти придерживаются таких верований и пытаются договариваться с фортуной. Они обещают вести себя лучше или стать добрее, если сдадут сессию на отлично или пройдут экзамен на получение водительских прав.

Однако постепенно люди научились обращать внимание на некоторые закономерности в поведении природы. Эти закономерности были наиболее очевидны в наблюдениях за движением небесных тел. Так что астрономию можно считать первой и древнейшей наукой. Более трехсот лет назад Ньютон подвел под нее строгий математический базис. С тех пор мы пользуемся его теорией гравитации для предсказания движения почти всех небесных тел. Затем выяснилось, что и другие природные явления тоже подчиняются определенным научным законам. Это привело к появлению идеи научного детерминизма, которую, судя по всему, впервые публично озвучил французский ученый Пьер-Симон Лаплас. Мне бы хотелось процитировать его высказывания по этому поводу, но Лаплас сходен с Прустом в умении писать предложения бесконечной длины и сложности. Поэтому я лучше перефразирую его мысль. В принципе, он сказал, что если в конкретный момент мы знаем положение и скорость всех частиц во Вселенной, то можно вычислить их поведение в любой момент прошлого и будущего. Известна история, скорее всего апокрифичная, о том, что Наполеон спросил у Лапласа, как в его систему вписывается Бог. Лаплас ответил: «Сир, я не нуждаюсь в этой гипотезе». Не думаю, что этой фразой Лаплас хотел сказать, что Бога нет. Все проще: Бог не вмешивается и не нарушает законы природы. Это позиция любого серьезного ученого. Научный закон – не закон, если он соблюдается лишь в тех случаях, когда некая сверхъестественная сила предпочитает не реагировать и пустить все на самотек.

Идея о том, что состояние Вселенной в конкретный момент определяет состояние во все иные моменты, со времен Лапласа была главной научной доктриной. Она утверждает, что мы можем предсказать будущее, по крайней мере, в принципе. Впрочем, на практике наша способность предсказывать будущее строго лимитирована сложностью уравнений и тем фактом, что они часто обладают качеством под названием «хаос». Как известно всем, кто смотрел «Парк Юрского периода», это означает, что мелкое нарушение в одном месте может привести к глобальным изменениям в другом. От взмахов крыльев бабочки в Австралии может пролиться дождь в Центральном парке Нью-Йорка. Проблема в том, что это не повторяется. В следующий раз взмахи крыльев бабочки могут стать причиной явлений другого характера, которые тоже окажут свое влияние на погоду. Этот фактор хаоса и делает метеопрогнозы такими ненадежными.

Несмотря на практические сложности, научный детерминизм оставался официальной догмой на протяжении всего XIX столетия. И только в ХХ веке были сделаны два открытия, которые показали, что идея Лапласа о полноценном предсказании будущего не может быть реализована. Первое связано с квантовой механикой. В 1900 году немецкий физик Макс Планк, размышляя над поразительным парадоксом, выдвинул удивительную гипотезу. Согласно классическим идеям, восходящим к Лапласу, любое горячее тело, например раскаленный до красноты металлический брусок, должно испускать излучение. Оно должно терять энергию в радиодиапазоне, в диапазоне инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света, рентгеновского и гамма-излучения – всюду в равной степени. Это означает не только то, что мы все давно должны были умереть от рака кожи, но и то, что всё во Вселенной должно быть одинаковой температуры, а это очевидно не так.

Планк показал, что катастрофы можно избежать, если отказаться от идеи о том, что количество излучения может иметь любое значение. Он заявил, что излучение распространяется исключительно пакетами, или квантами определенного размера. Это все равно что сказать: нельзя приобрести в супермаркете сахар на развес, он должен быть расфасован в килограммовые пакеты. Энергия в пакетах, или квантах ультрафиолетового или рентгеновского излучения, выше, чем в квантах инфракрасного или видимого спектра света. А это означает, что если тело не такое раскаленное, как, например, Солнце, то ему не хватит энергии испустить даже единый квант ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Поэтому мы не получаем солнечные ожоги от чашки кофе.

Планк рассматривал идею квантов как математический трюк, не имеющий отношения к физической реальности, что бы это ни значило. Однако физики стали обнаруживать и другие явления, объяснить которые можно было только в количественных терминах, имеющих не бесконечно разнообразные, а дискретные, или квантованные, значения. Например, выяснилось, что элементарные частицы ведут себя как маленькие волчки, вращающиеся вокруг своей оси. Но количество вращения не может быть любым, оно должно быть каким-то целым количеством базовых единиц. Поскольку эта единица очень мала, невозможно заметить, что замедление вращения нормального волчка – это не гладкий процесс, а быстрая последовательность дискретных шагов. Для волчков размером с атом дискретный характер вращения имеет большое значение.

Прошло некоторое время, пока обратили внимание на значение этого квантового поведения для детерминизма. Только в 1927 году другой немецкий физик, Вернер Гейзенберг, указал, что невозможно одновременно точно определить положение и скорость частицы. Чтобы увидеть, где частица находится, на нее надо направить луч света. Но, согласно теории Планка, нельзя использовать произвольно малое количество света. Необходимо использовать как минимум один квант. Он окажет влияние на частицу и изменит ее скорость непредсказуемым образом. Для точного определения положения частицы нужен свет с короткой длиной волны – например, ультрафиолет, рентгеновские или гамма-лучи. Но опять, согласно Планку, кванты этих форм света обладают большей энергией, чем кванты света видимого спектра. Поэтому они сильнее будут влиять на скорость частицы. Возникает патовая ситуация: чем точнее ты пытаешься определить положение частицы, тем с меньшей точностью можешь узнать ее скорость и наоборот. Это и отражено в сформулированном Гейзенбергом принципе неопределенности: неопределенность положения частицы, умноженная на неопределенность ее скорости, всегда больше, чем величина постоянной Планка, поделенная на удвоенную массу частицы.

Научный детерминизм Лапласа подразумевает точное определение положения и скорости частиц во Вселенной в любой конкретный момент времени. Принцип неопределенности Гейзенберга сильно подрывает эту теорию. Как можно предсказывать будущее, если невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частиц даже в настоящее время? Каким бы мощным ни был ваш компьютер, если вы заложите в него некачественные данные, вы получите некачественные предсказания.

Эйнштейну крайне не нравилась эта неопределенность в природе. Свое отношение к этому он выразил в знаменитой фразе: «Бог не играет в кости». Похоже, ему казалось, что неопределенность эта условная и что существует фундаментальная реальность, в которой частицы обладают четко определенным положением и скоростью согласно детерминистским законам в духе Лапласа. Эта реальность может быть известна Богу, но квантовая природа света не дает нам возможности увидеть ее, кроме как сквозь мутное стекло.

Позиция Эйнштейна соответствует тому, что позже получило название «теории скрытых параметров».

Теории скрытых параметров кажутся наиболее очевидным способом примирить принцип неопределенности с физикой как наукой. Они образуют основу мысленной картины Вселенной, которой придерживаются многие ученые и почти все философы науки. Но они ошибочны. Британский физик Джон Белл доказал, что можно провести эксперимент, подтверждающий ложность теорий скрытых параметров. Если эксперимент проводить достаточно тщательно, результаты окажутся несовместимы со скрытыми параметрами. Таким образом, получается, что даже Бог подчиняется принципу неопределенности и не может знать одновременно положение и скорость частицы. Все свидетельствует о том, что Бог – закоренелый игрок, бросающий кости при каждом удобном случае.

Другие ученые оказались более, чем Эйнштейн, готовы модифицировать взгляды XIX века на детерминизм. Вернер Гейзенберг, австриец Эрвин Шрёдингер и британский физик Поль Дирак выдвинули теорию квантовой механики. Дирак был одним из моих предшественников на должности Лукасовского профессора в Кембридже. Квантовая механика существует уже более семидесяти лет, но до сих пор не получила широкого понимания и поддержки – даже у тех, кто пользуется ею для своих расчетов. Однако она имеет отношение ко всем нам, поскольку принципиально отличается от классической картины физической Вселенной и самой реальности. В квантовой механике частицы не обладают четко определенными положением и скоростью. Они представлены в виде так называемой волновой функции. Это – число в каждой точке пространства. Значение волновой функции указывает на вероятность нахождения частицы в конкретном месте. Интенсивность, с которой значение волновой функции варьируется от точки к точке, дает скорость частицы. Есть ситуация, при которой волновая функция имеет четко выраженные пики в небольшой области. Это будет означать, что неопределенность положения мала. Но волновая функция очень быстро варьируется близ пика – идя вверх с одной стороны и вниз – с другой. В таком случае будет очень велика неопределенность скорости. Аналогичным образом, могут быть волновые функции, при которых неопределенность скорости мала, а неопределенность положения – велика.

Волновая функция содержит все, что можно знать о частицах в плане их положения и скорости. Если известна волновая функция в конкретный момент времени, тогда ее значения в другие моменты времени определяются с помощью уравнения Шрёдингера. Оно обладает известной степенью детерминизма, но это не тот детерминизм, который представлял себе Лаплас. Мы не можем предсказать положение и скорость частиц; мы можем предсказать только волновую функцию. Это означает, что мы в состоянии предсказать лишь половину того, что могли бы в соответствии с классическими представлениями XIX века.

Когда мы пытаемся предсказать и положение и скорость, квантовая механика ведет к неопределенности; но она с высокой долей определенности позволяет предсказать комбинацию положения и скорости. Однако новейшие исследования ставят под сомнение и эту степень определенности. Проблема возникает потому, что гравитация может искривлять пространство-время до такой степени, что мы просто не в состоянии наблюдать некоторые области пространства.

ПОЗВОЛЯЮТ ЛИ НАМ ЗАКОНЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ ВСЕЛЕННОЙ, ТОЧНО ПРЕДСКАЗАТЬ, ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ С НАМИ В БУДУЩЕМ?

Короткий ответ – и да, и нет. В принципе, законы позволяют нам предсказывать будущее. Но на практике расчеты зачастую слишком сложны.

К таким областям относятся внутренности черных дыр. Это означает, что мы не в состоянии – даже в принципе – наблюдать частицы внутри черной дыры. То есть мы вообще не можем измерить их положение или скорость. В связи с этим возникает вопрос: не появляется ли еще новая непредсказуемость помимо той, которую показывает квантовая механика.

Подводя итог, можно сказать так. Классическая теория, выдвинутая Лапласом, говорит о том, что если известны положение и скорость частиц в конкретный момент времени, то последующие их движения четко предопределены. Эта идея получила новое толкование после того, как Гейзенберг предложил принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно указать положение и скорость частицы. Тем не менее остается возможность предсказать комбинацию положения и скорости. Не исключено, что и эта ограниченная предсказуемость исчезнет, если принимать во внимание черные дыры.

5

Что внутри черных дыр?

Говорят, что факты порой причудливей вымысла, и нигде это не оправдывается в большей степени, чем в черных дырах. Черные дыры необычнее всех выдумок писателей-фантастов, и при этом их существование – доказанный научный факт.

Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Его идея заключалась в следующем. Если выстрелить частицу, например пушечное ядро, вертикально вверх, сила гравитации будет замедлять ее движение. Постепенно частица перестанет двигаться вверх и начнет падать обратно. Однако если первоначальная вертикальная скорость будет выше определенного критического значения, так называемой скорости убегания, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить частицу, и она улетит. Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду, а для Солнца – примерно 617 километров в секунду. И та и другая значительно выше скорости реального пушечного ядра. Но они невысоки по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 километров в секунду. Таким образом, свет без особого труда может покинуть и Землю, и Солнце. Однако Мичелл отметил, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость убегания будет превышать скорость света. Мы не в состоянии их увидеть, потому что свет, испускаемый ими, притягивается обратно благодаря силе гравитации. Мичелл назвал их «темными звездами». Сейчас мы называем их черными дырами.

Чтобы понять их, нужно начать с гравитации. Гравитация описана в общей теории относительности Эйнштейна, которая также является теорией пространства и времени. Поведение пространства и времени определяется рядом уравнений, которые Эйнштейн вывел в 1915 году. С тех пор они так и называются – уравнения Эйнштейна. Хотя гравитация считается самой слабой из известных сил природы, у нее есть два существенных преимущества перед ними. Во-первых, она действует на большом расстоянии. Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, до которого 150 миллионов километров. Солнце вращается по орбите вокруг центра Галактики, до которого примерно 25 000 световых лет. Второе преимущество заключается в том, что гравитация всегда положительная, в отличие от электрических сил, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Эти две характеристики означают, что у достаточно крупной звезды гравитационное притяжение между частицами доминирует над всеми остальными силами и приводит к гравитационному коллапсу. Несмотря на эти факты, научное сообщество долго шло к пониманию, что массивные звезды под воздействием собственной гравитации могут обрушиваться внутрь себя, и не могло представить, как будут вести себя возникшие в результате объекты. Альберт Эйнштейн в 1939 году даже опубликовал статью, в которой утверждал, что гравитация не может привести к коллапсу звезды, потому что материя не может сжиматься плотнее определенных величин. Многие ученые соглашались с интуитивной догадкой Эйнштейна. Главным исключением стал американский ученый Джон Уилер, которого во многом можно считать главным героем истории о черных дырах. В работах 1950–1960-х годов он доказывал, что многие звезды должны со временем переживать коллапс, и исследовал проблемы, которые в связи с этим могут возникнуть для теоретической физики. Он также предсказал многие свойства объектов, в которые превращаются звезды после гравитационного коллапса, то есть черных дыр.

На протяжении основной части жизни обычной звезды, длящейся много миллиардов лет, она противостоит собственной гравитации за счет теплового давления, создаваемого термоядерным процессом, в ходе которого водород превращается в гелий. Но постепенно ядерное топливо звезды заканчивается. Звезда начинает сжиматься. В некоторых случаях она может сохраниться как белый карлик – плотные остатки звездного ядра. Однако в 1930 году Субраманьян Чандрасекар доказал, что максимальная масса звезды – белого карлика не может более чем в 1,4 раза превышать массу Солнца. Аналогичную предельную массу рассчитал советский физик Лев Ландау для нейтронной звезды.

Как же складывается судьба бесконечного количества звезд с массой, превышающей предельную массу белого карлика или нейтронной звезды, у которых заканчивается ядерное горючее? Проблему изучал Роберт Оппенгеймер, которого часто называют «отцом атомной бомбы». В паре статей 1939 года, написанных в соавторстве со своими учениками Джорджем Волковым и Хартлендом Снайдером, Оппенгеймер показал, что такие звезды не в состоянии сохранять необходимое давление. А при отсутствии давления однородная сферически-симметричная звезда должна сжаться до точки, обладающей бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью. Все наши теории пространства опираются на предположение, что пространство-время ровное и практически плоское, поэтому в точке сингулярности, где искривление становится бесконечным, оно прерывается. То есть сингулярность – это конец пространства и времени.

Это вызывало сильные возражения у Эйнштейна.

Затем вмешалась Вторая мировая война. Большинство ученых, включая Роберта Оппенгеймера, переключили внимание на ядерную физику, и тема гравитационного коллапса оказалась практически заброшена. Интерес к предмету возродился с открытием удаленных объектов, которые назвали квазарами. Первый квазар, получивший номер 3С 273, был обнаружен в 1963 году. Вскоре нашли много других. Они были очень яркими, несмотря на огромную удаленность от Земли. Такое излучение нельзя было объяснить ядерными процессами, поскольку на выделение энергии в них тратится лишь незначительная часть массы покоя. Единственной альтернативой могла считаться гравитационная энергия, испускаемая вследствие гравитационного коллапса.

Таким образом был вторично обнаружен гравитационный коллапс.

Когда подобное происходит, сила гравитации притягивает к объекту всю окружающую материю. Было понятно, что унифицированная сферическая звезда должна сжаться до точки бесконечной плотности, до сингулярности. А что может произойти, если звезда не однородная и не сферическая? Может ли неравномерное распределение звездного вещества стать причиной неоднородного коллапса, тем самым позволив избежать сингулярности? В замечательной статье 1965 года Роджер Пенроуз, опираясь исключительно на тот факт, что гравитация – сила притяжения, показал, что и в таком случае возникает сингулярность.

В сингулярности уравнения Эйнштейна перестают действовать. Это означает, что в точке бесконечной плотности невозможно предсказать будущее. Из этого следует, что при коллапсе звезды должно происходить нечто странное. На нас никак не может повлиять нарушение предсказуемости, если сингулярность не обнажена – то есть не защищена извне. Пенроуз выдвинул принцип космической цензуры: все сингулярности, образованные в результате коллапса звезд или иных объектов, скрыты от наблюдателя внутри черных дыр. Черная дыра – область, где гравитация настолько сильна, что свет не может ее покинуть. Принцип космической цензуры почти наверняка верен, поскольку множественные попытки опровергнуть его успехом не увенчались.

В 1967 году Джон Уилер предложил термин «черная дыра» вместо существовавшего раньше термина «застывшая звезда». Выражение Уилера подчеркивает, что остатки коллапсировавших звезд существуют сами по себе вне зависимости от того, как они формировались. Новый термин быстро прижился.

Извне невозможно понять, что происходит внутри черной дыры. Что бы в нее ни попадало, каким бы образом она ни сформировалась, черная дыра выглядит одинаково. Джон Уилер выразился по этому поводу так: «У черных дыр нет волос».

Черная дыра имеет границу, которая называется горизонтом событий. В этой области сила гравитации достаточно сильна, чтобы удерживать свет и не дать ему покинуть черную дыру. А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, то и все остальное тоже постоянно затягивается назад и не может ее покинуть. Падение сквозь горизонт событий можно сравнить с катанием на каноэ у Ниагарского водопада. Если вы достаточно далеко от края, вы можете отплыть от него, если грести очень быстро. Но рядом с обрывом вам уже ничто не поможет. Течение ускоряется. Нос каноэ тянет вперед сильнее, чем корму. Есть опасность, что лодку унесет течением. То же самое с черными дырами. Если вы падаете в черную дыру ногами вперед, гравитация будет действовать сильнее на ноги, чем на голову, потому что ноги ближе к черной дыре. В результате вас будет растягивать в длину и сжимать по бокам. Если черная дыра обладает массой в несколько раз больше солнечной, вы будете разорваны и превращены в спагетти прежде, чем достигнете горизонта. Но если черная дыра обладает массой в миллион раз больше солнечной, то сила гравитации будет действовать равномерно на все тело и вы без проблем достигнете горизонта. Так что если соберетесь исследовать внутренности черной дыр, постарайтесь выбрать объект покрупнее. Например, в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца.

Падая в черную дыру, вы ничего не заметите. Стороннему наблюдателю ни за что не удастся увидеть, как ваше тело проходит сквозь горизонт событий. Падение будет замедляться, и тело зависнет снаружи. Только силуэт будет становиться все более размытым, обретать красный цвет, а потом просто исчезнет из виду. С точки зрения внешнего мира, вы исчезнете навсегда.

Вскоре после рождения моей дочери Люси меня посетило озарение. Я открыл теорему площади. Если общая теория относительности верна и плотность энергии материи положительна, как это обычно бывает, тогда площадь горизонта событий, или граница черной дыры, должна обладать свойством обязательно увеличиваться при попадании в черную дыру нового вещества или излучения. Более того, если две черные дыры столкнутся и сольются в одну, площадь горизонта событий новой дыры должна быть больше суммы площадей горизонтов событий двух исходных объектов. Теорему площади оказалось возможным экспериментально проверить в лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Четырнадцатого сентября 2015 года LIGO зафиксировала гравитационные волны от столкновения и слияния двух черных дыр. По форме гравитационной волны можно вычислить массу и момент импульса черных дыр, а теорема об «отсутствии волос» дает возможность вычислить площади горизонтов.

Эти характеристики предполагают, что существует сходство между площадью горизонта событий черной дыры и одним из терминов традиционной классической физики, а именно энтропией в термодинамике. Энтропию можно рассматривать как меру неопределенности (хаотичности) некой системы или, что эквивалентно, отсутствия знания о ее точном состоянии. Знаменитый второй закон термодинамики гласит, что энтропия нарастает со временем. Это открытие стало первым намеком на сущствующее сходство.

Аналогии между характеристиками черной дыры и законами термодинамики можно расширить. Первый закон термодинамики гласит, что небольшое изменение в энтропии системы сопровождается пропорциональным изменением в энергии системы. Нам с Брэндоном Картером и Джимом Бардином удалось обнаружить сходный закон, связывающий изменение массы черной дыры с изменением площади горизонта событий. Здесь коэффициент пропорциональности включает величину, которая называется поверхностной гравитацией, то есть мерой силы гравитационного поля на горизонте событий. Если допустить, что площадь горизонта событий является аналогом энтропии, тогда получится, что поверхностная гравитация – аналог температуры. Сходство усиливается тем, что поверхностная гравитация одинакова во всех точках горизонта событий, так же как температура во всех точках тела в состоянии теплового равновесия.

Но если сходство между энтропией и площадью горизонта событий очевидно, пока не ясно, как эта площадь может стать энтропией самой черной дыры. Вообще, что такое энтропия черной дыры? Важнейшее предположение высказал в 1972 году Яаков Бекенштейн, который в это время был докторантом в Принстонском университете. Выглядит оно так. Когда в результате гравитационного коллапса образуется черная дыра, она быстро переходит в стационарное состояние, определяемое тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом.

Таким образом, получается, что окончательное состояние черной дыры не зависит ни от вещества, из которого она образовалась (вещество или антивещество), ни от предыдущей формы (сферическая или крайне несимметричная). Иными словами, черная дыра, имеющая определенную массу, момент импульса и электрический заряд, может образоваться при коллапсе большого количества различных конфигураций вещества. Так что внешне одинаковые черные дыры могут образовываться при коллапсе различных типов звезд. Если пренебречь квантовым эффектом, количество таких конфигураций может быть бесконечным, поскольку черная дыра может возникнуть при коллапсе облака, состоящего из неопределенно большого количества частиц неопределенно малой массы. Но неужели количество конфигураций действительно бесконечно?

Квантовая механика отлично согласуется с принципом неопределенности. А он утверждает, что у любого объекта невозможно одновременно измерить положение и скорость. Если точно определить положение, останется неизвестной скорость. Если измерять скорость, не получится определить положение. На практике это означает, что ничего локализовать невозможно. Допустим, вам нужно определить размеры движущегося объекта. Для этого нужно установить, где находятся его границы. Но точно это сделать никак не получится, потому что для этого нужно одновременно определять и положение границ объекта, и его скорость. Следовательно, размеры объекта определить не удастся. Все, что вам остается, – заявить, что из-за принципа неопределенности невозможно точно установить реальные размеры чего бы то ни было. Оказывается, что принцип неопределенности устанавливает предел на размер объектов. После несложных вычислений оказывается, что для конкретной массы объекта существует минимальный размер. Минимальный размер меньше для тяжелых объектов. Чем легче объект, тем больше должен быть его минимальный размер. Этот минимальный размер можно считать следствием того факта, что в квантовой механике объекты могут быть представлены либо как волна, либо как частица. Чем легче объект, тем больше у него длина волны, поэтому он больше распространяется. Чем массивнее объект, тем меньше длина волны, поэтому он видится более компактным. Если эти идеи соединить с общей теорией относительности, окажется, что черные дыры могут образовывать только объекты массивнее определенного предела, который примерно равен массе крупицы соли. Другим следствием этих представлений является то, что количество конфигураций, которые могут формировать черную дыру с конкретными массой, моментом импульса и электрическим зарядом, пусть и очень большое, но все-таки конечное. Яаков Бекенштейн предположил, что исходя из этого конечного числа можно объяснить энтропию черной дыры. Это может быть мерой количества информации, которая оказалась безвозвратно утраченной в процессе коллапса, приведшего к образованию черной дыры.

Несомненно, фатальная ошибка в рассуждениях Бекенштейна заключается в следующем. Если черная дыра обладает конечной энтропией, которая пропорциональна площади горизонта событий, то она должна иметь температуру, отличную от нуля и пропорциональную поверхностной гравитации. Из этого следует, что черная дыра должна находиться в равновесии с тепловым излучением при некой температуре, отличной от нуля. Однако согласно классической концепции такое равновесие невозможно, поскольку черная дыра поглощает любое тепловое излучение, воздействующее на нее, но по определению не может ничего излучать в ответ. Она не излучает ничего, и не излучает тепло.

В этом заключается парадокс природы черных дыр – невероятно плотных объектов, возникающих в результате звездного коллапса. Согласно одной теории, черные дыры с идентичными качествами могут быть образованы из бесконечного количества различных типов звезд. Другая утверждает, что количество может быть конечным. Это проблема информации: считается, что каждая частица и каждая сила во Вселенной содержат информацию.

Поскольку у черных дыр «нет волос», как выразился Джон Уилер, сторонний наблюдатель не может увидеть, что происходит внутри черной дыры. Можно определить только ее массу, заряд и вращение. Это означает, что черная дыра должна хранить множество информации, скрытой от внешнего мира. Но существует предел объема информации, которую можно поместить в отдельной области пространства. Информации требуется энергия, а энергия обладает массой согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc^2. Соответственно, если в какой-то области пространства скапливается слишком много информации, она свалится в черную дыру, и размер этой дыры будет отражать количество информации. Это все равно что натаскивать все больше и больше книг в библиотеку. Постепенно полки прогнутся, и библиотека коллапсирует в черную дыру.

Если объем скрытой информации в черной дыре зависит от размера дыры, можно на основании общих принципов полагать, что у черной дыры есть температура и дыра должна светиться, как кусок раскаленного металла. Но невозможно, потому что ничто не может покинуть черную дыру. Или все думали, что не может.

Проблема оставалась нерешенной до начала 1974 года. Я в это время исследовал, как будет вести себя материя поблизости от черной дыры согласно законам квантовой механики. К моему великому изумлению, я выяснил, что черная дыра, судя по всему, все-таки с равномерной интенсивностью излучает частицы. Как все остальные в то время, я принимал как данность, что черная дыра не может ничего излучать. Поэтому я приложил немало усилий, чтобы разубедиться в этой дурацкой идее. Но чем больше я думал, тем упорнее она отказывалась исчезать, и в конце концов мне пришлось с ней смириться. Вот что окончательно убедило меня в том, что это реальный физический процесс: излучаемые частицы обладали четким тепловым спектром. Мои расчеты показывали, что черная дыра создает и испускает частицы и излучение, словно обычное раскаленное тело, при температуре, прямо пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Таким образом, спорная гипотеза Яакова Бекенштейна о том, что черная дыра обладает конечной энтропией, оказалась вполне убедительной, поскольку она предполагает, что черная дыра может находиться в тепловом равновесии при некой определенной температуре, отличной от нуля.

ЧЕМ ГРОЗИТ КОСМИЧЕСКОМУ ПУТЕШЕСТВЕННИКУ ПАДЕНИЕ В ЧЕРНУЮ ДЫРУ?

Большими неприятностями. Если это дыра звездной массы, он превратится в спагетти, даже не достигнув горизонта. Если это сверхмассивная черная дыра, он без проблем пройдет сквозь горизонт, но в сингулярности будет выдавлен из бытия.

С тех пор математические доказательства наличия теплового излучения у черной дыры были подтверждены многими учеными, применявшими различные научные подходы. Один способ понять излучение заключается в следующем. Квантовая механика предполагает, что все пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц, которые постоянно материализуются в пары, разделяются и вновь соединяются или уничтожают друг друга. Эти частицы называются виртуальными, потому что, в отличие от реальных, их невозможно непосредственно наблюдать с помощью детектора частиц. Тем не менее косвенное влияние можно измерить, и их существование подтверждается небольшими колебаниями, или Лэмбовским сдвигом,[16] которые они производят в спектре световой энергии, излучаемой возбужденными атомами водорода. При наличии черной дыры один член пары виртуальных частиц может упасть в дыру, оставив второго без партнера, с которым должна была произойти взаимная аннигиляция. Оставшаяся частица или античастица может упасть в черную дыру вслед за партнером, а может и улететь в бесконечность, где проявит себя как излучение, испускаемое черной дырой.

Другой способ посмотреть на этот процесс – представить члена пары частиц, который попадает в черную дыру – допустим, античастицу, – как реальную частицу, но перемещающуюся назад, в прошлое. В таком случае античастицу, попадающую в черную дыру, можно рассматривать как частицу, вылетающую из черной дыры, но перемещающуюся назад, в прошлое. Когда эта частица достигает точки, в которой первоначально материализовалась пара частица – античастица, ее размазывает гравитационное поле, и она перемещается вперед, в будущее.

Черная дыра с массой Солнца должна терять частицы в таком малом темпе, что их невозможно обнаружить. Однако возможно существование гораздо более мелких, миниатюрных черных дыр, массой, скажем, с гору. Они могли образоваться в очень молодой Вселенной, если бы она была хаотичной и несимметричной. Черная дыра с массой горы должна испускать рентгеновские и гамма-лучи с интенсивностью примерно в 10 миллионов мегаватт, чего хватило бы для обеспечения энергией нашей планеты. Впрочем, использовать такую миниатюрную черную дыру будет непростым делом. Ее нельзя поместить в электростанцию, потому что она проткнет пол и провалится в центр Земли. Если бы у нас была такая черная дыра, мы могли бы ей воспользоваться, только поместив ее на околоземную орбиту.

Поиски миниатюрных черных дыр такой массы ведутся, но пока ни к чему не привели. Жаль, потому что в случае удачи я получил бы Нобелевскую премию. Впрочем, другая возможность заключается в создании миниатюрных черных дыр в дополнительных измерениях пространства-времени. Согласно некоторым теориям, Вселенная, в которой мы находимся, всего лишь четырехмерная поверхность в десяти- или одиннадцатимерном пространстве. Фильм «Интерстеллар» (2014) дает некоторое представление о том, на что это похоже. Мы не можем видеть эти дополнительные измерения, потому что свет в них не распространяется: ему доступны только четыре измерения нашей Вселенной. А вот гравитация может оказывать влияние на дополнительные измерения, и сила ее там может оказаться гораздо больше, чем в нашей Вселенной.

Таким образом, в дополнительных измерениях создать черную дыру окажется гораздо проще. Это можно будет наблюдать на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Коллайдер представляет собой туннель – кольцо протяженностью 27 километров. Два потока частиц перемещаются в этом туннеле в противоположных направлениях и сталкиваются. В результате этих столкновений могут образоваться миниатюрные черные дыры. Они будут излучать частицы с характеристиками, которые легко будет распознать. Так что я, в конце концов, мог бы стать лауреатом Нобелевской премии. («Нобелевская премия не присуждается посмертно, поэтому, к сожалению, этой мечте не суждено сбыться».)

По мере того как частицы покидают черную дыру, она теряет массу и съеживается. Это увеличивает интенсивность испускания частиц. Постепенно черная дыра потеряет всю свою массу и исчезнет. А что тогда произойдет со всеми частицами и неудачливыми астронавтами, которые в нее упали? После исчезновения черной дыры они не могут восстановиться. Частицы, покидающие черную дыру, должны быть абсолютно хаотическими и не иметь никакого отношения к тому, что когда-то упало в дыру. Получается, что информация о том, что оказалось в черной дыре, помимо общего объема массы и вращения, теряется навсегда. Но если информация исчезает, это вызывает серьезную проблему, которая затрагивает сами основы наших представлений о науке. На протяжении более 200 лет мы верили в научный детерминизм, то есть в то, что научные законы определяют эволюцию Вселенной.

Если информация в черных дырах действительно пропадает, мы не сможем предсказывать будущее, поскольку черная дыра может испускать любой набор частиц. Она может испустить работающий телевизор или том сочинений Шекспира в кожаном переплете, хотя шансы на такие экзотические явления чрезвычайно малы. Более вероятно, что она будет испускать тепловое излучение, подобное свечению раскаленного докрасна куска металла. Может показаться, что наша неспособность предсказать, что будет излучать черная дыра, не имеет большого значения. Рядом с нами нет черных дыр. Но это вопрос принципа. Если детерминизм, предсказуемость Вселенной, перестает действовать в черных дырах, то он может перестать действовать и в других ситуациях. Могут существовать черные дыры, которые возникают как флуктуации из вакуума, поглощают один набор частиц, испускают другие и растворяются в вакууме снова. Хуже того, если не работает детерминизм, мы не можем быть уверены и в нашей прошлой истории. Исторические труды и наши воспоминания могут оказаться иллюзиями. Прошлое объясняет нам, кто мы такие. Без него мы утратим свою идентичность.

Очень важно четко определить, действительно ли в черных дырах вся информация пропадает бесследно или в принципе ее можно восстановить. Многие ученые полагают, что информация не должна исчезать, но на протяжении многих лет еще никто не предложил механизма, с помощью которого ее можно сохранить. Эта очевидная утрата информации, известная как информационный парадокс, беспокоит ученых последние сорок лет и до сих пор остается одной из важнейших нерешенных проблем теоретической физики.

Недавно интерес к возможности разрешения информационного парадокса возродился благодаря новым открытиям в области объединения гравитации и квантовой механики. Центральным для этого научного прорыва является понимание симметричности пространства-времени.

Предположим, гравитации не существует, а пространство-время абсолютно плоское. Это можно сравнить с совершенно безжизненной пустыней. Такое место обладает двумя типами симметрии. Первый называется трансляционной симметрией. Если перемещаться в такой пустыне от одной точки к другой, то вы не заметите никаких изменений. Второй тип – вращательная симметрия. Если встать в какой-то точке пустыни и начать поворачиваться, вы тоже не заметите никаких различий в том, что открывается перед глазами. Такие симметрии также встречаются в «плоском» пространстве-времени, в пространстве-времени, которое существует при отсутствии материи.

Но если что-то поместить в эту пустыню, симметрия будет нарушена. Допустим, в пустыне появились гора, оазис и несколько кактусов: в таком случае в разных точках и различных направлениях она будет выглядеть иначе. Это справедливо и в отношении пространства-времени. Если в пространстве-времени размещены объекты, то и трансляционная, и вращательная симметрии будут нарушены. Введение объектов в пространство-время и создает гравитацию. Черная дыра – это область пространства-времени с сильной гравитацией; пространство-время в ней сильно искажено, и можно ожидать, что симметрия там нарушена. Однако при удалении от черной дыры искривление пространства-времени становится все более слабым. Очень далеко от черной дыры пространство-время выглядит как совершенно плоское.

В далекие 1960-е годы Г. Бонди, A. Метцнер, M. ван дер Бург и Р. Сакс сделали поистине удивительное открытие: пространство-время на большом удалении от материи обладает бесконечным набором симметрий, которые назвали супертрансляционными. Каждая из таких симметрий связана с сохраняющимися величинами, которые называются супертрансляционными зарядами. Сохраняющаяся величина – это величина, которая не изменяется в процессе эволюции системы. Это обобщения более знакомых сохраняющихся величин. Например, если пространство-время не изменяется во времени, тогда сохраняется энергия. Если пространство-время выглядит одинаково в различных точках пространства, тогда сохраняется импульс. Примечательным в открытии супертрансляций является то, что на большом расстоянии от черной дыры существует бесконечное количество сохраняющихся величин. Именно эти законы сохранения дают необычное и неожиданное представление о процессах в гравитационной физике.

В 2016 году я вместе со своими соавторами Малкольмом Перри и Эндрю Строминджером пытался применить эти новые результаты с имеющими к ним отношение связанными величинами для разрешения информационного парадокса. Мы знаем, что черная дыра обладает тремя явными параметрами: массой, зарядом и параметром вращения. Это классические заряды, о которых давно известно. Однако черная дыра содержит еще и супертрансляционный заряд. Возможно, черные дыры представляют собой нечто большее, чем мы думаем. На самом деле они не лысые и не с тремя волосками, а обладают большим количеством супертрансляционных волос.

Эти супертрансляционные волоски могут содержать закодированную информацию о том, что находится внутри черной дыры. Вероятно, супертрансляционные заряды содержат не всю информацию, но остальную можно получить благодаря дополнительным сохраняющимся величинам, суперротационным зарядам, ассоциированным с некими дополнительными связанными симметриями – суперротациями, о которых пока мало что известно. Если это верно и всю информацию о черной дыре можно понять в показателях ее «волос», то, возможно, потери информации и не происходит. Эта идея недавно получила подтверждение в новейших исследованиях. Строминджер, Перри, я и аспирантка Саша Хако выяснили, что эти суперротационные заряды могут отвечать за всю энтропию любой черной дыры. Квантовая механика остается в силе, и информация хранится на горизонте, на поверхности черной дыры.

Известными характеристиками черной дыры по-прежнему остаются ее общая масса, электрический заряд и вращение снаружи горизонта событий, но сам горизонт событий содержит информацию, дополняющую эти три характеристики, необходимую для того, чтобы понять, что упало в черную дыру. Процесс познания продолжается, но информационный парадокс остается неразрешимым. Впрочем, я оптимист и надеюсь, что мы движемся в правильном направлении. Следите за новостями.

6

Возможно ли путешествие во времени?

В научной фантастике искривление пространства и времени – обычное дело. Его используют для быстрого перемещения по Галактике или для путешествий во времени, но научная фантастика сегодняшнего дня зачастую становится научным фактом дня завтрашнего. Так каковы шансы путешествий во времени?

Идея о том, что пространство и время могут искривляться, или искажаться, возникла совсем недавно. Более двух тысяч лет аксиомы эвклидовой геометрии считались самоочевидными. Те из вас, кому приходилось учить геометрию в школе, могут помнить одно из следствий этих аксиом: сумма углов треугольника равна 180 градусам.

Тем не менее в прошлом веке люди начали понимать, что возможны и другие представления о геометрии и что сумма углов треугольника не обязательно должна составлять 180 градусов. Возьмем, к примеру, поверхность Земли. Максимально приближенная к прямой линия на поверхности Земли называется «большим кругом». Это кратчайший путь между двумя точками, поэтому именно так прокладывают дальние маршруты пассажирских авиалайнеров. Представим теперь треугольник на поверхности Земли, сторонами которого будут экватор, нулевой меридиан, проходящий через Лондон, и меридиан в 90 градусов восточной долготы, проходящий через Бангладеш. Эти два меридиана пересекают экватор под прямым углом в 90 градусов. На Северном полюсе они тоже встречаются под углом в 90 градусов. Таким образом, получается треугольник с тремя прямыми углами. Сумма их составляет, как нетрудно посчитать, 270 градусов, что гораздо больше суммы углов треугольника, прочерченного на плоскости. А если нарисовать треугольник на седлообразной поверхности, может оказаться, что сумма его углов будет меньше 180 градусов.

Поверхность Земли – это двумерное пространство. То есть вы можете перемещаться по поверхности Земли в двух направлениях, расположенных под прямым углом друг к другу: в направлении с севера на юг или с востока на запад. Разумеется, есть и третье направление, расположенное под прямым углом к этим двум: направление вверх-вниз. Иными словами, поверхность Земли существует в трехмерном пространстве. Трехмерное пространство плоское. Можно сказать, оно подчиняется законам эвклидовой геометрии. Сумма углов треугольника составляет 180 градусов. Однако давайте вообразим расу двумерных существ, которые могут перемещаться по поверхности Земли, но не могут освоить третье измерение – вверх-вниз. Они не подозревают о плоском трехмерном пространстве, в котором находится поверхность Земли. Для них пространство должно быть искривлено, а геометрия – неэвклидовой.

Но так же как можно вообразить двумерных существ, обитающих на поверхности Земли, можно представить, что трехмерное пространство, в котором мы живем, является поверхностью сферы в другом измерении, которого нам не видно. Если сфера очень большая, то пространство будет почти плоским и эвклидова геометрия будет соответствовать небольшим расстояниям. Но придется признать, что для больших расстояний эвклидова геометрия неприменима.

Для наглядности представьте бригаду маляров, покрывающих краской большой шар. По мере того как множатся слои краски, площадь поверхности увеличивается. Если шар находится в плоском трехмерном пространстве, слои можно продолжать накладывать бесконечно, и шар будет становиться все больше и больше. Однако если трехмерное пространство является поверхностью сферы в другом измерении, его объем не может увеличиваться бесконечно. В какой-то момент шар, покрытый множеством слоев краски, станет занимать половину пространства. После этого маляры обнаружат, что оказались зажаты в области неизменно сокращающегося размера, а почти все пространство занято шаром, увеличившимся из-за большого количества слоев краски. Так они поймут, что живут не в плоском, а в искривленном пространстве.

Этот пример показывает, что невозможно судить о геометрии мира, исходя из основных принципов, как полагали древние греки. Необходимо измерять пространство, в котором мы живем, и экспериментальным путем выяснять его геометрию.

Способ описывать искривленные пространства нашел немец Бернхард Риман еще в 1854 году, но на протяжении шестидесяти лет этот способ представлял интерес исключительно для математиков. Этот способ может описывать искривленные пространства, существующие в абстракции, но никто не видел оснований, почему должно быть искривлено физическое пространство, в котором мы живем. Основание нашлось только в 1915 году, когда Эйнштейн выступил со своей общей теорией относительности.

Общая теория относительности стала крупной интеллектуальной революцией, которая изменила наши представления о Вселенной. Эта теория имеет отношение не только к искривлению пространства, но и к искривлению, или искажению, времени. Эйнштейн в 1905 году понял, что пространство и время теснейшим образом связаны друг с другом. Так родилась его частная (специальная) теория относительности, связывающая пространство и время воедино. Описать событие можно с помощью четырех параметров. Три из них описывают положение события. Событие может происходить на севере или востоке, в стольких-то километрах от Оксфордской площади и на такой-то высоте над уровнем моря. В более крупном масштабе это могут быть Галактическая широта и долгота – это углы в сферической системе координат, центром которой является Солнце. Третьей, дополняющей их координатой служит расстояние от Солнца. Четвертый параметр – время события.

Таким образом, можно представить пространство и время как четырехмерную сущность, которая называется «пространство-время». Каждая точка пространства-времени помечена четырьмя параметрами, которые определяют ее положение в пространстве и времени. Объединить пространство и время в пространство-время было бы несложно, если бы существовал уникальный способ определения времени и положения каждого события. В блестящей статье 1905 года, которую Эйнштейн написал, еще будучи сотрудником патентного бюро в Швейцарии, он показал, что время и положение, в котором, как считается, происходит событие, зависят от того, как движется наблюдатель. Это означает, что время и пространство неразрывно связаны между собой.

Время, в которое происходит событие, для разных наблюдателей будет одинаковым, если наблюдатели не движутся относительно друг друга. Но разница будет тем заметнее, чем выше их относительная скорость. Возникает логичный вопрос: а насколько быстро нужно двигаться, чтобы время для одного наблюдателя пошло вспять относительно времени другого наблюдателя? Ответ – в этом лимерике:

Очень шустрая мисс из Дакоты

Говорила: «Эйнштейн – это что-то!

Раз летала я где-то

Выше скорости света

И вернулась за день до отлета!»[17]

Так что единственное, что нам нужно для путешествия во времени, – космический корабль, который будет обладать сверхсветовой скоростью. К сожалению, в той же статье Эйнштейн показал, что реактивной тяги, необходимой для ускорения космического корабля, по мере приближения к скорости света будет требоваться все больше и больше. Точнее, потребуется бесконечное количество энергии для достижения скорости, превышающей световую.

Таким образом, статья Эйнштейна 1905 года исключает возможность путешествия в прошлое. Она также показывает, что космические путешествия к звездам должны стать весьма длительным и утомительным делом. Если нельзя путешествовать со сверхсветовой скоростью, то полет от нас до ближайшей звезды и обратно займет как минимум восемь лет, а к центру Галактики, соответственно, примерно 50 000 лет. Если корабль будет двигаться со скоростью, близкой к световой, то для людей на борту полет к центру Галактики займет всего несколько лет. Но это не станет большим утешением, потому что на Земле за эти тысячи лет, разумеется, все их друзья и близкие умрут и будут давно забыты. Поэтому, кстати, авторы научно-фантастических романов стараются найти способы как-то обойти эту неприятность.

В 1915 году Эйнштейн показал, что влияние гравитации можно объяснить предположением о том, что пространство-время искривляется, или искажается, под воздействием материи и энергии. Мы можем наблюдать такое искривление пространства-времени под воздействием массы Солнца: видимое положение звезды или источника радиосигнала слегка смещается, когда Солнце оказывается между земным наблюдателем и источником. Изменение очень незначительное, примерно одна тысячная градуса, – это как перемещение на сантиметр относительно километра. Тем не менее его можно измерить с высокой точностью, и оно соответствует расчетам общей теории относительности. У нас есть экспериментальные доказательства искривления пространства и времени.

Степень искривления в ближайшем к нам окружении очень мала, потому что все гравитационные поля в Солнечной системе очень слабые. Но нам известно о возможности возникновения чрезвычайно сильных полей – например, в момент Большого взрыва или в черных дырах. Так могут ли пространство и время оказаться искривленными настолько, чтобы стали возможны описанные в научной фантастике выходы в гиперпространство, «кротовые норы» и путешествия во времени? На первый взгляд, все это возможно. Например, в 1948 году Курт Гёдель нашел решение уравнений поля для общей теории относительности Эйнштейна, которое представляет Вселенную, где вся материя вращается. В этой Вселенной можно отправиться в космическое путешествие и вернуться раньше времени старта. Гёдель работал в Принстонском институте перспективных исследований, там же, где провел свои последние годы Эйнштейн, и прославился доказательством того, что нельзя доказать все без исключения верные утверждения даже в такой, на первый взгляд, простой области, как арифметика. Но его доказательство, что общая теория относительности допускает путешествие во времени, серьезно расстроило Эйнштейна, который считал, что это невозможно.

Теперь мы знаем, что решение Гёделя не имеет отношения к нашей Вселенной, потому что оно не предполагает расширения. В нем также представлено невероятно высокое значение параметра, который называется космологической постоянной. По общему убеждению, это значение чрезвычайно мало. Тем не менее с тех пор были найдены очевидно более рациональные решения, допускающие путешествие во времени. Наибольший интерес представляет так называемая теория струн: космические струны, перемещающиеся одна относительно другой с околосветовой скоростью.

Космические струны – прекрасная идея теоретической физики, до которой не додумались писатели-фантасты. Судя по названию, эти струны очень длинные и имеют очень малое поперечное сечение. Но на самом деле их скорее можно представить в виде резиновых лент, испытывающих огромное напряжение – порядка миллиарда миллиардов миллиардов тонн. Космическая струна, прикрепленная к Солнцу, разгонит его от нуля до ста километров в час за тридцатую долю секунды.

Может показаться, что идея космических струн «высосана из пальца» и ее следует оставить писателям-фантастам, однако есть вполне реальные научные основания полагать, что космические струны могли образоваться в молодой Вселенной вскоре после Большого взрыва. А поскольку они находятся под таким невероятным напряжением, не исключено, что их скорость приближается к световой.

Вселенную Гёделя и быстродвижущиеся космические струны пространства-времени объединяет то, что они начинаются такими искаженными и искривленными, что пространство-время искривляется в обратную сторону и путешествие во времени становится возможным. Такую искривленную Вселенную мог создать Бог, только непонятно, зачем Ему это могло понадобиться. Все свидетельствует, что Вселенная началась в момент Большого взрыва без какого-то искривления, необходимого для путешествия в прошлое. А поскольку мы не в состоянии изменить процесс рождения Вселенной, то вопрос о возможности путешествия во времени сводится к другому: можем ли мы так искривить пространство-время, чтобы отправиться в прошлое. Думаю, это важная тема для изучения, но к ней надо подходить аккуратно, чтобы вас не сочли ненормальным. Если кто-то попробует получить грант на исследование путешествия во времени, заявка будет отклонена незамедлительно. Ни одно государственное учреждение не позволит себе признаться, что оно тратит общественные деньги на такие причуды, как путешествия во времени. Лучше пользоваться научной терминологией и говорить, например, о замкнутых кривых времени, что подразумевает то же самое. И это действительно очень серьезный вопрос. Поскольку общая теория относительности в принципе допускает путешествие во времени, допускает ли она это в нашей Вселенной? А если нет, то почему?

С путешествием во времени тесно связана способность быстро перемещаться из одной точки пространства в другую. Как я говорил ранее, Эйнштейн показал, что для разгона космического корабля до околосветовой скорости потребуется бесконечно мощная реактивная тяга. Так что единственный способ переместиться из одной части Галактики в другую за разумный период времени – возможность свернуть пространство-время таким образом, чтобы получилась небольшая труба, или «кротовая нора». Она может связать две части Галактики и действовать как кратчайший путь между ними; вы сможете слетать туда и обратно и еще застать в живых всех ваших друзей. Такие «кротовые норы» всерьез рассматривались как возможность, доступная цивилизации будущего. Если вам удастся переместиться из одной части Галактики в другую за пару недель, то и вернуться вы можете через другую «нору» – при этом раньше, чем отправились в путь. Также ничто не помешает вам путешествовать вперед и возвращаться в прошлое через одну «кротовую нору», если оба ее конца движутся относительно друг друга.

Можно сказать, что для создания «кротовой норы» необходимо изогнуть пространство-время в сторону, обратную той, в которую искривляет ее обычная материя. Обычная материя искривляет пространство-время на себя, как поверхность Земли. Но для создания «кротовой норы» требуется материя, которая искривляет пространство-время в обратную сторону, как поверхность седла. То же самое справедливо для любого другого искривления пространства-времени, чтобы путешествовать в прошлое, если только Вселенная не возникла настолько искривленной, что в ней уже есть возможности путешествия во времени. Только в таком случае потребуется материя с отрицательной массой и отрицательной плотностью энергии.

Энергия – как деньги. Если у вас в банке положительный баланс, вы можете пользоваться деньгами каким угодно образом. Однако согласно классическим законам, которые до недавнего времени считались непреложными, при использовании энергии овердрафт не допускается. Классические законы исключают для нас возможность искривить Вселенную так, чтобы появилась возможность путешествий во времени. Но классические законы опровергает квантовая теория – вторая после общей теории относительности великая интеллектуальная революция в наших представлениях о Вселенной. Квантовая теория более гибкая и позволяет в некоторых случаях допустить овердрафт. Однако банк должен оказать нам такую любезность. Иными словами, квантовая теория допускает наличие в некоторых местах отрицательной плотности энергии, если обеспечить положительную плотность в других.

Квантовая теория допускает отрицательную плотность энергии, поскольку основана на принципе неопределенности. А он утверждает, что некоторые характеристики, например положение и скорость частицы, не могут одновременно иметь точно измеренные значения. Чем точнее определяется положение частицы, тем выше неопределенность относительно ее скорости и наоборот. Принцип неопределенности применяется также к полям – например, к электромагнитному или гравитационному полю. Он утверждает, что эти поля не могут иметь нулевое значение даже там, где, как нам кажется, пустое пространство. Дело в том, что если их значения будут равны нулю, то это означает, что они должны иметь четко определенное положение, равное нулю, и четко определенную скорость, равную нулю. А это противоречит принципу неопределенности. Значит, поля должны иметь некоторую минимальную флуктуацию. Можно представить так называемые флуктуации вакуума в виде пар частиц и античастиц, которые внезапно возникают, разъединяются, затем сливаются вновь и аннигилируют, взаимоуничтожаясь.

Такие пары частиц – античастиц считаются виртуальными, потому что их невозможно непосредственно зафиксировать с помощью детектора частиц. Но косвенный эффект наблюдать можно. Для этого используется так называемый эффект Казимира. Попробуйте представить две параллельные металлические пластины, находящиеся на небольшом расстоянии одна от другой. Пластины работают как зеркала для виртуальных частиц и античастиц. Это означает, что пространство между пластинами выглядит как органная труба, только она пропускает световые волны определенной резонансной частоты. В результате выяснится, что между пластинами происходит некоторое количество квантовых флуктуаций, отличное от того, что происходит за ними, там, где эти флуктуации могут иметь любую длину волны. Различие в количестве виртуальных частиц между пластинами и снаружи означает, что с одной стороны пластины испытывают большее давление, чем с другой. Возникает небольшая сила, которая приближает пластины друг к другу. Эту силу можно измерить экспериментально. Так что виртуальные частицы существуют в реальности и производят реальный эффект.

Поскольку между пластинами меньше виртуальных частиц, или квантовых флуктуаций в вакууме, то и плотность энергии здесь ниже, чем в окружающем пространстве. Но плотность энергии пустого пространства на большом удалении от пластин должна равняться нулю. Иначе пространство-время окажется искривленным и Вселенная – не совсем плоской. Значит, плотность энергии в области между пластинами должна быть отрицательной.

Экспериментально доказанное отклонение света свидетельствует о том, что пространство-время искривлено, а эффект Казимира подтверждает, что искривление может иметь отрицательное значение. И может показаться, что по мере развития науки и технологий мы сумеем создавать «кротовые норы» или искривлять пространство и время каким-то иным образом, чтобы получить возможность путешествовать в прошлое. Но в таком случае неизбежно возникает целый ряд вопросов и проблем. Например: если в будущем станут возможны путешествия во времени, почему до сих пор никто не вернулся к нам из будущего и не рассказал, как это сделать.

Даже если есть веские основания держать нас в неведении, человеку по своей природе трудно поверить, что никто не захочет появиться и раскрыть нам, бедным отсталым крестьянам, тайну путешествия во времени. Разумеется, кое-кто утверждает, что нас уже посещают гости из будущего – они прилетают на НЛО, а правительства вовлечены в гигантский заговор по сокрытию этих фактов, чтобы самим пользоваться научными знаниями, которые несут с собой гости. Могу сказать лишь одно: если правительства что-то и скрывают, то они все равно не в состоянии воспользоваться полезной информацией, полученной от инопланетян. Я очень скептически отношусь к «теории заговоров» и считаю более правдоподобной «теорию лажи». Сообщения об НЛО не могут быть связаны исключительно с инопланетянами, потому что они взаимно противоречивы. Но если признать, что некоторые из этих наблюдений – просто ошибки или галлюцинации, не логичнее ли допустить, что они и являются таковыми, чем поверить, что нас посещают гости из будущего или из другой части Галактики? Если эти гости действительно хотят колонизировать Землю или предупредить нас о какой-то опасности, то действуют они крайне неэффективно.

Есть способ примирить идею путешествия во времени с тем фактом, что мы никогда не встречались с гостями из будущего. Можно сказать, что такие путешествия станут возможными только в будущем. Пространство-время нашего прошлого фиксированное, потому что мы наблюдали его и видели, что оно недостаточно искривлено для того, чтобы мы имели возможность отправиться назад во времени. А будущее – открыто, поэтому когда-нибудь мы научимся искривлять пространство-время и получим возможность путешествий во времени. Но поскольку искривлять пространство-время мы сможем лишь в будущем, то не сможем возвращаться из него в наше настоящее или еще раньше.

Такая картинка может вполне объяснить, почему мы не испытываем наплыва туристов из будущего. Но она все равно оставляет место для множества парадоксов. Предположим, появилась возможность совершить полет на космическом корабле и вернуться до начала полета. Что вам помешает взорвать ракету на стартовой площадке и тем самым исключить для себя возможность такого полета? Есть и другие не менее парадоксальные версии: например, вернуться в прошлое и убить своих родителей до того, как вы появились на свет. Этому есть два возможных решения.

Одно я бы назвал согласованно-историческим подходом. В этом случае можно найти согласованное решение физических уравнений – даже при том, что пространство-время искривлено настолько, что есть возможность путешествия в прошлое. С этой точки зрения, вы не можете подготовить ракету для путешествия в прошлое, если вы в него не вернулись и не смогли взорвать стартовую площадку. Это – последовательная картинка, но она говорит о том, что мы полностью детерминированы: мы не в состоянии изменить свои мысли. Это чересчур для свободы воли.

Другое решение я называю альтернативно-историческим подходом. Его отстаивал физик Дэвид Дойч, и его, вероятно, имели в виду создатели фильма «Назад в будущее». При таком подходе в одной альтернативной истории не будет никакого возвращения из будущего до старта ракеты и, соответственно, не будет и возможности ее взорвать. Но когда путешественник возвращается из будущего, он попадает в другую альтернативную историю. В ней человеческая раса прилагает неимоверные усилия, чтобы построить космический корабль, но перед стартом из другой части Галактики появляется похожий корабль и уничтожает построенный.

Дэвид Дойч предпочитает альтернативно-исторический подход концепции множественности историй, которую выдвинул физик Ричард Фейнман. Его идея заключается в том, что, согласно квантовой теории, у Вселенной нет уникальной и единственной истории. Во Вселенной существуют все возможные истории, каждая – со своей долей вероятности. Должна быть возможность существования истории, в которой на Ближнем Востоке – устойчивый мир, но вероятность такой истории, скорее всего, невелика.

В некоторых историях пространство-время искривлено настолько, что такие объекты, как ракеты, смогут возвращаться в свое прошлое. Но каждая история – цельная и самодостаточная, описывающая не только искривленное пространство-время, но и все объекты, в нем находящиеся. Поэтому ракета, возвращаясь, не может попасть в другую альтернативную историю. Она остается в той же истории, которая должна быть самосогласованной. И я, в отличие от Дойча, полагаю, что идея множественности историй работает скорее в пользу согласованно-исторического, нежели альтернативно-исторического подхода.

Судя по всему, мы не в состоянии отказаться от согласованно-исторической картины. Однако это может не касаться проблем детерминизма и свободы воли, если есть очень малая вероятность историй, в которых пространство-время искривлено так, что путешествие во времени возможно за пределами макроскопического масштаба. Я это называю гипотезой о защищенности хронологии: законы физики устроены так, чтобы предотвратить путешествие во времени на макроскопическом уровне.

ЕСТЬ ЛИ СМЫСЛ УСТРАИВАТЬ ПРИЕМ ДЛЯ ПУТЕШЕСТВЕННИКОВ ВО ВРЕМЕНИ? КАК ВЫ ДУМАЕТЕ, ПРИДЕТ ЛИ КТО-НИБУДЬ?

В 2009 году я устроил прием для путешественников во времени в своем колледже Гонвиль и Киз в Кембридже. Я думал снять фильм. Я хотел, чтобы пришли только настоящие путешественники во времени, поэтому не стал рассылать приглашения до окончания приема.

В назначенный день я сидел в колледже и ждал, но никто не пришел. Я был разочарован, но не удивлен, поскольку показал, что если общая теория относительности верна и плотность энергии положительная, то путешествие во времени невозможно. Я буду рад, если хотя бы одно из моих предположений оказалось ошибочным.

Похоже, все выглядит так, что если пространство-время искривлено почти достаточно для возможности путешествия в прошлое, то виртуальные частицы могут стать почти реальными частицами, движущимися по замкнутым траекториям. Плотность виртуальных частиц и их энергия значительно возрастают, что означает, что вероятность таких историй очень мала. Хотя это становится похожим на деятельность агентства по защите хронологии, которое стремится сохранить мир для историков. Но тема искривления пространства и времени пока еще в зачаточном состоянии. Согласно объединяющей форме теории струн, известной как М-теория, на которую мы возлагаем большие надежды в плане объединения общей теории относительности и квантовой теории, пространство-время должно иметь одиннадцать измерений, а не четыре, которые мы ощущаем. Суть в том, что семь из этих одиннадцати измерений свернуты в столь малое пространство, что мы его не замечаем. С другой стороны, остающиеся четыре измерения практически плоские и представляют собой то, что мы называем пространством-временем. Если такая картина верна, то должна быть возможность каким-то образом соединить четыре плоских измерения с остающимися семью сильно искривленными, или искаженными, измерениями. Что из этого получится, мы пока не знаем. Но возможности открываются весьма увлекательные.

В заключение скажу следующее. Наши современные представления не исключают возможности быстрых космических путешествий и возвращения в прошлое.

Это может порождать огромные логические проблемы, поэтому будем надеяться, что существует некий Закон о защищенности хронологии, который не позволит людям возвращаться в прошлое и убивать своих родителей. Но любителям научной фантастики не стоит расстраиваться. М-теория дарит надежду.

7

Сохранится ли жизнь на Земле?

В январе 2018 года журнал Bulletin of the Atomic Scientists, основанный группой физиков – участников Манхэттенского проекта по созданию первого атомного оружия, переставил стрелку часов Судного дня, показывающих неотвратимость катастрофы, военной или экологической, которая угрожает Земле, на без двух минут полночь.

У этих часов любопытная история. Их запустили в 1947 году, когда только начинался атомный век. Роберт Оппенгеймер, научный руководитель Манхэттенского проекта, позже так высказался по поводу взрыва первой атомной бомбы в июле 1945 года: «Мы поняли, что мир уже не будет прежним. Кто-то смеялся, кто-то плакал. Большинство молчали. Мне вспоминалась строка из индийского текста “Бхагавад-Гиты”: “Я Смерть, разрушитель миров”».

В 1947 году стрелка показывала без семи минут полночь. Сейчас она ближе к Судному дню, чем когда-либо, не считая начала 1950-х годов, когда была развязана холодная война. Часы и движение стрелки, разумеется, чисто символические, но мне хотелось бы подчеркнуть, что к столь тревожному предупреждению ученых, которому отчасти способствовало избрание Дональда Трампа, следует отнестись серьезно. Эти часы и сама идея о том, что время, отведенное человечеству, истекает или даже заканчивается, что это – реальность или паникерство? Они предупреждают своевременно или напрасно?

Я лично очень заинтересован во времени. Во-первых, моя книга, ставшая бестселлером и главной причиной моей известности за границами научного сообщества, называлась «Краткая история времени». Кто-то даже мог подумать, что я эксперт по времени, хотя, конечно, в наши дни быть экспертом, наверное, не самое лучшее дело. Во-вторых, как человек, которому в двадцать один год сказали, что ему осталось пять лет жизни, но у которого в 2018 году за плечами уже семьдесят шесть лет, я эксперт по времени в другом, гораздо более персональном смысле. Я очень остро и тревожно ощущаю течение времени и бо́льшую часть жизни прожил с ощущением, что дарованное мне время, как говорится, взято взаймы.

Не припомню периода, когда мир находился политически в более нестабильном положении, чем сейчас. Огромное количество людей в экономическом и социальном смысле чувствуют себя выброшенными на обочину. В результате они обращаются к популистским или, по крайней мере, популярным политикам, имеющим ограниченный опыт государственной деятельности, чья способность принимать обдуманные решения в моменты кризиса все еще нуждается в проверке. Из этого следует, что стрелку часов Судного дня приходится переводить ближе к критической точке, учитывая действия безответственных или злонамеренных сил, подталкивающих наступление Армагеддона.

Планете сейчас грозит опасность в таком количестве областей, что мне трудно сохранять позитив. Опасности слишком велики и слишком многочисленны.

Прежде всего, Земля становится для нас слишком мала. Наши физические ресурсы истощаются пугающими темпами. Мы преподнесли планете катастрофический подарок в виде изменения климата. Повышение температуры, сокращение полярных льдов исчезновение лесов, перенаселение, болезни, войны, голод, недостаток питьевой воды и резкое сокращение видов животных – все это решаемые, но до сих пор не решенные проблемы.

Глобальному потеплению способствует каждый из нас. Мы хотим пользоваться автомобилями, путешествовать, повышать уровень жизни. Проблема в том, что, когда люди поймут, что происходит, может оказаться слишком поздно. Поскольку мы находимся на грани Второго ядерного века и живем в период беспрецедентных климатических изменений, на ученых лежит особая ответственность: вновь ставить в известность общество и политических лидеров об опасностях, подстерегающих человечество. Как ученые, мы понимаем опасность ядерного оружия и его разрушительного эффекта, и мы видим, что влияние человеческой деятельности и технологий на климатическую систему ведет к непоправимому изменению жизни на Земле. Как граждане мира, мы сознаем свой долг поделиться своими знаниями и предупредить общество о необязательных рисках, которым мы подвергаемся ежедневно. Мы предвидим огромную опасность, если правительства и общество не предпримут немедленных действий по ликвидации ядерного оружия и предотвращению дальнейшего изменения климата.

В то же время многие из тех же самых политиков отрицают реальность рукотворного изменения климата или как минимум способности человека обратить эти изменения вспять. Но мир сейчас стоит на грани ряда экологических кризисов. Есть опасения, что глобальное потепление может стать самопроизвольным, если уже не стало таковым. Таяние арктических и антарктических льдов сокращает количество солнечной энергии, отражаемой в космическое пространство, и тем самым еще больше способствует повышению температуры. Климатические изменения могут погубить амазонские и другие тропические леса, а это ликвидирует один из способов удаления из атмосферы углекислого газа. Повышение температуры воды в океанах может дать толчок дополнительному выбросу больших объемов углекислого газа. Оба этих явления усилят парниковый эффект, что интенсифицирует глобальное потепление. В результате наш климат станет похож на венерианский: нестерпимый зной с сернокислотными дождями при температуре 460 градусов Цельсия. Существование человечества станет невозможным. Мы должны пойти дальше Киотского протокола – международного соглашения, принятого в 1997 году, и немедленно начать сокращать углеродные выбросы. Технологии у нас есть. Не хватает лишь политической воли.

Мы можем быть невежественными, мы можем совершать бездумные действия. В истории уже случались подобные кризисы, но обычно всегда оставались еще неосвоенные места, которые можно было колонизировать. В 1492 году Колумб открыл Новый Свет, но второго Нового Света у нас нет. Нет Утопии под боком. Нам катастрофически не хватает пространства, и единственный путь для нас – к новым мирам.

Вселенная – жестокое место. Звезды поглощают планеты, сверхновые звезды испускают в пространство смертоносное излучение, черные дыры сталкиваются, астероиды носятся со скоростью в десятки километров в секунду. Разумеется, все эти явления не делают космос особо привлекательным местом, но именно они являются причиной того, что нам следует отправляться в космос, а не сидеть на месте. Мы никак не можем защитить себя от столкновения с астероидом. Последнее крупное столкновение произошло примерно 66 миллионов лет назад. Оно считается причиной исчезновения динозавров. Такое может произойти еще раз. Это не научная фантастика; это гарантировано физическими законами и теорией вероятности.

Ядерная война в настоящее время все еще остается величайшей угрозой для человечества. Об этой опасности мы немного забыли. Россия и Соединенные Штаты уже не с такой охотой готовы нажать на кнопку, но не исключен несчастный случай или действия террористов, способных захватить атомную бомбу. Риск увеличивается по мере того, как к ядерному оружию получают доступ новые страны. Даже после окончания холодной войны запасов ядерного оружия достаточно, чтобы уничтожить нас всех несколько раз, и новые ядерные державы усиливают нестабильность. Со временем ядерная угроза, возможно, спадет, но появятся другие, и мы должны оставаться начеку.

Так или иначе, я думаю, что в ближайшую тысячу лет ядерная конфронтация или экологическая катастрофа могут привести в негодность нашу планету. В масштабе геологического времени это произойдет в мгновение ока. Но я надеюсь и верю, что к тому времени наша изобретательная раса найдет способ выскользнуть за жесткие пределы Земли и тем самым пережить катастрофу. Разумеется, это окажется невозможным для миллионов других видов, обитающих на планете, и их гибель останется на нашей совести.

Думаю, мы ведем себя с безрассудным равнодушием к нашему будущему на планете Земля. В данный момент деваться нам некуда, но в долгосрочной перспективе человечеству не следует держать все яйца в одной корзине, или на одной планете. Очень надеюсь, мы не уроним корзину раньше, чем выясним, как можно совершить побег с Земли. Мы по природе своей исследователи. Нами движет любопытство. Это уникальное человеческое качество. Это неуемное любопытство толкало исследователей доказать, что Земля не плоская; тот же инстинкт направляет нас к звездам со скоростью мысли и требует, чтобы мы полетели туда на самом деле. И когда мы совершаем великие достижения, такие как высадка на Луну, мы возвышаем человечество, объединяем народы и нации, возвещаем о новых открытиях и создании новых технологий. Чтобы покинуть Землю, потребуются совместные глобальные усилия. В этом должен будет принять участие каждый. Нужно вспомнить восторг, который охватил нас в 1960-е годы, когда начались первые полеты в космос. До новых технологий рукой подать. Настало время исследования Солнечной системы. Освоение космоса – возможно, наш единственный шанс спастись от самих себя. Убежден, человечество должно покинуть Землю. Если останемся, рискуем исчезнуть.

* * *

Помимо моих надежд на освоение космоса, каким может выглядеть будущее и как нам может помочь в этом наука?

Самые популярные версии науки будущего представлены в научно-фантастических сериалах типа «Звездного пути». Продюсеры даже уговорили меня сняться в нем, хотя им это было не трудно.

Мое появление было весьма забавным, но упомянул я об этом по серьезному поводу. Почти все изображения будущего со времен Герберта Уэллса и по сей день были, по сути, статичными. Они представляют общество, которое во многих смыслах далеко опережает нас в науке, технологиях и политическом устройстве (последнее, пожалуй, не так сложно). В период между «сейчас» и «потом», должно быть, произошли великие изменения с соответствующими конфликтами и неудачами. Но к тому моменту будущего, который нам показывают, наука, технологии и организация общества предстают на уровне почти полного совершенства.

Я сомневаюсь в подобной картине и задаюсь вопросом, можем ли мы когда-нибудь достичь окончательного стабильного состояния в науке и технологиях. Ни в один момент за последние 10 000 лет, после окончания ледникового периода, человечество не оказывалось в неизменном состоянии науки и технологий. Бывали некоторые отступления, как в Темные века после падения Римской империи. Но население планеты неуклонно увеличивалось, если не считать некоторых сбоев в периоды эпидемий типа Черной смерти, а это говорит о степени наших технологических способностей сохранять жизнь и обеспечивать себя пропитанием. За последние 200 лет рост ускорялся временами экспоненциально – население планеты увеличилось с 1 миллиарда до примерно 7,6. Другие признаки технологического развития в последнее время – рост потребления электроэнергии или количества научных публикаций. Они тоже демонстрируют почти экспоненциальный рост. На самом деле у нас сейчас настолько завышенные ожидания, что некоторые чувствуют, что политики и ученые их обманывают, поскольку мы еще не достигли утопических представлений о будущем. Например, в фильме «Космическая одиссея 2001 года» показали, что у нас в это время уже должна быть база на Луне и мы должны вовсю совершать пилотируемые космические полеты к Юпитеру.[18]

Ничто не говорит о том, что в будущем научный и технологический прогресс может резко замедлиться. По крайней мере, в ближайшие триста пятьдесят лет, которые отделяют нас от событий «Звездного пути». Но нынешние темпы роста в новом тысячелетии не могут оставаться неизменными. К 2600 году населению Земли придется стоять плечом к плечу, а от потребления электроэнергии планета будет светиться красным цветом. Если выставлять в ряд все новые публикуемые книги, то при нынешнем темпе книгопечатания придется двигаться со скоростью 15 километров в час, чтобы успевать за нарастанием ряда. Разумеется, к 2600 году новые художественные и научные произведения будут появляться скорее в электронной форме, нежели как материальные книги и журналы. Тем не менее, если экспоненциальный рост продолжится, в моей области теоретической физики будет появляться по десять статей в секунду, ни у кого не будет времени прочитать их.

Очевидно, такой экспоненциальный рост не может продолжаться бесконечно. А что же произойдет? Есть вероятность, что мы просто уничтожим себя в результате какой-нибудь катастрофы типа ядерной войны. Даже если мы не уничтожим себя полностью, не исключено, что мы опустимся до состояния дикости и варварства, как в начальной сцене «Терминатора».

Как будут развиваться наука и технологии в ближайшее тысячелетие? Вопрос сложный. Но позвольте проявить смелость и предложить свое видение будущего. У меня есть некоторые шансы оказаться провидцем относительно ближайших сотен лет, но дальше – лишь необузданные фантазии.

Наши современные научные представления сформировались примерно в то время, когда в Северной Америке появились первые поселения европейцев, и к концу XIX века, похоже, мы достигли полного понимания устройства Вселенной в рамках так называемых классических законов. Но, как известно, наблюдения, сделанные в ХХ веке, показали, что энергия распространяется дискретными порциями, которые получили название квантов. Макс Планк и другие начали создавать теорию под названием квантовая механика. Она представляет совершенно иную картину реальности, в которой объекты имеют не единую уникальную историю, а множество историй, каждую со своей степенью вероятности. Если посмотреть на отдельные частицы, их вероятные истории должны включать траектории, в которых возможно движение со сверхсветовой скоростью, и траектории, которые уходят назад, в прошлое. К тому же траектории, уходящие в прошлое, – это не какие-то черти, уместившиеся на кончике иглы. Они оказывают реальное, измеримое влияние. Даже то, что мы считаем пустым пространством, полно частиц, движущихся в замкнутых петлях пространства и времени. То есть на одной стороне петли они движутся вперед во времени, а на другой – в противоположном направлении.

Сложность в том, что в пространстве и времени бесконечное количество точек, а следовательно, бесконечное количество возможных замкнутых петель частиц. А бесконечное количество замкнутых петель частиц должно иметь бесконечное количество энергии и сворачивать пространство и время в одну точку. Даже научная фантастика не в состоянии представить столь причудливого положения. Изучение такой бесконечной энергии требует поистине творческого подхода, и большинство работ в области теоретической физики за последние двадцать лет посвящены поиску теории, в которой бесконечное количество замкнутых петель в пространстве и времени полностью взаимоуничтожается. Только тогда мы сможем объединить квантовую теорию с общей теорией относительности Эйнштейна и получить полную теорию основных законов Вселенной.

Какова вероятность того, что мы создадим такую всеобщую теорию в ближайшее тысячелетие? Я бы сказал, что она весьма высока, но я неисправимый оптимист. В 1980 году я говорил, что есть шансы «пятьдесят на пятьдесят», что в ближайшие двадцать лет мы создадим единую теорию всего. За прошедшие годы мы добились значительного прогресса, но до единой теории, похоже, все так же далеко. Неужели Священный Грааль физики так и останется недостижимым? Думаю, нет.

В начале ХХ века у нас было представление о процессах, происходящих в природе, на уровне масштабов классической физики, минимальные значения которых составляют сотые доли миллиметра. Работы по атомной физике первого тридцатилетия ХХ века приблизили нас к пониманию процессов в масштабах до одной миллионной миллиметра. Затем исследования в области ядерной физики и физики высоких энергий приблизили нас к расстояниям, измеряемым уже миллиардными долями. Казалось, мы можем идти все дальше и дальше, обнаруживать структуры все меньших и меньших размеров. Однако у этого процесса есть предел, как у русской матрешки. Постепенно ты добираешься до самой маленькой куколки, которую уже нельзя разобрать. В физике такая самая маленькая куколка называется планковской длиной и равняется примерно 1,6 × 10–35 м, или миллиметру, разделенному на 100 000 миллиардов миллиардов миллиардов. Мы не готовы построить ускоритель частиц, который смог бы измерить столь малые расстояния. По размерам он должен быть больше Солнечной системы, и вряд ли его создание реально при нынешней финансовой ситуации. Однако следствия наших теорий можно проверить на более скромных приборах.

Ни в одной лаборатории невозможно эмпирически измерить планковскую длину, хотя мы можем изучать Большой взрыв, чтобы получить экспериментальные данные об уровне энергии и расстояниях в масштабах, недоступных на Земле. Впрочем, при создании полной теории всего нам следует в основном полагаться на красоту и непротиворечивость математики.

Картина будущего, изображенная в «Звездном пути», в которой мы находимся на продвинутом, но стационарном уровне, может оказаться справедливой с позиции наших знаний об основных законах, что правят Вселенной. Но не думаю, что мы когда-нибудь остановимся в постижении этих законов. Всеобщая теория не будет устанавливать ограничений по сложности систем, которые мы в состоянии создать, и с этой сложностью, на мой взгляд, и будут связаны самые важные достижения ближайшего тысячелетия.

* * *

Общепризнанно, что самая сложная система, которая у нас есть, – это человеческий организм. Жизнь, судя по всему, зародилась 4 миллиарда лет назад в первичных океанах, покрывающих Землю. Как это произошло, мы не знаем. Возможно, случайные столкновения атомов привели к образованию макромолекул, которые обладали способностью к самовоспроизводству и могли выстраиваться в более сложные структуры. Но мы знаем, что 3,5 миллиарда лет назад возникла чрезвычайно сложная молекула – ДНК, основа жизни на Земле. Структура ее выглядит как двойная спираль и чем-то напоминает винтовую лестницу. ДНК открыли в 1953 году Френсис Крик и Джеймс Уотсон из Кавендишской лаборатории в Кембридже. Линии этой двойной спирали связаны парами азотистых оснований, как ступени винтовой лестницы. Их четыре: цитозин, гуанин, аденин и тимин. Порядок, в котором различные азотистые основания, а точнее – нуклеотиды, выстраиваются на этой винтовой лестнице, является генетической информацией, дающей возможность молекуле ДНК репродуцироваться и выстраивать организм вокруг себя. Когда клетка создает копии ДНК, могут возникать случайные ошибки в порядке расположения нуклеотидов вдоль спирали. В большинстве случаев ошибки при копировании лишают ДНК возможности к самовоспроизводству. Такие генетические ошибки, или, как их еще называют, мутации, обречены на гибель. Но в отдельных случаях ошибки или мутации повышают шансы ДНК на выживание и воспроизводство. Информация, содержащаяся в последовательности нуклеотидов, постепенно увеличивается и усложняется. О естественной селекции мутаций впервые заговорил другой ученый из Кембриджа, Чарльз Дарвин, в 1858 году, однако он не знал стоящий за этим механизм.

Поскольку биологическая эволюция, в принципе, случайное блуждание в пространстве генетических возможностей, она происходит очень медленно. Сложность, или количество бит информации, закодированной в ДНК, приблизительно определяется количеством нуклеотидов в молекуле. Каждый бит информации можно представить в виде ответа «да – нет».

КАКАЯ ГЛАВНАЯ ОПАСНОСТЬ ГРОЗИТ НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ В БУДУЩЕМ?

Столкновение с астероидом – опасность, против которой у нас нет защиты. Последнее серьезное столкновение с астероидом произошло 66 миллионов лет назад. В результате вымерли динозавры. Более непосредственная опасность – стремительное изменение климата. Повышение температуры воды в океанах ведет к таянию полярных льдов и выделению значительных объемов углекислого газа. В результате у нас будет климат, как на Венере, только при температуре плюс 460 градусов Цельсия.

В первые 2 миллиарда лет темп нарастания сложности составлял примерно один бит информации за каждую сотню лет. Но в последние несколько миллионов лет темп повысился до одного бита в год. Сейчас мы на пороге новой эры. У нас появляется возможность увеличивать сложность ДНК, преодолевая медлительность процесса биологической эволюции. За последние 10 000 лет человеческий организм претерпел относительно незначительные изменения. Но есть вероятность, что в ближайшее тысячелетие у нас появится возможность полностью его трансформировать. Конечно, многие скажут, что генная инженерия применительно к людям должна быть запрещена. Но я сомневаюсь, что это можно предотвратить. Из экономических соображений генетические опыты будут проводиться на растениях и животных, и кто-то обязательно захочет поэкспериментировать на людях. Если у нас не наступит тоталитарный мировой порядок, кто-нибудь где-нибудь создаст усовершенствованного человека.

Разумеется, создание совершенных людей породит серьезные социальные и политические проблемы в отношении к несовершенным. Я не настаиваю, что генная инженерия человека – это хорошо. Я просто говорю, что в ближайшее тысячелетие это вполне может стать реальностью, хотим мы этого или нет. Вот почему я не верю научной фантастике типа «Звездного пути», где люди через триста пятьдесят лет практически не изменяются. Думаю, сложность человека и его ДНК будет достаточно быстро возрастать.

В некотором смысле человечеству, если оно хочет соответствовать нарастающей сложности окружающего мира и заниматься такими делами, как космические путешествия, необходимо усовершенствовать свои психические и физические способности. Необходимо повышать сложность в том случае, если мы хотим, чтобы биологические системы опережали электронные. В данный момент у компьютеров есть преимущество в скорости, но они не проявляют никаких признаков разума. Это не удивительно, потому что наши нынешние компьютеры устроены проще, чем мозг земляного червя – вида, не обладающего выдающимися интеллектуальными способностями. Но компьютеры в целом подчиняются закону Мура, согласно которому производительность процессоров каждые восемнадцать месяцев удваивается. Это один из примеров экспоненциального роста, который не может продолжаться бесконечно. На самом деле он уже начинает замедляться. Однако высокие темпы совершенствования сохранятся, скорее всего, до тех пор, пока сложность компьютера не приблизится по сложности к человеческому мозгу. Говорят, компьютеры никогда не станут по-настоящему разумными, какими бы сложными они ни были. Но мне кажется, что если разум человека обеспечивается деятельностью очень сложных химических молекул, то не менее сложные электронные цепи могут способствовать тому, что и компьютеры будут вести себя не менее разумно. А если они станут разумными, то не исключено, что будут создавать новые компьютеры – еще большей сложности и с высокими интеллектуальными способностями.

Вот почему я не верю в научно-фантастическую картину развитого, но стационарного будущего. Я ожидаю ускоренного нарастания сложности – как в биологической, так и в электронной сфере. Вряд ли что-то заметное произойдет в ближайшие сто лет, о которых мы имеем более или менее четкое представление. Но к концу тысячелетия, если доживем, изменения должны оказаться фундаментальными.

Линкольн Стеффенс когда-то сказал: «Я видел будущее, и оно работает». На самом деле он говорил о Советском Союзе, который, как известно, не очень хорошо работал. Тем не менее я думаю, что у нынешнего мирового порядка есть будущее, но выглядеть оно будет совершенно иначе.

8

Надо ли осваивать космос?

Зачем нам космос? Чем оправдать огромные усилия и деньги, затраченные на то, чтобы доставить с Луны несколько камней? Нет ли на Земле более важных дел? Очевидный ответ находится здесь, он вокруг нас. Оставаться на Земле – все равно что сидеть на необитаемом острове после кораблекрушения и не пытаться спастись. Солнечную систему необходимо исследовать для того, чтобы найти места, пригодные для жизни человечества.

В каком-то смысле ситуация похожа на ту, что была в Европе до 1492 года. Наверняка многие говорили, что поощрять сумасбродство Колумба – выбрасывать деньги на ветер. Однако открытие Нового Света оказало огромное влияние на Старый. Только представьте, что мы бы жили без бигмака или KFC! Наше распространение в космосе будет иметь еще больший эффект. Это полностью изменит будущее человечества и, возможно, определит, есть ли у нас вообще какое-то будущее. Это не решит никаких насущных проблем на планете Земля, но даст нам возможность посмотреть на них с другой стороны и заставит смотреть больше вперед, чем оглядываться назад. Надеюсь, это объединит человечество для решения общих задач.

Конечно, это долгосрочная стратегия. Под «долгими сроками» я подразумеваю сотни или даже тысячи лет. В течение тридцати лет мы можем построить базу на Луне, в ближайшие пятьдесят – добраться до Марса, через двести – исследовать спутники других планет. Я говорю о пилотируемых полетах. Роботы-вездеходы уже колесят по Марсу, мы уже посадили зонд на Титан – спутник Сатурна, но если думать о будущем человечества, нам нужно отправляться туда самим.

Космические путешествия – удовольствие недешевое, но они потребуют лишь малой толики мировых ресурсов. Бюджет НАСА остается приблизительно неизменным в реальных цифрах со времен экспедиций «Аполлонов», но сократился с 0,3 % ВВП США в 1970 году до 0,1 % в 2017 году. Даже если в двадцать раз увеличить международный бюджет, чтобы всерьез заняться освоением космоса, это будет составлять лишь доли процента от мирового ВВП.

Конечно, найдутся те, кто станет утверждать, что эти деньги лучше потратить на решение земных проблем, таких как изменение климата или загрязнение окружающей среды, чем вкладывать их, возможно, в бесплодные поиски новой планеты. Я не отрицаю важности борьбы с последствиями изменения климата и глобального потепления, но мы можем заниматься этим и заодно выделить четверть процента мирового ВВП на космос. Неужели наше будущее не стоит четверти процента?

В 1960-е годы мы считали, что космос стоит больших усилий. В 1962 году президент Кеннеди обещал, что в ближайшее десятилетие Соединенные Штаты отправят человека на Луну. Двадцатого июля 1969 года Нил Армстронг и Базз Олдрин совершили посадку на поверхности Луны. Это изменило будущее человечества. Тогда мне было двадцать семь, я работал в Кембридже и пропустил трансляцию этого события. В этот день я был на конференции по проблемам сингулярности в Ливерпуле и слушал лекцию Рене Тома по теории катастроф. ТВ тогда не знало технологии «отложенного просмотра», да и телевизора там не было, но мой двухлетний сын пересказал мне, что видел.

Космическая гонка способствовала росту интереса к науке и ускорению технического прогресса. Под влиянием лунных экспедиций многие современные ученые пришли в науку с целью побольше узнать о нас и о нашем месте во Вселенной. Для мира открылись новые перспективы, которые дали возможность взглянуть на планету в целом. Однако с момента последней экспедиции на Луну в 1972 году и при отсутствии дальнейших планов на осуществление пилотируемых космических полетов общественный интерес к космосу погас. Это совпало с общим разочарованием в науке на Западе: она, конечно, приносила немало пользы, но не решала социальных проблем, вызывающих повышенное внимание.

Новая программа пилотируемых космических полетов могла бы во многом способствовать восстановлению общественного энтузиазма в отношении космоса и науки в целом. Роботизированные миссии гораздо дешевле и, возможно, дают больше научной информации, но не могут приковать к себе общественное внимание. И они не выводят в космос человечество, что, настаиваю, должно стать нашей долгосрочной стратегией. Планы по созданию базы на Луне к 2050 году и высадке человека на Марс к 2070 году могут активизировать космическую программу и придать ей особый смысл, как это было с заявлением президента Кеннеди в начале 1960-х. В конце 2017 года Илон Маск объявил о планах компании SpaseX создать базу на Луне и совершить пилотируемый полет на Марс к 2022 году, а президент Трамп подписал директиву, переориентирующую НАСА на космические исследования и открытия, так что, возможно, мы попадем туда и раньше.

Новый интерес к космосу может повысить репутацию науки в глазах общества в целом. Падение престижа занятий наукой имеет серьезные последствия. Мы живем в обществе, где науки и технологии играют важнейшую роль, однако в науку идут все меньше и меньше молодых людей. Новая и амбициозная космическая программа может увлечь молодежь, стимулировать ее заниматься различными областями науки, а не только астрофизикой и космологией.

То же самое могу сказать и про себя. Я всегда мечтал о космических полетах. Но много лет я думал, что мечта так и останется мечтой. Прикованный к Земле в инвалидном кресле, как я могу ощутить величие космоса иначе, чем с помощью воображения и занятий теоретической физикой? Я никогда не думал, что у меня появится возможность увидеть нашу прекрасную планету с орбиты или проникнуть в бесконечность космического пространства. Это удел астронавтов, немногих счастливцев, которым довелось испытать чудо и восторг космического полета. Но я не учитывал энергию и энтузиазм отдельных личностей, цель которых – совершить этот первый шаг за пределы Земли. В 2007 году мне чрезвычайно повезло совершить полет с достижением состояния невесомости, и ощутить ее впервые в жизни. Это длилось всего четыре минуты, но было прекрасно, я мог бы делать это снова и снова.

В то время нередко повторяли мою фразу о том, что я опасаюсь за будущее человечества, если оно не выйдет в космос. Я был убежден в этом тогда, убежден и теперь. Надеюсь, я показал, что любой может принять участие в космическом путешествии. Уверен, что задача ученых, таких как я, совместно с инновационно мыслящими бизнесменами сделать все возможное, чтобы популяризовать восторг и чудо космических путешествий.

Но могут ли люди долгое время существовать вне Земли? Наши эксперименты на МКС – Международной космической станции – показывают, что человек в состоянии жить и работать многие месяцы вдали от Земли. Конечно, состояние невесомости на орбите приводит к ряду нежелательных физиологических изменений, в том числе к слабости костных тканей, создает практические проблемы с жидкостями и так далее. Поэтому, вероятно, желательно создание баз длительного пользования на планетах или спутниках. Если их располагать под поверхностью, можно обеспечить защиту от метеоров и космического излучения, а также тепловую изоляцию. Планета или спутник могут также стать источником сырья, которое потребуется внеземному сообществу для обеспечения устойчивого, независимого от Земли существования.

Где в Солнечной системе есть приемлемые места для создания человеческих колоний? Самое очевидное – Луна. Она близко, до нее относительно просто добраться. Мы уже ходили по ней и даже ездили на луноходах. С другой стороны, Луна маленькая, у нее нет атмосферы или магнитного поля, которое отражало бы солнечную радиацию, как на Земле. Там нет воды в жидком состоянии, хотя в кратерах на северном и южном полюсах, возможно, лежит лед. Колония на Луне может использовать его для получения кислорода с помощью ядерной энергии или солнечных панелей. Луна может стать базой для дальнейших путешествий по Солнечной системе.

Следующая очевидная цель – Марс. Он в полтора раза дальше от Солнца, чем Земля, и получает, соответственно, вдвое меньше тепла. В прошлом он обладал магнитным полем, но оно исчезло 4 миллиарда лет назад, оставив Марс без защиты от солнечной радиации. А это лишило планету почти всей атмосферы. Сейчас она составляет лишь 1 % от земной. Однако в прошлом атмосферное давление могло быть выше. Можно судить об этом по следам, которые мы считаем пересохшими каналами и озерами. Сейчас вода в жидком состоянии не может находиться на поверхности Марса. При почти полном вакууме она должна испаряться. Но можно предположить, что на Марсе был теплый влажный период, в ходе которого могла возникнуть жизнь – либо спонтанно, либо в результате панспермии (то есть будучи занесенной откуда-то из Вселенной). Сейчас на Марсе нет признаков жизни, но если мы найдем свидетельства, что жизнь там когда-то существовала, это будет означать, что вероятность развития жизни на этой планете достаточно велика. Тем не менее придется проявить осторожность, чтобы не занести на Марс земную жизнь. Соответственно, придется позаботиться и о том, чтобы не привезти с собой марсианскую жизнь. У нас нет к ней иммунитета, и она может уничтожить жизнь на Земле.

НАСА неоднократно отправляло на Марс космические аппараты. Первым был «Маринер-4» в 1964 году. Также Марс исследовали различные орбитальные аппараты. Последней была автоматическая межпланетная станция Mars Reconnaissance Orbiter (Марсианский разведывательный спутник). Эти аппараты обнаружили глубокие ущелья и самые высокие горы в Солнечной системе. НАСА также опустило на поверхность Марса несколько зондов, в том числе два[19] марсохода. Они отправили фотографии иссохшего пустынного ландшафта. Как на Луне, воду и кислород здесь можно будет извлекать из полярных ледяных шапок. На Марсе была вулканическая активность, в результате которой у поверхности могут оказаться металлы и минералы, полезные для будущих колонистов.

Луна и Марс – наиболее подходящие места для создания космических колоний в Солнечной системе. На Меркурии и Венере слишком жарко, а Юпитер и Сатурн – газовые гиганты без твердой поверхности. Спутники Марса очень малы и не имеют преимуществ перед самим Марсом. Но некоторые спутники Юпитера и Сатурна могут оказаться подходящими. Европа, спутник Юпитера, имеет поверхность, покрытую льдом. Подо льдом может находиться вода, и в ней может существовать жизнь. А что, если высадиться на Европе и пробурить скважину?

Титан, спутник Сатурна, крупнее и массивнее нашей Луны и имеет плотную атмосферу. Созданная НАСА и Европейским космическим агентством автоматическая космическая станция «Кассини-Гюйгенс» опустила зонд на Титан. Были сделаны фотографии поверхности. Но там очень холодно, далеко от Солнца, и мне бы не хотелось жить на берегу озера из жидкого метана.

А если смело рвануть за пределы Солнечной системы? Наши наблюдения показывают, что у значительного количества звезд есть планетные системы. Пока мы можем различить только гигантские планеты, типа Юпитера и Сатурна, но есть основания полагать, что с ними соседствуют и более мелкие, подобные Земле, планеты.

Некоторые из них должны находиться в зоне возможной жизни, то есть на расстоянии от звезды, допускающем существование воды в жидком виде на поверхности. В пределах тридцати световых лет от Земли находятся около тысячи звезд. Даже если один процент из них имеет землеподобные планеты в зоне жизни, то у нас есть десять кандидатов на роль Нового Света.

Например, Проксима-b. Эта экзопланета, ближайшая к Земле, но все-таки находящаяся на расстоянии четырех с половиной световых лет, обращается вокруг звезды Проксима Кентавра в звездной системе Альфа Кентавра. Недавние исследования показали, что она имеет с Землей много общего.

Путешествие к этим потенциальным новым мирам при уровне современных технологий невозможно, но кто нам мешает вообразить межзвездные путешествия в далекой перспективе, допустим, лет через двести или пятьсот. Скорость ракеты определяется двумя факторами: скоростью истечения газов и частью массы, которую ракета теряет в процессе ускорения. Скорость истечения газов у ракет на химическом топливе, которыми мы сейчас пользуемся, составляет примерно три километра в секунду. Избавившись от 30 % своей массы, ракета может достичь скорости примерно в полкилометра в секунду. Затем скорость снизится. По расчетам НАСА, полет до Марса может занять 260 плюс-минус 10 суток. Но некоторые специалисты говорят о 130 сутках. Однако путь до ближайшей звездной системы при таких темпах займет 3 миллиона лет. Чтобы лететь быстрее, нам нужна намного более высокая скорость истечения газов, чем та, что могут обеспечить ракеты на химическом топливе, лучше всего – сам свет. Мощный луч света с кормы способен двигать космический корабль вперед. Ядерный синтез может обеспечить 1 % энергии от массы космического корабля и разогнать его до одной десятой скорости света. Если быстрее – понадобится либо аннигиляция материи – антиматерии, либо какая-то совершенно новая форма энергии. На самом деле расстояние до Альфы Кентавра очень велико. Чтобы достичь ее на протяжении одной человеческой жизни, космическому кораблю потребуется взять на борт топливо массой равной массе всех звезд в галактике. Иными словами, при нынешних технологиях межзвездные путешествия крайне непрактичны. Провести уик-энд на Альфе Кентавра, видимо, мне вряд ли удастся.

Но благодаря воображению и изобретательности мы можем изменить ситуацию. В 2016 году мы с предпринимателем Юрием Мильнером анонсировали проект Breakthrough Starshot, долгосрочную научно-исследовательскую программу, цель которой – сделать реальностью межзвездные путешествия. Если получится, мы отправим зонд к Альфе Кентавра уже при жизни нынешнего поколения. Но позволю себе небольшое отступление.

Как родилась эта идея? Сначала наши исследования ограничивались пределами ближайшего космического окружения. Через сорок лет бесстрашный исследователь «Вояджер-1» вышел в межзвездное пространство.[20]

При скорости 17,7 километра в секунду ему понадобится примерно 70 000 лет, чтобы достичь Альфы Кентавра. Звезда находится от нас на расстоянии 4,37 светового года – это примерно 40 триллионов километров. Если сегодня у Альфы Кентавра обитают живые существа, они остаются в блаженном неведении о приходе Дональда Трампа.

Очевидно, мы вступаем в новую космическую эру. Первые негосударственные астронавты будут первопроходцами, первые полеты – чрезвычайно дорогими, но я надеюсь, что со временем космические путешествия станут доступными большему количеству землян. Отправка все новых и новых пассажиров в космос придаст новый смысл нашему существованию на Земле и нашей ответственности за нее как управляющих, а это поможет лучше осознать наше место и будущее в космосе. Надеюсь, именно с космосом связана наша дальнейшая судьба.

Breakthrough Starshot – реальная возможность для человека начать вторжение в космическое пространство с целью оценить и опробовать перспективы его колонизации. Эта миссия направлена на проверку и подтверждение ряда концептуальных идей: миниатюризация космических аппаратов, световой двигатель и фазированная решетка лазерных излучателей. Starchip – полностью автономный космический зонд размером в несколько сантиметров – будет крепиться к световому парусу. Световой парус, изготовленный из метаматериалов, весит не более нескольких граммов. Предполагается, что на орбиту будут выведены тысячи таких зондов, оснащенных световыми парусами. На Земле группа лазеров, расположенных на площади в один квадратный километр, направит сфокусированный световой луч. Луч мощностью в десятки гигаватт пройдет через атмосферу и придаст ускорение парусу.

Эта инновационная идея напоминает мечту шестнадцатилетнего Эйнштейна о полете на световом луче. Зонд разгонится всего до 20 % от скорости света – но это составляет 160 миллионов километров в час. Такая система достигнет Марса менее чем за час, Плутона – в считаные дни, через неделю обгонит «Вояджер», а в районе Альфы Кентавра окажется всего через двадцать лет. Там зонд сможет сделать фотографии планет, обнаруженных в системе, проверить у них наличие магнитного поля и органических молекул и с помощью своего лазерного луча отправить информацию на Землю. Этот сигнал будет принят той же лазерной системой, которая отправила его в полет. Время его прохождения оценивается примерно в четыре года.

Важно отметить, что в траекторию зондов можно включить пролет поблизости от Проксимы-b, землеподобной планеты, расположенной в зоне жизни своей звезды-хозяйки – Альфы Кентавра. В 2017 году проект Breakthrough совместно с Европейской южной обсерваторией заключили соглашение об активизации поиска потенциально обитаемых планет в системе Альфы Кентавра.

НАСТУПАЕТ ЭРА КОСМИЧЕСКИХ ПУТЕШЕСТВИЙ. КАК ВЫ ДУМАЕТЕ, ЧТО ОНА СУЛИТ НАМ?

Я мечтаю о космическом путешествии. Я готов одним из первых купить билет. Надеюсь, в ближайшую сотню лет мы сможем путешествовать по Солнечной системе, за исключением, наверное, самых удаленных планет. Но путешествий к звездам придется ждать дольше. Полагаю, лет через пятьсот мы сможем навестить какие-нибудь ближайшие звезды. Это не будет похоже на «Звездный путь». Мы не сможем путешествовать с запредельной скоростью. Так что полет туда и обратно может занять как минимум десять лет, а то и больше.

У проекта Breakthrough Starshot есть и побочные цели. Например, исследование Солнечной системы и обнаружение астероидов, пересекающих орбиту Земли. Немецкий физик Клаудиус Грос предложил использовать эти технологии для создания биосферы одноклеточных микробов на временно обитаемых экзо-планетах.

Короче, все возможно. Однако предстоит решить множество проблем. Лазер мощностью в один гигаватт может обеспечить лишь несколько ньютонов тяги.

Но нанозонд компенсирует этот недостаток своей массой, которая составляет всего несколько граммов. Перед инженерами стоят сложнейшие задачи. Зонд должен выдержать экстремальное ускорение, вакуум, космический холод, воздействие протонов и столкновения с космической пылью. Кроме того, сфокусировать группу лазеров общей мощностью в 100 гигаватт на световом парусе очень трудно из-за турбулентности земной атмосферы. Как соединить сотни лазерных лучей, чтобы компенсировать атмосферные помехи, как разогнать зонд, не повредив его, и как и сориентировать его в нужном направлении? К тому же зонд должен сохранить работоспособность в космическом холоде в течение двадцати лет, чтобы послать обратно сигналы, которые будут идти до нас четыре световых года. Но это инженерные проблемы, а они, как правило, со временем решаются. По мере совершенствования технологий можно будет думать и о других, не менее увлекательных миссиях. Даже при лазерных лучах меньшей мощности время путешествия к дальним планетам, к окраинам Солнечной системы или в межзвездное пространство должно существенно сократиться.

Разумеется, такие космические путешествия не предназначены для людей, даже если мы сможем создать корабли соответствующих размеров. Корабль будет просто невозможно затормозить. Но когда мы наконец выйдем в Галактику, это будет момент торжества человеческой культуры. А если проект Breakthrough Starshot сможет найти и передать на Землю изображения обитаемой планеты на орбите одной из наших ближайших соседок, это станет событием гигантского значения для будущего всего человечества.

В заключение вернусь к Эйнштейну. Если мы обнаружим планету в системе Альфа Кентавра, ее изображение, снятое на камеру, несущуюся со скоростью в двадцать процентов от световой, окажется несколько искажено в силу эффектов, описанных в специальной (частной) теории относительности. Космический аппарат впервые разовьет скорость, дающую возможность увидеть эти эффекты. На самом деле теория Эйнштейна и лежит в основе всей миссии. Без нее не было бы ни лазеров, ни самой возможности произвести вычисления, необходимые для ориентировки, фотографирования и передачи данных на расстояние в 40 триллионов километров при скорости, составляющей одну пятую от скорости света.

Мы видим связь между шестнадцатилетним юношей, мечтавшим о полете на луче света, и нашей мечтой, которую мы планируем превратить в реальность, о полете на нашем собственном луче света к звездам. Мы стоим на пороге новой эры. Освоение человеком других планет – больше не область научной фантастики. Человеческая раса существует как отдельный вид около 2 миллионов лет. Цивилизация зародилась примерно 10 000 лет назад, и темпы ее развития неуклонно ускоряются. Если человечество просуществует еще миллион лет, его будущее – в дерзновенном открытии неведомого.

Я надеюсь на лучшее. Должен надеяться. Другого пути у нас нет.

9

Превзойдет ли нас искусственный интеллект?

Интеллект – главное, что определяет человека как существо. Все, что предлагает цивилизация, – продукт интеллектуальной деятельности человека.

ДНК передает жизненную программу от поколения к поколению. Более сложные жизненные формы получают информацию от сенсоров, таких как глаза и уши, и обрабатывают ее в мозге или иных системах, чтобы понять, как действовать, а затем воздействуют на окружающий мир, передавая информацию, например мышцам. В какой-то момент нашей космической истории, которая насчитывает 13,8 миллиарда лет, произошло нечто поразительное. Обработка информации стала настолько разумной, что у жизненных форм сформировалось сознание. Наша Вселенная очнулась и стала осознавать саму себя. Я считаю поистине триумфом то, что мы – не более чем звездная пыль – пришли к такому глубокому пониманию Вселенной, в которой живем.

Я не вижу существенной разницы между тем, как действует мозг земляного червя, и тем, как работает компьютер. На мой взгляд, эволюция предполагает, что может не быть качественного различия между мозгом земляного червя и человека. Из этого следует, что компьютер, в принципе, может копировать человеческий интеллект или даже превзойти его. Оказаться разумнее своих предшественников вполне реально. В процессе эволюции мы превзошли по интеллекту человекообразных обезьян, а Эйнштейн оказался умнее своих родителей.

Если компьютеры продолжат подчиняться закону Мура и удваивать быстродействие и объем памяти каждые восемнадцать месяцев, в итоге получится, что в какой-то момент ближайшего столетия они превзойдут человека по интеллектуальным способностям. Когда искусственный интеллект превзойдет человеческий в создании искусственного интеллекта, то есть сможет рекурсивно совершенствовать себя без помощи человека, мы можем стать свидетелями интеллектуального взрыва, который приведет к появлению машин, чье превосходство которых над нами в интеллектуальном смысле будет больше, чем наше – над улитками. Когда это произойдет, придется озаботиться, чтобы цели компьютеров не расходились с нашими целями. Есть искушение отмахнуться от образа высокоинтеллектуальных машин как плода воображения писателей-фантастов, но это будет ошибкой – и, в принципе, нашей самой худшей ошибкой в жизни.

В последние два десятилетия в теме искусственного интеллекта доминировали проблемы, связанные с созданием интеллектуальных агентов – систем, способных к восприятию и действиям в конкретной среде. В данном случае интеллект определяется статистическими и экономическими соображениями рациональности, или, проще говоря, способностью принимать хорошие решения, предлагать планы или делать выводы. В результате можно наблюдать высокую степень интеграции и перекрестного оплодотворения идеями в таких областях, связанных с искусственным интеллектом, как машинное обучение, статистика, теория управления, нейробиология и др. Сложившаяся система теоретических представлений в сочетании с доступными мощностями обработки данных привела к заметным успехам в таких областях, как распознавание речи, классификация образов, машинный перевод, самоуправляемые автомобили, шагающие механизмы, системы диалогового программирования.

По мере того как достижения в этих областях выходят за пределы лабораторий и становятся экономически выгодными технологиями, возникает круг благоразумия, при котором даже небольшие усовершенствования приносят значительные суммы денег, что стимулирует все новые и новые вложения в научные разработки. Сейчас широко признано, что исследования в области искусственного интеллекта демонстрируют устойчивый прогресс и что их влияние на общество соответственно увеличивается. Потенциальная выгода огромна; мы даже не можем представить, какие достижения нас ждут впереди, если наши умственные способности получат подкрепление в виде средств, предоставляемых разработчиками искусственного интеллекта. Появляется возможность покончить с эпидемиями и нищетой. Но в силу огромного потенциала искусственного интеллекта важно исследовать, как наилучшим способом воспользоваться преимуществами и избежать возможных подводных камней. Успех в создании искусственного интеллекта станет величайшим событием в истории человечества.

К сожалению, он может оказаться и последним, если мы не научимся избегать рисков. Искусственный интеллект в качестве инструмента может усилить наши существующие интеллектуальные способности, что позволит продвинуться вперед во всех областях науки и состояния общества. Но он может представлять опасность. Существующие примитивные формы искусственного интеллекта доказали свою полезность, но я опасаюсь последствий создания чего-то такого, что может сравниться с человеком или превзойти его. Есть основания полагать, что искусственный интеллект замкнется сам на себя и начнет ускоренным темпом заниматься самоусовершенствованием. Люди, ограниченные малой скоростью биологической эволюции, не смогут конкурировать с ним и окажутся вытесненными. А еще в будущем искусственный интеллект может обрести собственную волю, которая вступит в конфликт с нашей.

Есть мнение, что люди смогут еще достаточно долгое время контролировать скорость развития технологий и что потенциал искусственного интеллекта поможет решить многие мировые проблемы. Мой оптимизм в отношении судеб человечества хорошо известен, но в данном случае у меня есть сомнения.

Например, военные разных стран мира рассматривают возможность в ближайшей перспективе начать гонку автономных оружейных систем, которые способны сами выбирать и уничтожать выбранные ими цели. Пока в ООН идут дебаты о запрещении такого рода оружия, его сторонники забывают задать себе очень важный вопрос: каков вероятный результат этой гонки и желательна ли она для человечества? Неужели мы действительно хотим, чтобы дешевое оружие с искусственным интеллектом стало «калашниковым» завтрашнего дня и приобреталось на черном рынке преступниками и террористами? Думая о нашей возможности сохранять в долгосрочной перспективе контроль над более совершенными системами искусственного интеллекта, следует ли вооружать их и доверять им нашу защиту? В 2010 году сбой в компьютеризованной системе торгов вызвал обвал на фондовом рынке США; как может выглядеть компьютерный сбой в области обороны? Лучшее время прекратить разработку автономных оружейных систем – сегодня.

В среднесрочной перспективе искусственный интеллект может автоматизировать различные области человеческой деятельности, обеспечив всем равенство и процветание. Заглядывая вперед, можно сказать, что их развитию нет предела. Не существует физических законов, препятствующих частицам организоваться в формы, которые осуществляли бы более совершенные расчеты, чем те, что происходят сейчас в человеческом мозгу. Возможен взрывной переход, хотя он может выглядеть не так, как в кино. Как показал в 1965 году математик Ирвинг Гуд, машины со сверхчеловеческим интеллектом могут неоднократно улучшать свою схему – практически бесконечно, или до момента, который писатель-фантаст Вернор Виндж назвал технологической сингулярностью. Можно представить такую технологию, которая будет прозорливее финансовых аналитиков, изобретательнее ученых, хитрее политических лидеров и, в принципе, подавит нас оружием, принцип действия которого мы даже не сумеем понять. Если в краткосрочной перспективе влияние искусственного интеллекта зависит от тех, кто его контролирует, то в долгосрочной будет зависеть от того, сможем ли мы контролировать его вообще.

Короче говоря, пришествие искусственного интеллекта может оказаться для человечества и наивысшим благом, и наивысшим злом. Риск, связанный с ним, – не в злом умысле, а в компетентности. Сверхразумный искусственный интеллект может оказаться исключительно хорош в достижении своих целей, но если эти цели не станут совпадать с нашими – у нас возникнут проблемы. Вероятно, вы не настолько ненавидите муравьев, чтобы давить их ногой при каждом удобном случае, но если вы руководитель проекта по строительству экологически чистой гидроэлектростанции, а в зоне затопления окажется муравейник – увы, тем хуже для муравьев. А теперь поставим человечество в положение этих муравьев. Мы должны смотреть вперед. Если высокоразвитая внеземная цивилизация пришлет нам сообщение «мы появимся в ближайшее время», сможете ли вы ответить «хорошо, дайте знать, мы оставим свет в гостиной»? Скорее всего, нет. Но именно так может произойти с искусственным интеллектом. Мало кто всерьез интересовался этой темой, за исключением очень немногих некоммерческих организаций.

К счастью, сейчас ситуация стала меняться. Такие интеллектуалы, как Билл Гейтс, Стив Возняк и Илон Маск, разделяют мои опасения. В сообществе, связанном с созданием искусственного интеллекта, начинает укореняться здравая культура оценки рисков и информирования о социальных последствиях. В январе 2015 года я с Илоном Маском и многими другими экспертами подписал открытое письмо, посвященное искусственному интеллекту, призывая к серьезному изучению его влияния на общество. Ранее Илон Маск предупреждал, что сверхчеловеческий искусственный интеллект может принести неисчислимые прибыли, но при неосторожном использовании окажет противоположное действие на человечество. Мы с ним – члены научно-экспертного совета института «Будущее жизни», организации, занимающейся предупреждением экзистенциальных рисков, грозящих человечеству, которая и инициировала это открытое письмо. В нем звучит призыв заняться конкретными исследованиями того, как мы можем предотвратить возникновение потенциальных проблем и одновременно воспользоваться всеми благами, которые сулит нам развитие искусственного интеллекта. Мы призываем всех специалистов и исследователей в области искусственного интеллекта уделять больше внимания вопросам безопасности. Цель письма – проинформировать, а не напугать широкую общественность и политиков. Мы считаем очень важным дать понять, что все, кто занимается искусственным интеллектом, должны серьезно отнестись к этим опасениям и этическим проблемам. Например, искусственный интеллект обладает потенциалом покончить с эпидемиями и нищетой, но специалисты должны думать о том, чтобы системы искусственного интеллекта оставались под контролем.

В октябре 2016 года я также открыл в Кембридже новый центр в попытке затронуть некоторые открытые вопросы, возникающие в связи с быстрым развитием технологий в области искусственного интеллекта. Центр изучения будущего интеллекта «Леверхульм» (The Leverhulme Centre) – междисциплинарная организация, занимающаяся исследованием перспектив развития интеллекта как важнейшего фактора для будущего цивилизации и нас как вида. Значительное время мы уделяем изучению истории, которая, надо признать, преимущественно является историей глупости. Приятное разнообразие вместо изучения будущего интеллекта. Мы сознаем потенциальные опасности, но, возможно, благодаря достижениям новой технологической революции сумеем даже исправить некоторый вред, который нанесла природе индустриализация.

Последние достижения в развитии искусственного интеллекта привели к тому, что Европарламент призвал к разработке законодательства, регулирующего создание роботов и систем искусственного интеллекта. Немного удивительно, но речь зашла даже о понятии «электронной личности», определяющем права и ответственность наиболее продвинутых автономных роботов. Один член Европарламента отметил, что, поскольку роботы начинают играть все более заметную роль во многих областях нашей повседневной жизни, необходимо гарантировать, что они являются и всегда будут являться помощниками человека. В докладе, представленном в парламенте, говорится, что мир – на грани новой индустриальной революции роботов. В нем обсуждается, можно ли наделить юридическими правами роботов как электронных личностей – наряду с юридическим определением корпоративных личностей. Но в нем также подчеркивается, что разработчики роботов обязаны предусмотреть в любой системе кнопку аварийного отключения.

Это не помогло ученым на борту космического корабля в фильме Стэнли Кубрика «Космическая одиссея 2001 года», когда дал сбой разумный компьютер ЭАЛ, но это – художественное произведение, вымысел. Мы же имеем дело с фактами. Лорна Бразел, консультант международной юридической фирмы Osborn Clark, говорит в докладе, что мы не наделяем правами личности китов и горилл, поэтому нет необходимости спешить с определением личности роботов. Но осторожность чувствуется. Доклад признает возможность того, что в ближайшие десятилетия искусственный интеллект может превзойти интеллектуальные способности человека и оспорить нынешние отношения между человеком и роботом.

К 2025 году в мире будет примерно 30 мегаполисов с населением более 10 миллионов человек. Когда все эти люди пожелают получать товары и услуги в любое удобное для них время, поможет ли нам технология соответствовать требованиям такой срочной коммерции? Разумеется, роботы заметно ускорят процесс онлайновой торговли. Но чтобы революционизировать процесс покупок, они должны быть достаточно быстрыми, чтобы выполнять заказы день в день.

Быстро расширяются возможности контактов с окружающим миром без необходимости физического присутствия. Как вы догадываетесь, я считаю это очень удобным, и не в последнюю очередь потому, что городская жизнь для всех нас становится все более насыщенной. Сколько раз у вас появлялась мысль обзавестись двойником, который взял бы на себя часть ваших нагрузок? Создание реалистичных цифровых заменителей себя – дерзкая идея, но новейшие технологические достижения говорят, что она уже не настолько безумная, как кажется.

Когда я был моложе, развитие технологий указывало, что в будущем у нас должно появиться больше свободного времени. Но в реальности чем больше мы можем, тем больше дел на нас наваливается. Города уже полны машин, которые расширяют наши возможности, но вот если бы мы могли оказываться в двух местах одновременно… Мы привыкли к автоматизированным голосам на телефоне и в системах оповещения на транспорте. Изобретатель Дэниэл Крафт уже изучает вопрос, сможем ли мы воспроизвести себя визуально. Один вопрос – насколько убедительным окажется наш аватар?

Интерактивное общение может оказаться полезным в массовых открытых онлайн-курсах и в области развлечений. Это может быть очень интересно – цифровые актеры, которые всегда остаются молодыми и способными на то, что никаким иным образом реализовать невозможно. Наши будущие кумиры могут и не быть реальными.

Наша связь с цифровым миром станет определяющей характеристикой дальнейшего прогресса общества. В умных городах умные дома будут оснащены такими интерактивными устройствами, что взаимодействие с ними не потребует почти никаких усилий.

Изобретение пишущей машинки существенно облегчило нам способ взаимодействия с машинами. Прошло сто пятьдесят лет, и сенсорные экраны открыли новые пути общения с цифровым миром. Последние достижения в области искусственного интеллекта, такие как самоуправляемые автомобили или компьютер, выигрывающий в го, – приметы того, что нас ждет в будущем. В эти технологии, которые уже во многом определяют нашу жизнь, делаются огромные инвестиции. В ближайшие десятилетия они внедрятся во все сферы жизни общества, разумно поддерживая и консультируя нас во многих областях, включая здравоохранение, образование и науку. Достижения, которые мы видим сейчас, явно бледнеют перед теми, что принесут нам ближайшие десятилетия, и мы не в состоянии предсказать, чего мы сможем достичь, когда наше сознание будет подкреплено искусственным интеллектом.

ПОЧЕМУ МЫ ТАК БОИМСЯ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА? ВЕДЬ ЧЕЛОВЕК ВСЕГДА МОЖЕТ ВЫКЛЮЧИТЬ КОМПЬЮТЕР

Человек спросил у компьютера: «Есть ли Бог?» Компьютер ответил: «Теперь есть!» – и расплавил выключатель.

Возможно, плоды новой технологической революции повысят качество человеческой жизни. Например, сейчас ученые занимаются разработкой искусственного интеллекта, который поможет бороться с параличом у людей, получивших спинномозговые травмы. С помощью силиконовых чипов-имплантов и беспроводного электронного интерфейса между мозгом и телом технология позволит людям управлять движениями тела силой мысли.

Убежден, будущее коммуникаций – за взаимодействием мозга и компьютера. Есть два способа: электроды на черепе и импланты. Первый – все равно что смотреть сквозь запотевшее стекло, второй лучше, но есть риск инфекции. Если мы сможем подключить человеческий мозг к интернету, у каждого в постоянном распоряжении будет вся «Википедия».

По мере углубления связи между человеком, девайсами и информацией мир начинает изменяться быстрее. Вычислительные мощности растут, и уже становятся доступны квантовые вычисления. Это приведет к экспоненциальному совершенствованию искусственного интеллекта, поднимет на новый уровень шифрование. Квантовые компьютеры изменят все, даже биологию человека. Уже существует методика, которая называется CRISPR,[21] дающая возможность направленного редактирования ДНК. В основе этой технологии редактирования геномов – защитная система бактерий. Она позволяет точно выделять и редактировать последовательности в генетическом коде. Лучшие намерения, которые движут учеными, заключаются в возможности исправлять генетические мутации и, соответственно, бороться с генетическими заболеваниями. Однако воздействие на ДНК может совершаться и с менее благородными целями. Уже остро стоит вопрос – как далеко мы можем зайти с генной инженерией? Нельзя рассматривать возможности лечения заболевания двигательных нейронов – как мой БАС – и не видеть сопряженные с этим опасности.

Интеллект определяется способностью адаптироваться к изменениям. Человеческий интеллект – результат множества поколений генетического отбора тех, кто наилучшим образом умел приспосабливаться к окружающим обстоятельствам. Мы не должны бояться изменений. Нужно лишь направлять их в наших интересах.

Каждый из нас играет роль в том, чтобы и нынешнее, и следующее поколение проявляли готовность с молодых лет интересоваться наукой, реализовывали свой потенциал и создавали лучший мир для всего человечества. Мы должны выйти за рамки теоретических дискуссий о том, каким должен быть искусственный интеллект, – лучше представить, каким он может быть. У каждого из нас есть возможность расширять границы представлений о приемлемом или ожидаемом и смотреть вперед. Мы на пороге смелого нового мира. Жить в нем будет увлекательно, но и рискованно. Мы станем первопроходцами.

Когда мы стали пользоваться огнем, он часто доставлял нам неприятности. Потом мы изобрели огнетушитель. Обладая гораздо более мощными технологиями, такими как ядерное оружие, синтетическая биология и искусственный интеллект, мы должны вести себя более предусмотрительно и стараться сразу все делать правильно, потому что второго шанса может и не оказаться. Наше будущее – это состязание между нарастающим могуществом технологий и мудростью, с которой мы их используем. Будем стараться, чтобы победила мудрость.

10

Как нам формировать будущее?

Сто лет назад Эйнштейн кардинально изменил наши представления о пространстве, времени, энергии и материи. Мы до сих пор находим потрясающие подтверждения его предсказаниям, например, наличие гравитационных волн, которые были зарегистрированы в 2016 году в эксперименте лаборатории LIGO. Когда я думаю о гениальности, в первую очередь вспоминается Эйнштейн. Как появились все его гениальные идеи? Возможно, причиной тому – сочетание качеств: интуиция, оригинальность, проницательность. Эйнштейн обладал способностью заглянуть под поверхность и увидеть суть вещей. Его не пугал здравый смысл, утверждающий, что вещи такие, какими мы их видим. Он обладал мужеством браться за идеи, которые другим казались абсурдными. И это давало ему свободу быть гениальным, гением своего времени и гением всех времен.

Ключевой особенностью Эйнштейна можно назвать воображение. Многие его открытия появились благодаря способности воссоздавать образ Вселенной с помощью мысленных экспериментов. В шестнадцать лет, воображая полет на луче света, он понял, что с такой позиции свет должен выглядеть как застывшая волна. И этот образ в итоге привел к появлению специальной (частной) теории относительности.

За сто лет ученые узнали о Вселенной гораздо больше, чем было доступно Эйнштейну. У нас есть более мощные инструменты для совершения открытий – такие как ускорители частиц, суперкомпьютеры, космические телескопы; мы можем проводить эксперименты, как в лаборатории LIGO, когда были открыты гравитационные волны. Тем не менее самым мощным средством все равно остается воображение. Мы можем представлять самые экзотические явления природы, сидя за рулем автомобиля, подремывая на диване или делая вид, что слушаем какого-нибудь зануду на вечеринке.

В детстве меня очень интересовало, как все устроено. В те дни было гораздо проще разобрать что-нибудь на запчасти и попытаться понять, как это все устроено. Восстанавливать игрушки, которые я разбирал, получалось не всегда, но, думаю, мне удалось узнать больше, чем современным мальчикам и девочкам, пожелавшим проделать то же самое со смартфоном.

Я по-прежнему занимаюсь тем, что пытаюсь понять, как все устроено, только изменился масштаб. Теперь я с помощью законов физики пытаюсь понять, как устроена Вселенная. Если ты знаешь, как что-то устроено, ты можешь управлять этим. Когда я так говорю, все выглядит очень просто! Это всепоглощающее и многогранное занятие, которое вызывает у меня восторг всю жизнь. Мне довелось работать с величайшими учеными мира. Мне повезло жить в славный период развития космологии, изучающей происхождение Вселенной.

Человеческий разум – потрясающая вещь. Он может постичь величие небес и сложность базовых компонентов материи. Но чтобы разум раскрыл свой потенциал, нужна искра. Искра любознательности и удивления.

Нередко такая искра исходит от учителя. Позвольте объяснить. Я был не самым лучшим учеником. Я медленно учился читать, почерк у меня всегда был корявым. Но в четырнадцать лет мой учитель из школы в Сент-Олбанс, Дикран Тахта, помог мне обуздать мою энергию и научил творчески относиться к математике. Он открыл мне глаза на математику как проект Вселенной. Если всмотреться в каждую выдающуюся личность, за ней всегда стоит выдающийся учитель. Когда каждый из нас задумывается, что он может совершить в жизни, весьма вероятно, что, мы сможем совершить это благодаря своим учителям.

Тем не менее наука и образование в настоящее время находятся под угрозой. В связи с глобальным финансовым кризисом и мерами строгой экономии финансирование урезали во всех областях науки, но в особенности это коснулось фундаментальных наук. Нам грозит культурная изоляция, замкнутость и отрыв от всего, что может быть двигателем прогресса. На определенном уровне исследований необходим международный обмен: это дает возможность быстрее делиться опытом и идеями людям, сформировавшимся в различной культурной и научной среде. Это способствует прогрессу там, где он сейчас буксует. К сожалению, время вспять не повернуть. Брексит и Трамп наращивают усилия в отношении иммиграции и развития образования. Мы в глобальном масштабе видим бунт против специалистов, в том числе и ученых. Что же мы можем сделать, чтобы гарантировать дальнейшее развитие образования в области науки и технологий?

Вернусь к своему учителю, мистеру Тахте. База дальнейшего образования должна закладываться в школе, учителями. Но школы зачастую могут предложить лишь элементарные основы, при которых зубрежка, решение уравнений и экзамены могут вызвать у учеников лишь отторжение от науки. Большинство людей лучше реагируют не на количественное, а на качественное понимание, без необходимости применять сложные уравнения. Научно-популярные книги и статьи тоже лучше помогают понять, как мы живем. Однако лишь незначительный процент населения читает даже самые лучшие из научно-популярных книг. Более широкая аудитория у научно-популярных телевизионных фильмов и сериалов, но это односторонняя связь.

В 1960-е годы, когда я начал заниматься космологией, она считалась во многом непонятной и причудливой областью науки. Сегодня, благодаря теоретическим исследованиям и экспериментальным достижениям типа Большого адронного коллайдера и открытия бозона Хиггса, космология раскрывает перед нами тайны Вселенной. Еще предстоит найти ответы на множество вопросов. Впереди много работы. Но за относительно краткий период времени мы узнали больше и достигли гораздо большего, чем можно было представить.

Но что ждет современную молодежь? С уверенностью могу сказать, что их будущее зависит от науки и технологий в гораздо больше степени, чем у предыдущих поколений. Им придется обладать более глубокими научными знаниями, чем раньше, потому что наука беспрецедентным образом станет частью их повседневной жизни.

Не вдаваясь в слишком общие рассуждения, можно сказать, что мы уже видим тенденции и проблемы, которые нужно решать сейчас и придется решать в будущем. Среди них – глобальное потепление, поиск жизненного пространства и ресурсов для увеличивающегося населения планеты, быстрое исчезновение редких видов животных, необходимость создания возобновляемых источников энергии, деградация океанической среды, обезлесение, эпидемические заболевания – и это лишь малая часть.

В будущем нас ждут великие изобретения, которые кардинально изменят наш образ жизни, они коснутся и работы, и коммуникаций, и путешествий. Огромное поле для инноваций расстилается практически во всех сферах жизни. Это очень увлекательно. Мы будем добывать редкие металлы на Луне, создадим аванпосты человечества на Марсе, найдем способы и методы лечения считающихся ныне неизлечимыми заболеваний. Остаются пока без ответа глобальные вопросы существования – как возникла жизнь на Земле? Что такое сознание? Одиноки мы во Вселенной или там существует кто-то еще? Это вопросы, которые предстоит решать следующему поколению.

Есть мнение, что современное человечество – вершина эволюции и что оно хорошо само по себе. Я не согласен. Есть нечто особенное во Вселенной, и особенность эта в том, что для нее не существует границ. Так же ничем не ограничена человеческая пытливость. На мой взгляд, определяющими для развития человечества станут два аспекта: первый – это исследование космического пространства и поиск альтернативных планет, пригодных для жизни, второй – позитивное использование искусственного интеллекта для улучшения нашего мира.

Земля становится для нас слишком мала. Ее физические ресурсы истощаются пугающими темпами. Человечество преподнесло планете катастрофический подарок в виде изменения климата, загрязнения атмосферы, повышения температуры, таяния полярных ледяных шапок, исчезновения лесов и резкого сокращения видов животных. Темпы роста населения тоже вызывают тревогу. Все говорит о том, что почти экспоненциальный рост численности населения не сможет сохраняться на протяжении ближайшего тысячелетия.

Еще одна причина искать пути колонизации другой планеты – возможность ядерной войны. Есть гипотеза, согласно которой инопланетяне не входят с нами в контакт, потому что цивилизация, достигшая нашего уровня развития, становится нестабильной и самоуничтожается. Мы обладаем технологической мощью, чтобы уничтожить на Земле все живое. Как мы видели по недавним событиям в Северной Корее, это тревожная и отрезвляющая мысль.

Но я верю, что мы сможем избежать угрозы Армагеддона и один из лучших путей для этого – отправляться в космос и исследовать возможности для жизни людей на других планетах.

Второй аспект, который окажет влияние на дальнейшую судьбу человечества, – развитие искусственного интеллекта.

Исследования в области искусственного интеллекта сейчас активно прогрессируют. Недавние достижения, такие как самоуправляемые автомобили, компьютер, выигрывающий в го, появление цифровых персональных помощников (голосовых ассистентов) Siri, Google, Now Cortana и др., – первые симптомы «гонки вооружений» в области информационных технологий, подогреваемой беспрецедентными вложениями и опирающейся на мощный теоретический фундамент. Но эти достижения, скорее всего, побледнеют на фоне тех, что принесут нам ближайшие десятилетия.

Однако появление сверхразумного искусственного интеллекта может оказаться как величайшим благом, так и величайшим злом в истории человечества. Мы не можем сказать, что произойдет: будет ли искусственный интеллект всегда помогать нам, или начнет игнорировать и постепенно отодвинет нас в сторону, или сознательно нас уничтожит. Как оптимист, я верю, что мы в силах создать искусственный интеллект на благо всего мира, что он способен работать в гармонии с нами. Просто необходимо сознавать опасности, идентифицировать их, выбирать наилучшие способы применения и управления и заранее быть готовым к возможным последствиям.

Технология оказала огромное влияние на мою жизнь. Я говорю с помощью компьютера. Вспомогательные технологии дали мне голос, который отняло заболевание. Мне повезло, что я лишился голоса уже в эпоху существования персональных компьютеров. Intel оказывает мне поддержку на протяжении двадцати пяти лет, что позволяет ежедневно заниматься любимым делом. За прошедшие годы и мир, и технологии, оказывающие на него влияние, кардинальным образом изменились. Наш образ жизни стал другим. По мере совершенствования технологий открывается доступ к возможностям, о которых я даже не подозревал. Имеющиеся сейчас технологии для поддержки инвалидов ведут к ликвидации коммуникационных барьеров, которые раньше были непреодолимы. В них часто видны ростки технологий будущего. Перевод голоса в текст, текста в голос, домашняя автоматика, сервопривод, даже для сегвея, для инвалидов были созданы гораздо раньше, чем вошли в повседневное употребление. Все эти технологические достижения оказались возможны благодаря творческой искре, которая есть в каждом из нас. Творчество проявляется во множестве форм – от теоретической физики до спортивных достижений.

Но впереди – еще больше. Интерфейс мозга может сделать этот способ коммуникации, которым пользуются все больше и больше людей, более быстрым и более выразительным. Я сейчас пользуюсь «Фейсбуком» – он позволяет мне общаться напрямую с друзьями и фолловерами со всего света, а они могут быть в курсе моих новейших теорий и смотреть фотографии из моих путешествий. Это также означает, что я могу быть в курсе того, что на уме у моих детей, а не просто выслушивать, что они мне рассказывают о себе.

Как для людей, живших за несколько поколений до нас, непостижимы были бы интернет, сотовые телефоны, медицинская визуализация, спутниковая навигация и социальные сети, так и мир будущего в равной степени изменится настолько, что сейчас мы едва ли в состоянии представить. Информация сама по себе не перенесет нас в этот мир. Нужно уметь творчески и разумно ей пользоваться.

У нас еще очень многое впереди, и я надеюсь, что эта перспектива вдохновит сегодняшних школьников. На нас всех лежит ответственность за то, чтобы и мы, и следующее поколение имели не просто возможность, но и готовность с молодых лет интересоваться наукой, чтобы реализовывать свой потенциал и создавать лучший мир для всего человечества. Уверен, будущее обучения и образования – за интернетом. Люди могут ставить вопросы, отвечать на них, взаимодействовать. В известном смысле интернет связывает нас всех воедино, как нейроны в гигантском мозге. А при таком IQ мы способны на все.

В мои юные годы еще считалось приемлемым – не для меня, но среди других – сказать, что кто-то, возможно, не интересуется наукой и нет смысла переживать по этому поводу. Так больше быть не должно. Позвольте пояснить. Я не утверждаю, что все молодые люди должны становиться учеными, и вовсе не считаю такую ситуацию идеальной, поскольку миру нужны люди с самыми разнообразными умениями и навыками. Но я выступаю за то, чтобы все молодые люди уверенно себя чувствовали в общенаучных дисциплинах – вне зависимости от того, чем они захотят заниматься в жизни. Они должны быть научно грамотными и иметь желание быть в курсе научных и технологических достижений, чтобы узнавать больше.

Мир, в котором лишь тонкая прослойка суперэлиты способна понимать и пользоваться новейшими достижениями науки и техники, кажется мне опасным и ограниченным. Я глубоко сомневаюсь, что проекты, рассчитанные на получение выгоды в очень отдаленной перспективе, такие как очистка океанов или борьба с различными заболеваниями, являются приоритетными для стран развивающегося мира. Хуже того, может оказаться, что некоторые технологии будут направлены против нас и у нас не окажется сил противостоять им.

РЕАЛИЗАЦИЮ КАКОЙ ИДЕИ, БОЛЬШОЙ ИЛИ СКРОМНОЙ, НО ВАЖНОЙ ДЛЯ ВСЕГО ЧЕЛОВЕЧЕСТВА, ВЫ ХОТЕЛИ БЫ УВИДЕТЬ?

Это просто. Я хотел бы увидеть, что термоядерный синтез обеспечил нам неограниченные запасы чистой энергии, – и переход на электромобили. Термоядерный синтез должен войти в повседневную жизнь и стать неиссякаемым источником энергии, не загрязняющим окружающую среду и не влияющим на глобальное потепление.

Я не верю в границы – ни того, чего мы можем достичь как индивидуумы, ни того, что разумная жизнь может совершить во Вселенной. Мы стоим на пороге важных открытий во всех областях науки. Вне всякого сомнения, в ближайшие пятьдесят лет наш мир изменится кардинальным образом. Мы узнаем, что произошло в момент Большого взрыва. Мы придем к пониманию того, как зародилась жизнь на Земле. Возможно, мы даже узнаем, есть ли жизнь где-то еще во Вселенной. Конечно, шансов на установление контактов с разумными инопланетными существами не много, но значимость такого открытия настолько велика, что надо пытаться. Мы будем продолжать изучать наше космическое окружение, отправлять в космос и роботов, и людей. На нашей маленькой и уже чрезвычайно грязной и перенаселенной планете нельзя замыкаться исключительно на себе. С помощью новейших достижений науки и техники мы должны смотреть шире – во Вселенную, не забывая при этом о насущности решения земных проблем. Я как неисправимый оптимист считаю, что мы в конце концов создадим для человека подходящую среду обитания на других планетах. Мы вырвемся за пределы Земли и научимся существовать в пространстве.

И это не конец, а лишь начало миллиардов лет процветания жизни в космосе. По крайней мере, я на это надеюсь.

В завершение – еще одно замечание. Мы никогда не можем сказать наверняка, откуда придет следующее великое научное открытие или кто его сделает. Но, рассказывая максимально широкой молодежной аудитории доступными и инновационными способами о чуде и восторге научных открытий, мы в значительной степени увеличиваем шансы появления новых эйнштейнов. Где бы они ни жили.

Так что не забывайте смотреть не только под ноги, но и на звезды. Старайтесь искать смысл в том, что вы видите, и думать о том, как и почему существует Вселенная. Будьте любознательны. Какой бы трудной ни казалась жизнь, вы всегда можете что-то сделать и чего-то добиться. Главное – никогда не сдаваться. Дайте волю воображению. Творите будущее.

Послесловие

Люси Хокинг

Холодным серым кембриджским весенним утром мы направлялись в кортеже черных машин к церкви Святой Марии Великой – университетской церкви, где по традиции служат панихиду по выдающимся ученым. Семестр закончился, и на улицах было непривычно тихо. Кембридж казался опустевшим, даже туристы не попадались на глаза. Единственными цветными пятнами были вспышки синих огней полицейского мотоциклетного эскорта, сопровождавшего катафалк с гробом моего покойного отца; редкие автомобили, завидев эскорт на пути, останавливались.

Потом мы свернули налево и увидели огромную толпу, заполонившую одну из самых узнаваемых улиц в мире – Кингс-парад, сердце Кембриджа. Я никогда не видела такого количества людей, стоящих в полной тишине. С плакатами, флагами, поднятыми над головами камерами и мобильными телефонами, они в почтительном молчании наблюдали за тем, как главный портье кембриджского колледжа Гонвиль и Киз, в котором работал отец, в церемониальном котелке, с эбеновой тростью, торжественно прошел навстречу катафалку и направился в церковь.

Моя тетя стиснула мне руку, и мы залились слезами. «Ему бы это понравилось», – прошептала она.

После смерти отца произошло очень много такого, что ему бы понравилось, и я бы хотела, чтобы он узнал об этом. Мне бы хотелось, чтобы он мог ощутить невероятный выплеск эмоций по отношению к нему. Мне бы хотелось, чтобы он узнал, как глубоко любят и уважают его миллионы людей, которых он никогда не видел. Мне бы хотелось, чтобы он узнал, что его прах будет погребен в Вестминстерском аббатстве, между могилами его кумиров – Исаака Ньютона и Чарльза Дарвина, и что его голос, отправленный радиотелескопом, летит в космосе к черной дыре.

Но он бы, конечно, поинтересовался, в честь чего весь этот ажиотаж. Он был на удивление скромным человеком, который, хотя и любил быть в центре внимания, казалось, удивлялся собственной славе. Мне вспомнилась одна фраза из его книги, ярко показывающая отношение моего отца к себе: «Если я внес вклад…» Он – единственный, кто мог добавить «если» к этим словам. Думаю, все остальные нисколько в этом не сомневаются.

И какой вклад! К всеобъемлющей грандиозности его трудов по космологии, исследующих структуру и происхождение Вселенной, стоит добавить исключительное человеческое мужество и юмор, с которыми мой отец относился к своим невзгодам. Он нашел способ раздвинуть границы человеческих знаний и в то же время – человеческой выносливости. Уверена, именно это сочетание сделало его культовой фигурой, но при этом – достижимой, доступной. Он страдал, но не сдавался. Общение требовало от него больших усилий, но он делал эти усилия, постоянно совершенствуя средства общения по мере того, как терял подвижность. Он тщательно подбирал слова, чтобы они производили максимальное впечатление, будучи произнесены электронным голосом, который обретал странную выразительность, когда он им пользовался. К нему прислушивались, и когда он высказывал свое мнение о системе британского здравоохранения, и когда говорил о расширяющейся Вселенной, не упуская возможности отпустить шуточку с самым невозмутимым видом – только знакомая искорка мелькала в глазах.

Мой отец был семьянином, хотя большинство об этом не подозревали до выхода в 2014 году фильма «Вселенная Стивена Хокинга». Разумеется, в 1970-е годы было большой редкостью встретить инвалида, у которого есть жена и дети, да еще с таким сильным чувством самостоятельности и независимости. В детстве мне очень не нравилось, как прохожие беззастенчиво, порой разинув рот, провожали моего отца взглядами, когда он на безумной скорости несся в своем инвалидном кресле по Кембриджу в сопровождении парочки лохматых светловолосых детишек, пытающихся на ходу есть мороженое. Я считала такой праздный интерес невероятной невоспитанностью. Я пыталась пронзить зевак взглядом, но, пожалуй, мое негодование вряд ли достигало цели, особенно если учесть, что оно исходило от девчонки, измазанной тающим эскимо.

При всем воображении мое детство нельзя назвать нормальным. Я сознавала это – и в то же время не сознавала. Я считала совершенно естественным задавать взрослым кучу неудобных вопросов, потому что у нас было так принято дома. Только когда я довела, как говорят, приходского священника до слез, устроив ему допрос с пристрастием, какие у него есть доказательства существования Бога, до меня дошло, что от меня такого не ожидают.

В детстве я не считала себя почемучкой, мне казалось, что таким, скорее, был мой старший брат, который в манере всех старших братьев поучал меня при каждом удобном случае (и продолжает этим заниматься до сих пор). Помню одну семейную поездку, которая, как множество других семейных поездок на отдых, мистическим образом совпала с заграничной конференцией по физике. Мы с братом присутствовали на какой-то лекции, вероятно, чтобы дать матери немножко отдохнуть от бесконечных семейных хлопот. В те времена лекции по физике не пользовались особой популярностью, тем более у детей. Я сидела, что-то черкая в блокноте, и вдруг брат поднял свою костлявую мальчишескую руку и задал крайне уважаемому ученому лектору вопрос. Отец просиял от гордости.

Меня часто спрашивали: «Каково быть дочерью Стивена Хокинга?» Разумеется, у меня не было и нет краткого удовлетворительного ответа на этот вопрос. Могу сказать, что взлеты бывали очень высоки, падения – чрезвычайно глубоки, а между ними находилось пространство, которое мы обычно называли «нормальным – для нас»: с точки зрения взрослого человека, то, что мы считали «нормальным», больше никем не могло восприниматься таковым. По мере того как время немного притупляет острую горечь утраты, я понимаю, что мне потребуется вечность, чтобы осмыслить нашу жизнь. Не уверена, что мне этого хочется. Иногда мне хочется просто вспоминать последние слова отца, которые он сказал мне, – что я была прекрасной дочерью и что я не должна бояться. У меня никогда не будет такой смелости, как у него, – я по природе не очень мужественный человек, – но он показал мне, что надо пытаться. И что эти попытки могут стать самой важной составляющей мужества.

Мой отец никогда не сдавался, никогда не уклонялся от борьбы. В семьдесят пять лет, полностью парализованный и способный шевелить лишь несколькими лицевыми мышцами, он каждый день надевал костюм и отправлялся работать. У него было много дел, и он не собирался позволить каким-то банальностям вставать у него на пути. Но должна заметить, что, если бы он знал о полицейском эскорте, который присутствовал на похоронах, он потребовал бы, чтобы они каждый день помогали ему преодолевать утренний трафик в Кембридже по пути из дома к рабочему кабинету.

К счастью, он знал об этой книге. Это был один из проектов, которым он занимался в год, который оказался последним для его пребывания на Земле. У него была идея собрать все свои современные записи в один том. Как многое, что произошло после его смерти, мне бы хотелось, чтобы он смог увидеть эту окончательную версию. Думаю, он бы очень гордился этой книгой и даже, может быть, наконец признался, что он, в конце концов, сделал свой вклад.

Люси Хокинг

Июль 2018 года

Благодарности

Помощь в составлении этой книги оказали Кип Торн, Эдди Редмэйн, Пол Дейвис, Сет Шостак, леди Стефани Ширли, Том Набарро, Мартин Рис, Малкольм Перри, Пол Шеллард, Роберт Кирби, Ник Дэйвис, Кейт Крейги, Крис Симмс, Дуг Эбрамс, Дженнифер Херши, Энн Спейер, Антеа Бэйн, Джонатан Вуд, Элизабет Форрестер, Юрий Мильнер, Томас Хертог, Ма Хуатэн, Бен Бови и Фэй Доукер. Фонд Stephen Hawking Estate всем выражает искреннюю признательность.

Стивен Хокинг на протяжении всей своей карьеры был открыт для научного и творческого сотрудничества – от написания с коллегами научных статей, открывающих новые горизонты познания, до совместной работы со сценаристами сериала «Симпсоны». С годами Стивен все больше нуждался в поддержке окружающих – как технической, так и в плане коммуникации. Фонд благодарит всех, кто помогал Стивену сохранять контакт с миром.

* * *

Примечания

1

– Прим. ред.

2

или . – Прим. науч. ред.

3

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория; состоит из двух лазерных установок, одна из которых находится в г. Ливингстон, штат Луизиана, а другая – в г. Хэнфорд, штат Вашингтон. Идея создания LIGO была предложена Кипом Торном, Райнером Вайссом и Рональдом Древером в 1992 году; работает с 2003 года. – Прим. ред.

4

Излучение Хокинга – излучение черной дырой различных элементарных частиц. – Прим. ред.

5

Средний балл диплома в британском бакалавриате. В данном случае, очевидно, имеется в виду Ordinary degree – обычная степень, без отличия. – Прим. ред.

6

Процесс выхода Великобритании из Европейского союза; от слов Britain (Британия) и Exit (выход). – Прим. ред.

7

Учрежденная в 1663 году преподобным Лукасом Генри (1610–1663), священником и политиком, выпускником Кембриджского университета, одна из самых престижных академических должностей в мире. – Прим. ред.

8

Перевод Б. Пастернака. – Прим. ред.

9

Джеймс Ашшер (1581–1656) – ирландский богослов, исповедовал англиканство. – Прим. ред.

10

Подробнее об М-теории см.: Хокинг С. Мир в ореховой скорлупке. – М.: Амфора, 2007; Хокинг С., Млодинов Л. Кратчайшая история времени. М.: АСТ, 2017. – Прим. ред.

11

Cosmic Background Explorer (COBE), другое название – Explorer 66 – обсерватория на околоземной орбите (спутник), запущенная в ноябре 1989 года. – Прим. ред.

12

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) – космический аппарат НАСА, запущенный в июне 2001 года для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва. Работал до октября 2010 года. – Прим. ред.

13

Реликтовое излучение родилось, когда Вселенной было 380 000 лет. Сегодня ей 13,8 миллиарда лет. – Прим. науч. ред.

14

Программа, предложенная в 2015 году крупнейшим инвестором в технологическом секторе, российским предпринимателем Юрием Мильнером и его супругой Юлией. – Прим. ред.

15

Часть программы поиска внеземного разума Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI), существующей с 1959 года. Призовой фонд Breakthrough Message Initiative учрежден Ю. Мильнером. – Прим. ред.

16

Лэмбовский сдвиг – смещение уровней энергии в атоме водорода и в водородоподобных ионах, обусловленное взаимодействием атома с нулевыми флуктуациями электромагнитного поля. Экспериментально установлен Уиллисом Ю. Лэмбом и его аспирантом Робертом Резерфордом в 1947 году. В 1955 году Лэмб получил Нобелевскую премию за «открытия, связанные с тонкой структурой спектра водорода». – Прим. ред.

17

Перевод Ильи Ратнера. – Прим. ред.

18

Фильм Стэнли Кубрика вышел в 1968 году. – Прим. ред.

19

На самом деле их четыре. – Прим. науч. ред.

20

Автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1» (Voyager-1), изначально предназначенная для исследования Солнечной системы, была запущена 5 сентября 1977 года. – Прим. ред.

21

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats – короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. – Прим. ред.

22

Сейчас уже в лабораториях синтезируют и РНК, и ДНК. – Прим. пер.

Content

Стивен Хокинг
Краткие ответы на большие вопросы

От издателя

Предисловие Эдди Редмэйн

Введение Профессор Кип С. Торн

Почему мы должны задавать серьезные вопросы

1 Есть ли Бог?

2 Как все началось?

3 Есть ли другая разумная жизнь во Вселенной?

4 Можно ли предсказать будущее?

5 Что внутри черных дыр?

6 Возможно ли путешествие во времени?

7 Сохранится ли жизнь на Земле?

8 Надо ли осваивать космос?

9 Превзойдет ли нас искусственный интеллект?

10 Как нам формировать будущее?

Послесловие Люси Хокинг

Благодарности

Примечания