Олег Фейгин

Квантовые миры Стивена Хокинга

За исключением детей… мало кто ломает голову над тем, почему природа такова, какова она есть, откуда появился космос и не существовал ли он всегда? Не может ли время однажды повернуть вспять, так, что следствие будет предшествовать причине? Есть ли непреодолимый предел человеческого познания? Бывают даже такие дети (я их встречал), которым хочется знать, как выглядит черная дыра, какова самая маленькая частичка вещества? Почему мы помним прошлое и не помним будущее? Если раньше и правда был хаос, то как получилось, что теперь установился видимый порядок? и почему Вселенная вообще существует?

С. Хокинг. Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр

От автора

Несколько лет назад я получил редакционное задание рассказать об одном из самых ярких, необычных и загадочных ученых современности — Стивене Уильяме Хокинге. К сожалению, к тому времени тяжелая форма хронического заболевания центральной нервной системы — бокового амиотрофического склероза — практически полностью сковала тело профессора, и он был вынужден резко ограничить свой круг общения. Фактически этот выдающийся британский физик-теоретик, космолог и астрофизик поддерживал связь с внешним миром только через узкий круг знакомых.

Все это я узнал из электронной переписки со студентами-волонтерами и уже смирился с неудачей, когда пришло новое сообщение. Возможно, британского ученого заинтересовали мои исследования квантовой физики времени, а может быть, ему просто захотелось еще раз рассказать о своих идеях новой аудитории энтузиастов научной популяризации. Та к или иначе, но у нас завязалась неспешная переписка, и эти виртуальные встречи с блестящим теоретиком легли в основу книги «Стивен Хокинг. Гений черных дыр».

Затем последовали открытия хиггсона — «частицы бога» — на Большом адронном коллайдере, круговорота гигантских черных дыр в центре Млечного пути и волн гравитации. Все это было когда-то предсказано профессором Хокингом. Так родились книги «Теория Всего», «Параллельные вселенные», «Взрыв Мироздания», «Механика машины времени» и «Квантовые чудеса». К сожалению, вскоре наши виртуальные беседы прервались…

В научной среде профессор Хокинг был большим авторитетом по гравитационным коллапсарам — черным дырам, кроме того он внес много нового в квантовую космологию и теорию квантового времени. Хокинг не только проводил научные исследования и читал лекции, но и вел активную просветительскую и общественную деятельность. Как в свое время Карл Саган, а ныне Мичио Каку, Хокинг активно выступал против ядерного оружия и других вызовов современности. Были у Хокинга и оригинальные эсхатологические прогнозы, не только предрекающие глобальные катастрофы, но и указывающие путь спасения человечества.

Широкая известность пришла к Хокингу в 1988 году, когда увидела свет его книга «Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр», которой было суждено стать одной из самых успешных научных популяризаций в истории. Известность Хокинга еще более возросла после участия в ряде передач на телеканалах Discovery, National Geographic и ВВС. Он вел ток-шоу, о нем снимали фильмы и сериалы вроде мегапроекта «Теория Большого взрыва», писали книги, он даже стал персонажем комиксов.

Тут надо заметить, что Хокинг всегда был убежденным атеистом и входил в «клуб научных скептиков». Он очень огорчался и категорически возражал, когда достижения современной физики бессовестно эксплуатировались самыми различными жуликами и шарлатанами. Хокинг всегда считал, что никаких паранормальных чудес в нашей реальности не существует.

Чудовищные заблуждения на этот счет он объяснял непрерывной пропагандой СМИ, потчующих нас всевозможными «явлениями» телепатии, телекинеза, ясновидения, НЛО, пришельцами из прошлого и будущего и пр. К сожалению (ибо ученые тоже любят научную фантастику), все подобные ложные сенсации связаны лишь с непорядочностью и нарушениями психики «очевидцев». Большую роль играет и недобросовестность репортеров, раздувающих мыльные пузыри подобных газетных уток. Ведь трудновообразимое количество самых тщательных физических экспериментов не обнаружило абсолютно никаких нарушений причинности событий в нашем Мире. При наблюдении грандиозных космических явлений эстафету у физиков перенимают астрономы и космологи, которые также полностью отрицают наличие каких-либо чудес в нашей Метагалактике…

Некогда великий Эйнштейн ушел из жизни со словами «Ну теперь-то я узнаю, как все это устроено…». К сожалению, мы никогда не прочтем последние мысли выдающегося теоретика нашего времени. Известно лишь, что Хокинг страстно мечтал слетать в космос туристом, найти радиосигналы инопланетян и отправить в звездную систему Альфа Центавра флотилию нанозондов. А еще он верил, где-то в параллельных вселенных существуют мириады его двойников, и у каждого из них своя судьба…

Введение

Если не считать того, что я заболел боковым амиотрофическим склерозом, то почти во всем остальном мне сопутствовала удача. Помощь и поддержка, которые мне оказывали моя жена Джейн и дети Роберт, Люси и Тимоти, обеспечили мне возможность вести довольно-таки нормальный образ жизни и добиться успехов в работе. Мне повезло и в том, что я выбрал теоретическую физику, ибо она вся вмещается в голове. Поэтому моя физическая немощь не стала серьезным минусом. Мои научные коллеги, все без исключения, всегда оказывали мне максимальное содействие.

С. Хокинг. Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр

Рассказывая о себе, Стивен Хокинг всегда с гордостью упоминал, что ему выпала честь родиться 8 января 1942 года, ровно через триста лет после смерти величайшего классика физической науки Галилео Галилея (1564–1642).

При этом ученый скромно подчеркивал, что, хотя в тот же год на просторах Британской империи появилось еще двести тысяч младенцев, лишь один из них глубоко заинтересовался астрономией. Причем его интерес был столь серьезным, что ему даже удалось создать новую теорию «всепожирающих космических монстров», которых называют черными дырами.

Место появления на свет младенца Стивена — Оксфорд. Оно связано с довольно любопытными обстоятельствами. Дело в том, что между военно-воздушными силами Союзников и Германии в глубоком секрете существовало негласное соглашение — не бомбить центры европейской науки: Оксфорд, Кембридж и Гейдельберг с Гёттингеном. Поэтому, когда налеты Люфтваффе на Лондон стали особенно яростными, родители Стивена перебрались под защиту академических стен.

Отец Стивена был родом из Йоркшира, а обучался медицине в Оксфорде. Позже он занялся исследованиями в области тропических болезней и в 1937 году уехал в Восточную Африку. С началом Второй мировой войны вернулся в Англию.

Мать Стивена родилась в Глазго, в семье врача, где была вторым ребенком из семерых. Когда ей было двенадцать лет, ее семья в поисках лучшей доли перебралась на самый юг Англии, в Девоншир, но и там их жизнь была довольно далека от процветания. Тем не менее они ценой героических усилий смогли послать дочь в Оксфорд.

По окончании Оксфорда мать Стивена сменила несколько профессий, пока не встретила молодого доктора Хокинга, закупающего медицинские препараты для очередной африканской экспедиции.

В пятидесятых годах отец Стивена поступил на работу в заново построенный Национальный институт медицинских исследований на северной окраине Лондона. Для удобства сообщения родители Стивена приобрели недорогой старинный дом викторианской эпохи в городке Сент-Олбанс, в двадцати милях от самого Лондона.

После окончания школы Стивен, несмотря на посредственную подготовку, смело отправился держать экзамены в Оксфорд. И к своему изумлению осенью 1959 года он оказался зачисленным в студенты.

Когда Стивену Хокингу исполнился 21 год, он заболел неизлечимой болезнью — рассеянным склерозом. Врачи оставляли ему 2–2,5 года жизни…

Однако Хокинг не только опроверг прогнозы врачей, но нашел в себе силы бороться со страшной болезнью и победил. Как он сам о себе рассказывал, — от уныния его спасла помолвка с девушкой по имени Джейн Уайлд. Он полюбил ее, любовь оказалась взаимной. Джейн вышла замуж за Стивена, зная о жестоком приговоре врачей… У него появился огромный стимул для продолжения жизни во что бы то ни стало!

Многообещающего выпускника одного из престижнейших университетов в то время привлекали две фундаментальные области теоретической физики. Прежде всего это была наука об обширнейшем предмете природы — Вселенной в целом — космология. Именно поэтому для «уравновешивания» своих научных интересов Хокинг выбрал еще и теоретические исследования в области элементарных частиц, лежащих в масштабе бесконечно малого. При этом элементарные частицы казались вчерашнему студенту все же менее привлекательными, потому что для них не было соответствующей теории, несмотря на то, что ученые все время находили множество новых частиц.

Исследователи просто разбивали их на семейства, как в ботанике. Но в Оксфорде тогда никто не занимался космологией, а в Кембридже работал Фред Хойл — выдающийся астроном и автор будущих фантастических бестселлеров «Черное облако» и «Андромеда». Хокинг подал заявку, чтобы работать над диссертацией у самого Хойла. Заявка была принята, так как у Стива был довольно высок суммарный бал выпускных оценок, но амбициозного ассистента сильно опечалило, что его руководителем стал не Хойл, а доктор Денис Сиама. Однако впоследствии все устроилось самым лучшим образом, ведь профессор Хойл проводил много времени в различных заграничных лекционных турне, на конференциях, симпозиумах и конгрессах, в то время как блестящий педагог доктор Сиама, впоследствии написавший широко известную книгу «Физические принципы теории относительности», был всегда на месте, подстегивая увлекающегося аспиранта.

На собственную свадьбу Хокинг пришел с тростью. Через два года, когда родился его сын, Стивен уже ходил на костылях. Неумолимая и жестокая болезнь подступала. Еще через три года, когда родилась дочь, он передвигался в инвалидной коляске.

До тридцатилетнего рубежа своей жизни Хокинг мог самостоятельно выполнять многое: передвигаться, подниматься по лестнице, есть, вставать. Однако затем его тело постепенно практически полностью потеряло подвижность… Вдобавок ко всему он заболел воспалением легких и долгое время был подключен к аппарату искусственного дыхания. Врачи убеждали близких, что надежды нет и надо принять решение об отключении медицинского оборудования, но Джейн настояла на продолжении лечения, и Стивен выжил. Правда, в результате операции на гортани он потерял речь…

Глава 1. Лекции кембриджского киборга

Мы еще очень многого не знаем о Вселенной, многого не понимаем. Но уже достигнутый прогресс, в частности за последние сто лет, должен воодушевить нас и придать уверенности в том, что полное понимание — в границах возможного. Думаю, мы не обречены вечно бродить на ощупь в темноте. Совершив рывок к созданию полной теории Вселенной, мы станем ее истинными хозяевами.

С. Хокинг. Черные дыры и молодые вселенные

Серым пасмурным утром, которые нередки ранней осенью над туманным Альбионом, к одному из старинных корпусов Кембриджа движется странная процессия. Впереди катится, жужжа и попискивая электронными сигналами, необычная коляска, своей кибернетической начинкой больше напоминающая очередную модель марсохода, рядом шагают несколько юношей и девушек, заботливо прикрывающих коляску зонтами, а сбоку миловидная женщина в блестящем дождевике, наброшенном на белый халат, озабоченно поглядывает на цифры и кривые, бегущие по дисплею, встроенному в подголовник экипажа. В коляске — иссохший пожилой человек с острыми чертами лица, несколько смягченными застывшей полуулыбкой и необыкновенным взглядом больших серых глаз, прикрытых очками.

Каждый в Кембридже знает, что это спешит на свое рабочее место заведующий кафедрой прикладной математики и теоретической физики (той самой, которую когда-то занимал великий Ньютон) доктор, профессор и академик Стивен Хокинг. Окруженный своими студентами и аспирантами, а также заботливо поддерживаемый очередным парамедиком, раскрепощенный дух в плененном теле, как назвала его однажды газета Guardian, легко въезжает по специальному пандусу в широко открытые столетние резные двери физического корпуса.

Сегодня у профессора Хокинга обзорная лекция перед третьекурсниками, которую он назвал «История нашего мира», и он прекрасно знает, что вместе со студентами в переполненную аудиторию соберется много его друзей и коллег со всех факультетов. Как однажды написала газета Sunday Times, «побывать на любой лекции у профессора Хокинга становится своеобразной визитной карточкой в ученом разговоре».

Медленно меркнет свет, со скрипом опускаются старые механические жалюзи, и за скрюченной фигуркой в кресле оживает полотнище экрана, наискось перечеркнутое изображением спиральной галактики. Тут же включается синтезатор звука, подаренный Хокингу американским программистом, и механический голос начинает рассказ о том, как ученые пришли к современному научному сценарию происхождения нашего Мира.

В начале лектор кратко рассказывает о своей главной специальности — физической космологии. Это удивительный раздел астрономической науки, изучающий Вселенную как единое целое. Космология во многом является синтетической наукой, включающей в себя астрономию, физику и математику. В то же время от других наук ее отличает специфическая структура, как в значительной степени умозрительной и гипотетической дисциплины. Развитие современной космологии основывается на положении, по которому все законы природы, установленные на нашей планете и в ближайшем космическом окружении, безусловно, распространяются на всю видимую Вселенную — Метагалактику. Это, конечно же, не означает, что где-то в глубинах космоса ученые не смогут открыть новые поразительные физические закономерности, но они никогда не отменят уже открытые законы природы в пространстве и времени, а будут расширять и развивать их на новом уровне.

Затем Хокинг проводит исторический экскурс, приводя примеры, как на протяжении веков величайшие умы человечества — Коперник, Кеплер, Галилей и Ньютон — считали окружающий Мир однородным и неизменным. На эти же свойства Вселенной изначально опирался в своих построениях Эйнштейн. Создатель теории относительности считал, что Вселенная в космических масштабах практически не эволюционирует, в общем-то пребывая в неизменном состоянии, не подвластном течению времени. При этом, разумеется, в разных частях Метагалактики возникают и гаснут звезды, распадаются и возникают вновь целые галактики, но общая картина Мира остается в принципе неизменной. Тем неожиданней было теоретическое и практическое (в астрономических наблюдениях) открытие поразительного факта, что реальная Вселенная непрерывно пребывает в динамичном состоянии стремительного разлета, а все грандиозные галактические структуры напоминают разлетающиеся (в настоящий момент еще и ускоренно!) осколки вселенской супербомбы.

После лекционного вступления Хокинг ставит риторический вопрос, возникший после открытия расширяющейся Вселенной: а что будет, если проследить эволюцию Метагалактики обратно во времени?

Уже в простейших космологических моделях при попытках «повернуть вспять» историю Вселенной возникает образ очень загадочной точки вселенского сжатия, лежащей у истоков нашего Мира и носящей название космологическая сингулярность. Эта во многом мнимая точка (ведь указать ее координаты просто невозможно — нет подходящей системы отсчета!) и будет являться моментом «начала начал» расширения нашей Вселенной. Сам астрономический термин «сингулярность» можно перевести как особенность, необычность или исключительность, ведь начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятными плотностями материи и энергии, стремящимися к бесконечности.

Понятие космологической сингулярности тесно связано с кривизной окружающего нас трехмерного пространства, которое может быть как замкнутым, так и разомкнутым. Вопрос о том, в каком Мире мы живем, на самом деле определяется всего лишь одним-единственным параметром: плотностью окружающего нас Космоса. К примеру, если плотность Метагалактики будет ниже некоей критической отметки, то наш Мир окажется открытым и будет расширяться практически до бесконечности. Правда, некоторые современные космологические сценарии предрекают, что в этом случае само пространство-время не выдержит бесконечного «растяжения», и произойдет Большой разрыв. В подобной модели фантастический космический корабль, летящий с субсветовой скоростью не меняя курса, никогда не вернется назад.

Если же плотность вселенской материи превысит данное критическое значение, то пространство окажется замкнутым, и на определенном этапе расширение нашего Мира сменится сжатием. В принципе он может то расширяться, то сжиматься, не выходя в максимуме и минимуме за некоторые пространственно-временные пределы. Наглядно это можно представить в виде резинового шара, который то надувается, то спускается. Понятно, что невозможно раздуть шар больше определенного размера, за которым последует нечто критическое. Это гипотетическая вселенская катастрофа так и называется — Большой разрыв. В подобном замкнутом пространстве наш космолет, не меняя направления полета, может облететь всю Вселенную и вернуться с противоположной стороны Метагалактики.

После создания теории относительности, в двадцатых годах прошлого века, замечательный петербургский математик Александр Александрович Фридман одним из первых получил оригинальные решения уравнений общей теории относительности для всей Вселенной в целом. Анализируя полученные результаты и применяя их к новой теории гравитации Эйнштейна, профессор Фридман сделал сенсационное открытие, обнаружив, что решения уравнений эйнштейновской гравитации предполагают наличие полностью замкнутой Вселенной. А еще из их анализа получалось, что под действием гравитации в отдельных участках космоса материя может как бы «схлопнуться», образовав необычное пространство, замкнутое само на себя. Далее ученый получил еще более неожиданный результат, показывающий, что если наш Мир заполнить тяготеющим веществом, он неуклонно будет либо расширяться, либо сжиматься. Эти решения Фридмана для развивающейся и увеличивающейся Вселенной лежат в основе всей современной космологии.

Как же можно представить себе Мир Фридмана? Здесь Хокинг предлагает оригинальную аналогию в виде глобуса, населенного ползающими по его поверхности «плоскунами». Эти двумерные сущности в силу своего двумерного замкнутого мира даже не подозревают о существовании третьего измерения.

— Давайте представим, — продолжает Хокинг, — что плоскуны решили опытным путем определить границы своего мира. Приступив к измерению длины окружности сферы, они вскоре пришли бы в большое удивление, увидев, что длина окружности, неуклонно возрастая до определенного момента, по мере удаления от начальной точки наблюдений, достигла бы максимума, а затем начала бы также неуклонно уменьшаться, вплоть до нулевой отметки. Это однозначно продемонстрировало бы плоскунам, что их мир замкнут. Надо сказать, что в таком плоско-замкнутом мире должны были бы происходить удивительные вещи….

Тут профессор выдерживает эффектную паузу и продолжает:

— Там действовали бы совершенно иные физические законы, а сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы совсем иначе, чем в нашей Вселенной. Двумерные существа могли бы никогда не узнать, что находится внутри искривленной поверхности сферы, центральная и внешняя часть трехмерного пространства которой по идее должна быть совершенно недоступна для наблюдения с помощью двумерных приборов. Мир плоскунов был бы для них безграничен, но для стороннего наблюдателя казался бы лишь ничтожной частью «внешней» Вселенной.

Разумеется, рассказ Хокинга касается и подпространственных перемещений. В научно-фантастических произведениях зачастую это выглядит как нечто таинственное и непонятное. И тем не менее фантасты часто бывают не столь уж далеки от истины.

— Представим себе двухмерный мир, — за спиной лектора появляется следующий слайд, — как бесконечно тонкий лист бумаги, у которого две стороны слились в одну. В таком мире, так же, как и в нашем, любые две отстоящие друг от друга точки соединяет множество тропинок, но среди них всегда есть самая короткая, и, если мы хотим попасть в другую точку как можно скорее, нам следует воспользоваться именно этой дорожкой.

Если же в начале и в конце пути изогнуть, продавить пространство, образовав воронки и соединив их трубкой-каналом, мы получим мгновенный переход между двумя удаленными точками двухмерного мира. Вот такой канал мы вправе назвать проколом пространства, нультранспортировкой и другими терминами, придуманными писателями-фантастами. При этом подобные подпространственные переходы нигде не будут выходить за пределы своей двухмерной вселенной, поскольку все точки — и на листе, и в канале, и на склонах воронок — принадлежат одной и той же двухмерной поверхности. Если свернуть такой лист в цилиндр, то канал перехода будет напоминать ручку чашки. В трехмерном пространстве он существует сам по себе, независимо от того, есть обнимающее его трехмерное пространство или же его вообще нет в природе.

Рассказывая о мире плоскунов, Хокинг не забывает подчеркнуть важную особенность — такой плоский двумерный мир может иметь одну пространственную, а вторую временную координату. Тогда проколы из пространственных превратятся в пространственно-временные, соединяя точки с разными временами и служа тоннелями для путешествий в иную историческую реальность.

Несмотря на кажущуюся мистичность, многие физики уверены в осуществимости таких проектов, поскольку они основываются на принципах квантовой теории. Трудно пока еще говорить о конкретных деталях строения «подпространственного метро» будущего, но реальность его осуществления в том или ином варианте практически не вызывает сомнений.

Когда речь идет о поиске подпространственных червоточин, первое, что обращает на себя внимание, — это бездонные провалы сколлапсировавших «застывших звезд». Астрофизики считают, что многие свойства коллапсаров говорят о том, что воронки замерзших звезд вполне могут быть входными порталами червоточин пространства-времени. Если это так, то можно (пока еще чисто умозрительно) попытаться приспособить их для путешествий в пространстве и времени, ведь время в их окрестностях останавливается лишь для внешнего наблюдателя, а для космонавтов, устремившихся в жерло черной дыры, все будет идти своим чередом, и никакого замирания процессов они не заметят.

Некоторое время после создания модели Фридмана нестационарный непрерывно расширяющийся мир казался многим ученым нереальным. Однако соответствующие решения Фридмана были не только признаны автором теории относительности, но и получили практическое подтверждение в наблюдениях знаменитого американского астронома Эдвина Хаббла.

В 20-х годах прошлого века, после внушительной серии астрономических исследований дальних галактик, он пришел к выводу, что галактические объекты удаляются от нас со скоростью, пропорциональной этой удаленности. Следовательно, чем дальше от нас галактика, тем выше скорость ее удаления. Соответствующий коэффициент пропорциональности является важнейшей космологической величиной, получившей название постоянной Хаббла.

Свое открытие Хаббл сделал на основании астрономического приложения хорошо известного физического эффекта Доплера, состоящего в увеличении длин волн в спектре излучения источника в сторону красной части спектра для удаляющихся галактик. (Хокинг всегда использовал на лекциях простые запоминающиеся аналогии и рассказывал, как в детстве, стоя на железнодорожной насыпи, поражался изменениям гудка проходящего мимо локомотива: его сигнал перерастал из свистка в басовитое гудение.) Данное явление изменения воспринимаемой частоты колебаний при движении источника или приемника волн впервые исследовал немецкий акустик Кристиан Доплер.

Наблюдение доплеровского сдвига в инфракрасную часть спектра для удаленных галактик и получило название «красного смещения», свидетельствуя о том, что все достаточно далекие звездные системы удаляются от нас со скоростями, возрастающими с расстоянием. Вопрос о физических причинах красного смещения до сих пор бурно дебатируется в астрономических и особенно околоастрономических кругах, хотя подавляющее большинство ученых склоняются во мнениях к тому, что смещение линий в спектрах далеких галактик вызвано именно расширением Вселенной.

Здесь Хокинг всегда останавливается на принципиальном вопросе, в котором часто путаются не только студенты, но и многие преподаватели. Дело в том, что широко бытует ошибочное мнение, что поскольку все далекие скопления галактик удаляются от нас, то именно Солнечная система лежит в самом центре Большого взрыва. На самом деле это своеобразная космическая иллюзия, и центр расширения у наблюдаемой части Вселенной просто отсутствует. Иначе говоря, в какую бы точку Метагалактики мы ни попали, картина расширения будет представляться, исключая мелкие детали, той же самой, что и с земной поверхности.

Вслушиваясь в такой знакомый и в то же время чужой «электронный» тембр своей речи, многие годы заменяющий ему собственную речь, ученый и сам с интересом начинает воспринимать рассказ своего «Альтер эго». Суть его сводится к тому, что теоретики всего мира уже без малого столетье бьются над вопросом о том, как же представить окружающую Вселенную с единой точки зрения. Эта научная мечта, получившая название «Теория Всего», или Великое объединение, является своеобразным Граалем физики, который ученые наподобие рыцарей круглого стола короля Артура ищут не покладая рук. Граалить, по образному выражению Марка Твена из романа «Янки при дворе короля Артура», одним из первых начал еще сам Альберт Эйнштейн. Почти половину жизни он посвятил созданию «единой теории поля». Это удивительное творение самого гениального разума прошлого века так и не приобрело окончательной формы, еще при жизни великого физика породив множество слухов и домыслов.

Так, по одной забавной городской легенде, руководствуясь некими формулами Эйнштейна, выдающийся изобретатель Никола Тесла построил фантастический «генератор невидимости». Осенью 1943 года в филадельфийских доках начались эксперименты на эсминце «Элдридж», в ходе которых он то окутывался «зеленоватым коконом свернутых полей», то вообще «телепортировался в Норфолк». Все это дало обильный материал фантастам, конспирологам и уфологам, до сих пор пишущих про «тайну Филадельфийского эксперимента» и периодически обвиняющих правительство США в сокрытии важной информации от общественности.

Когда-то в погоню за неуловимыми формулами Великого объединения вслед за великим физиком пустился и аспирант Хокинг. С тех пор уже прошло без малого полстолетия, но он все еще упорно пытается понять, как же связать воедино все такие разные силы, управляющие судьбой Мироздания.

В этом месте лекции Хокингу вспоминается его друг и коллега, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг. Как в свое время они азартно обсуждали его книгу «Первые три минуты»! Тогда у него еще был голос, шевелились пальцы…

Покачивая крупной седовласой головой, профессор Вайнберг с молодым азартом доказывал, что когда-нибудь физики обязательно построят сверхмощный ускоритель элементарных частиц. На этом потомке Большого адронного коллайдера они смогут достоверно воспроизвести условия, царившие в первые доли мгновения после рождения Вселенной в невообразимой пучине Большого взрыва. В этот великий момент истории человечества станет ясно, что же представляет собой в истинном своем виде исходное «сверхсиловое взаимодействие».

Расположив перед креслом своего коллеги громадный планшет с перекидными листами и цветными фломастерами, сэр Вайнберг, удостоенный дворянского звания за выдающиеся научные достижения (как впоследствии и сам Хокинг), быстро покрывал листы строчками формул.

— Стив, пойми, — взгляд Вайнберга мечтательно устремился в сизую муть зимнего кембриджского тумана за окном. — Когда-нибудь наши шалопаи-студенты, ну, хорошо — пусть не наши, а их потомки, в ближайшие полвека сумеют создать теорию, объединяющую все, что нам известно об этом Мире.

— Отлично! — Хокинг с трудом оторвал взгляд от россыпи формул и с грустной улыбкой взглянул на друга. — Тебе обязательно надо написать об этом статью, нет — лучше обширный обзор, который так и назови: «Единая физика к 2050 году»! Я бы и сам с радостью поучаствовал в этом проекте, да вот никак не могу закончить новую модель моих испаряющихся черных дыр. Представляешь, вроде бы получается, что эти черные дыры должны просто шипеть и брызгать информацией, как жирный ростбиф на раскаленной сковородке пространства-времени! Но я обязательно когда-нибудь тоже напишу что-то существенное об эйнштейновской единой теории поля и назову это «Теория Всего».

…Незаметно проходит лекционное время, и жужжащая коляска направляется в кабинет Хокинга. Там его уже ждут самые любознательные студенты и коллеги, спешащие задать вопросы живому гению:

— Профессор Хокинг, а как вы видите будущее Мироздания?

— Здесь я придерживаюсь несколько необычного сценария «циклической Вселенной». В нем, если плотность Вселенной превысит некоторую критическую величину, гравитационное притяжение, в конце концов, остановит расширение и снова заставит Вселенную сжиматься. Произойдет Большое сжатие. Это будет подобно Большому взрыву «наоборот», с которого Вселенная началась. Затем все повторится снова и снова.

— Ну, а как сложится жизненный путь нашего светила?

— Еще через пять миллиардов лет у Солнца иссякнет ядерное топливо, оно раздуется, образуя так называемый красный гигант, и поглотит Землю с ближайшими планетами. Потом оно придет в состояние белого карлика диаметром в несколько тысяч миль. Так я предсказываю конец света, но он наступит еще не сейчас. Не думаю, что мое пророчество вызовет большую депрессию на фондовом рынке. На горизонте видны более насущные проблемы. Во всяком случае, к тому времени, когда Солнце раздуется, нам нужно освоить искусство межзвездных путешествий, если мы еще не уничтожим себя сами.

— Судьбу Солнца повторит и его звездное окружение?

— Примерно через миллиард лет большинство звезд во Вселенной сгорит. Звезды с массой вроде нашего Солнца станут или белыми карликами, или нейтронными звездами, которые еще меньше и плотнее. Более массивные звезды превратятся в черные дыры, которые имеют такое сильное гравитационное поле, что даже свет не может его преодолеть. Однако эти остатки будут по-прежнему вращаться вокруг центра Галактики с периодом около ста миллионов лет. Столкновения между остатками вытолкнут некоторые из них прочь из Галактики. Остальные установятся на более близких к центру орбитах и в конце концов соберутся вместе, образовав в центре Галактики гигантскую черную дыру. Чем бы ни была темная материя в галактиках и их скоплениях, она тоже, видимо, упадет в эти большие черные дыры.

— Ни вечное расширение, ни сжатие через сто миллиардов лет не являются такой уж интересной перспективой. Нет ли чего-нибудь такого, что сделало бы будущее более привлекательным?

— Одним из несомненно интересных путей была бы возможность попасть в черную дыру. Это должна быть довольно большая черная дыра, по массе более чем в миллион раз превышающая Солнце. Но есть шанс, что в центре Галактики есть дыра таких размеров. Если бы путешествие через черные дыры было возможно, то, похоже, ничто не помешало бы вам вернуться назад еще до того, как вы оттуда отбыли. Тогда вы сможете совершить что-нибудь, что помешает вам родиться, и Мир будет выглядеть несколько иначе.

— Как же избежать запутанных петель времени?

— Возможно, к счастью для нашего выживания, физические законы не позволяют таких путешествий во времени. Похоже, существует какое-то агентство защиты хронологии, не пускающее путешественников в прошлое и тем самым делающее мир безопасным для историков. Вот что может произойти, если кто-то проникнет в прошлое: под действием принципа неопределенности это произведет большое количество излучения; полученное излучение или так искривит пространство-время, что будет невозможно вернуться во времени, или пространство-время закончится в сингулярности наподобие Большого взрыва или Большого сжатия. В любом случае наше прошлое будет защищено от злоумышленников. Гипотеза о защите хронологии поддерживается некоторыми недавними расчетами, проделанными мною и другими людьми. Но лучшим свидетельством того, что путешествия во времени невозможны и никогда не будут возможны, является тот факт, что к нам не вторгаются орды туристов из будущего.

— А что нужно сделать для выживания человечества в условиях атомной угрозы?

— Очень важно, чтобы люди осознали эту опасность и оказали давление на свои правительства, заставляя их согласиться на значительное разоружение. Вероятно, полностью уничтожить ядерное оружие нереально, но и путем снижения его количества мы можем уменьшить угрозу вой ны. Даже если нам удастся избежать ядерной войны, все равно остаются опасности, способные уничтожить нас всех. Известна мрачная шутка: мы якобы не входим в контакт с иными цивилизациями потому, что они имеют тенденцию самоуничтожаться, когда достигают нашего нынешнего уровня. Но я верю в здравый смысл людей и надеюсь: мы докажем, что это не так.

…Наконец кабинет опустел и, отключившись от повседневных дел, Хокинг снова погружается в лавину мыслей, родившихся от воспоминаний той давней беседы с Вайнбергом. Неожиданно приходит решение одной давней задачи — и по экрану встроенного монитора бегут строчки букв и формул. Разум «кембриджского киборга» продолжает мыслить и творить…

Глава 2. Происхождение и судьба нашего мира

Если мы все-таки создадим полную теорию, со временем ее основные принципы должны стать понятны каждому, а не только нескольким ученым. Тогда мы все — философы, ученые и обычные люди — сможем обсуждать вопрос, почему существуем мы сами и наша Вселенная. Если мы найдем ответ, это будет окончательным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам откроется божественный замысел.

С. Хокинг, Л. Млодинов. Кратчайшая история времени

Экспромтом беседовать со Стивеном Хокингом затруднительно, но, тем не менее, живое общение вполне возможно в виде коротких фраз, произносимых синтезатором, разделенных паузами на составление ответов. Сообщения, доклады и даже диалоги по определенной тематике профессор Хокинг обычно готовит заранее с помощью своей дочери Люси, исполняющей обязанности секретаря-референта. Особые программы компьютера позволяют превращать легкие сокращения лицевой мышцы в набор управляющих посылок: развернуть кресло, двигаться в определенном направлении, открыть дверь. Впрочем, Люси Хокинг полушутя утверждает, что понимает мысли своего отца без всякого компьютера…

Скользя взглядом по маленькой, застывшей в инвалидном кресле фигуре с остановившимся взглядом за стеклами очков, кажущихся громадными на неподвижном высохшем лице, с бессильно лежащими на коленях руками, трудно даже представить, что в этом человеке бурлит страсть исследователя самых интригующих загадок Вселенной. Его интеллект, оптимизм и чувство юмора начинаешь ценить с первых же строчек, бегущих по экрану, и последующих фраз с забавным «металлическим» акцентом.

Как-то раз профессор Хокинг получил очередное предложение от своего литературного агента, побывавшего на лекции «История нашего Мира», написать научно-популярную книгу под названием «Происхождение и судьба Вселенной». Он тут же придумал эффектное вступление, рассказывающее о древней античной философии. В нем Хокинг попытался воссоздать умозрительные теории первых ученых в истории человечества — натурфилософов-метафизиков. Их творчество во многом напоминало решение запутанных головоломок. Главное, что, следуя традициям того времени, запрещалось отстаивать свои теории с помощью немотивированных и сверхъестественных объяснений. Так появлялись удивительные по красоте и логической стройности сценарии возникновения единого Мироздания.

Считалось, что в своей основе Мироздание никак не могло родиться из «ничего», иначе это следовало бы принять как чудо. Следовательно, наша Вселенная должна была возникнуть только из какого-то другого мира. Между этими мирами должно было бы существовать какое-то общее начало, связывающее старый мир и возникающий из него новый. Это единое начало должно быть максимально универсальным и в то же время наипростейшим. Вот и получалось, что прав мудрец Фалес, и если вдуматься, то из окружающих элементов трудно подобрать более универсальную первооснову всего сущего, чем обычная вода.

Идею будущей книги Хокинг решил обсудить на одном из своих семинаров. Их история началась еще в те времена, когда на кафедре математики Тринити-колледжа появился с трудом передвигающийся молодой ассистент, вокруг которого сразу же возник кружок единомышленников, мечтающих узнать как можно больше о возникновении окружающего Мира. Наверное, именно тогда у ученого и родился план занятий, на которых в неформальной обстановке можно было бы обсуждать актуальные проблемы космологии.

Первый фрагмент из будущей книги Хокинг посвятил истории возникновения и крушения одного из самых загадочных в истории науки понятий — «пятого эфирного элемента». Обращаясь к любимой теме рождения современной науки в смутных проблесках античной метафизики, профессор Хокинг подробно объяснял, какое значение имел термин «эфир» в той же греческой мифологии, часто обозначая всего лишь «божественно чистый свежий воздух». Именно богам-олимпийцам, парящим в заоблачной выси, и предназначался «небесный эфир» для дыхания, подобно амброзии (цветочной пыльце с нектаром) для питания, в отличие от обыкновенного воздуха и пищи простых смертных. Древние греки ассоциировали эфир с одноименным божеством, сыном богини ночи Никс и ее брата — бога тьмы Эребуса.

Позднее Аристотель ввел эфир как пятый элемент — квинтэссенцию — в систему классических элементов: земли, воздуха, воды и огня, изобретенную Ионической философской школой. Он мотивировал свое нововведение тем, что четыре земных элемента находятся в непрерывном изменении и могут перемещаться по прямым линиям, тогда как небесные тела казались ему вечными и неизменными и двигались исключительно по округленным траекториям. Таким образом, эфир в представлении Аристотеля не имел обычных физических свойств и какой-либо внутренней структуры, не был подвержен изменениям и в своем движении вращался исключительно по идеальным окружностям.

Впоследствии эта таинственная гипотетическая субстанция послужила основой для теории распространения света, став «светоносным мировым эфиром». Невидимо пронизывая всю Вселенную, «мировой эфир» определял распространение электромагнитных волн. Он господствовал в физике более двух тысячелетий, вплоть до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою первую работу по теории относительности. Из теории Эйнштейна следовало, что эфир не является необходимой природной сущностью (что со всей определенностью подтвердили эксперименты Майкельсона — Морли, не выявившие каких-либо проявлений эфира при движении в нем Земли).

Таким образом, все теории, которые базировались на гипотетическом «пятом элементе», заняли свое место в паноптикуме науки рядом с теплородом и флогистоном. При этом они постепенно перекочевали со страниц серьезных научных изданий в труды непризнанных гениев-мистиков и разномастных эзотериков, где и деградировали окончательно.

Вот тут профессор Хокинг и поразил всех неожиданной ассоциацией, сопоставляя устаревший эфир и наисовременнейшую идею невидимой темной энергии. Эта всепроникающая субстанция наполняет Вселенную, «расталкивая» материю и заставляя ускоренно разлетаться скопления галактик. По словам Хокинга, еще древним грекам представлялось самоочевидным, что существует некая преимущественная скорость, которую приобретают все частицы, не подверженные действию внешних сил. Наличие этой преимущественной скорости приводит к концепции «абсолютного пространства». Лишь в конце XVI века Галилео Галилей показал ошибочность этих представлений. Идеи и наблюдения Галилея были систематизированы Исааком Ньютоном в законах механики. Кроме того, великий физик создал свой бессмертный труд «Оптика», где попытался связать воедино эффекты влияния гравитации и вещества на свет. Согласно Ньютону, изменение скорости света (ведь скорость света постоянна только в вакууме) объясняется соответствующими изменениями плотности мирового светоносного эфира. Ньютоновские частицы света отклоняются в сторону более высокой плотности или в сторону более сильно притягивающей массы.

Галилей и Ньютон сохранили концепцию «абсолютного времени». Оно могло измеряться хорошо отрегулированными часами, которые согласовывались в пределах возможностей тех часовых механизмов. Абсолютное значение времени можно было задать, отсчитывая его от сотворения мира, которое по оценке англиканского архиепископа Ашера произошло в 4004 году до н. э.

Профессор Хокинг с гордостью подчеркивал, что средневековое понятие эфира выкристаллизовалось именно в… Кембридже! Именно тогда местные философы-схоласты пришли к мнению, что небесный эфир необходимо дополнить еще и плотностью. В то же время они вполне разумно предположили, что плотность небесных тел, включая звезды, должна быть значительно больше плотности эфира. Причем парадокса вечного парения более плотных тел в практически невесомой среде, похоже, никто и не заметил, списав все вопиющие нелепости этой странной картины на божественные силы, понимание сути которых недоступно простым смертным.

Разноречивая информация о мировом эфире, дополненная мифами о его божественном происхождении, сделала эту ошибочную научную идею весьма привлекательной для околонаучных дилетантов. Наиболее упорные из них так и не смирились с полным отсутствием наблюдаемых данных, наделяя эфир богатой внутренней структурой. Так живучие эфирные представления породили множество причудливых теорий, объясняющих те или иные явления с помощью этой вечной всепроникающей среды.

В следующем фрагменте рукописи Хокинг рассказал о самых ранних попытках построить всеобщий образ окружающего Мира. В этой древней картине Вселенной все объяснялось предельно просто, поскольку ход событий и природных явлений направлялся духами. Эти духи населяли природные объекты, такие как реки и горы, а также небесные тела вроде Солнца и Луны. Они обладали человеческими эмоциями, действуя нелогично и непредсказуемо. Этих высших существ нужно было умиротворять и ублажать, чтобы день сменял ночь, нивы плодоносили, а за зимой наступали весна и лето. Текли столетия, и кто-то с критическими взглядами на окружающие вещи подметил существование определенных закономерностей: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, были принесены жертвы богу дневного светила или нет. Более того, Солнце, Луна и планеты двигались по небу строго определенными путями, которые удавалось довольно точно предсказать. Солнце и Луна все еще могли считаться богами, но эти боги повиновались строгим законам, очевидно, никогда не позволяя себе отступлений, если не принимать в расчет таких историй, как предание об Иисусе Навине, остановившем Солнце.

Когда речь заходила об этом воскресшем библейском пророке, влачащем странную полужизнь-полусмерть в подлунном мире, профессор Хокинг вспоминал знаменитый мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шрёдингером. Этому выдающемуся австрийскому теоретику чрезвычайно досаждала соседская кошка с ее невыносимыми мартовскими концертами.

Одна жды Шрёдингер размышлял о зыбкости основ Мироздания, непрерывно сотрясаемого волнами сверхмикроскопических квантовых флуктуаций. Его мысли постоянно отвлекали возмутительные кошачьи рулады под окном. Неожиданно у него родилась мысль о любопытном эксперименте, который впоследствии стал широко известен как «кошка Шрёдингера». Кошку помещают в наглухо закрытый ящик с детектором радиоактивного распада и молотком, закрепленным над колбой с летучим ядом. Если радиоактивный элемент распадается, то срабатывает пусковой механизм, и молоток разбивает колбу. Вероятность этого грустного события (для кошки) — ровно пятьдесят процентов.

Таким образом, когда экспериментатор открывает ящик, то у него равные шансы обнаружить живую или мертвую кошку. При этом по законам квантовой физики получается, что квантовое состояние кошки в закрытом ящике будет смесью состояния мертвой кошки с состоянием живой. Понять это с точки здравого смысла совершенно невозможно, хотя уже два тысячелетия церковники дурачат нам рассказами о воскресших (то есть де-факто мертвых, но де-юре живых) святых пророках.

Философы науки до сих пор путаются в объяснении подобных парадоксов. Кошка не может быть одновременно наполовину живой и наполовину мертвой от яда, как не может быть человек наполовину усопшим в могиле и наполовину воскресшим на небесах.

Сам Хокинг так объяснял смысл мысленного опыта с кошкой Шрёдингера: суть парадокса в том, что подчеркивается противоречивость объединения большого и сверхмалого. Трудности интерпретации возникают оттого, что экспериментатор подходит к «квантовой кошке» с мерками повседневной реальности, где любой живой организм — кошка или человек — имеет определенную и единственную предысторию. Но весь фокус в том, что в квантовой физике предлагаются совсем иные взгляды на реальность. Каждый микроскопический квантовый объект имеет не единственную предысторию, а целый их веер. В большинстве случаев вероятность какой-то одной предыстории отменяется вероятностью несколько иной, но в определенных случаях вероятности соседних предысторий только усиливают друг друга. И одну из этих усиленных предысторий мы видим как предысторию объекта.

В случае с кошкой Шрёдингера две возможные предыстории усилили друг друга. В одной кошка отравлена, а в другой — жива. В квантовой теории обе возможности могут существовать вместе. Но некоторые современные философы сбиваются с толку, поскольку косвенно предполагают, что кошка или некий Иешуа Назаретянин могут иметь только одну предысторию.

Спор между сторонниками и противниками абсолютной фундаментальности квантовой теории еще далеко не закончен и изредка разгорается с новой силой, вводя в круг обсуждаемых вопросов весьма необычные и даже фантастические предметы, такие как «квантовое сознание наблюдателя». Все это еще раз подчеркивает, насколько далеки от повседневной действительности современные концепции теоретической физики. Во всяком случае они, так или иначе, во многом противоречат обыденным представлениям об окружающем нас классическом мире. Исходя из этого многие ученые, особенно занимающиеся другими разделами физики, просто считают квантовую теорию очень удачным математическим образом, позволяющим успешно предсказывать исход тех или иных экспериментов в микрофизике.

Глава 3. Тайны застывших звезд

Падение в черную дыру стало одним из ужасов научной фантастики. На самом деле о черных дырах сейчас можно сказать, что это научный факт, а не фантастика. Есть достаточные основания утверждать, что черные дыры должны существовать, и наблюдения четко указывают на присутствие в нашей Галактике множества черных дыр, а в других галактиках их еще больше.

С. Хокинг. Черные дыры и младенцы-вселенные

Когда говорят о творческом наследии Хокинга, первым делом упоминают о его гипотезе квантового испарения черных дыр.

Свой рассказ о бездонных провалах Вселенной Хокинг всегда начинал с истории становления Общей теории относительности (ОТО). Дело в том, что Давид Гильберт вывел уравнения гравитационного поля почти одновременно с Эйнштейном, который опередил его всего лишь на пару недель. Поэтому, хотя Гильберт исходил из идей Эйнштейна, главные уравнения общей теории относительности называют уравнениями Гильберта — Эйнштейна. Сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании ОТО. Уравнения Гильберта — Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Оказалось, что там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальные тела как бы прогибают пространство и катятся по образовавшимся впадинам, минуя выпуклости. И вот что замечательно: из уравнений следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий, и он разный в различных областях пространства. В перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать или резко ускоряться.

В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу о том, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно. Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.

Строение черной дыры

Можно сказать, что гравитационный коллапсар все поглощает и почти ничего не выпускает. Собственно говоря, в этом и состоит смысл термина «черная дыра».

Внутри черной дыры располагается нечто грандиозное и загадочное, называемое сингулярностью. Само по себе понятие сингулярность очень трудно сопоставить с реалиями нашей жизни. Слово singularis в переводе с латыни означает «единственный» или «особенный» (отсюда в музыке «сингл» — одна песня).

Сингулярности возникают, когда звезды находятся в конце жизненного пути, когда ослабевают их внутренние силы. Тогда тяжесть внешней оболочки затухающего светила выигрывает борьбу с потоком ядерного излучения, и звезда начинает стремительно обрушиваться внутрь самой себя. Это звездное «схлопывание» называют гравитационным коллапсом, от латинского collapsus — упавший. В этом случае на месте звезды возникает «гравитационный коллапсар», или черная дыра, иногда ее называют более поэтично — застывшая (замерзшая, темная) звезда.

Плотность сингулярности настолько велика, что в ней нарушаются все физические уравнения. Хокинг называл сингулярные решения, когда они встречались в его моделях Космоса, «проклятием бесконечностей». Избавиться от этого физико-математического недоразумения очень трудно. Эта грандиозная задача не решена до сих пор, Хокинг полагал ее делом науки далекого будущего.

По идее черная дыра должна полностью оправдывать свое название, ведь свет вместе с засасываемой в воронку массой будет закручиваться в замкнутые спирали и навсегда пропадать для внешнего наблюдателя. При этом излучение никак не может вырваться за пределы некоторого горизонта событий. Поэтому одинокую застывшую звезду практически невозможно обнаружить на небосклоне. Другое дело, если рядом с коллапсаром оказываются газопылевые облака, звезды и планеты. Тогда черная дыра начинает прожорливо поглощать все попадающее в ее гравитационные щупальца. Единственное, что при этом остается, — рентгеновское излучение, возникающее при падении космического вещества в бездонный водоворот воронки коллапсара.

Никто еще не видел черную дыру, но астрономы уже давно говорят о застывших звездах как реальных небесных телах. Экзотические коллапсары стали еще более популярными после того, как в семидесятых годах ушедшего столетия видный теоретик Кип Торн опубликовал научно-фантастическую гипотезу о существовании вселенской сети из белых и черных дыр. Белые дыры представлялись вывернутыми наизнанку черными и должны наблюдаться как вспышки космического излучения. Торн предлагал рассмотреть коллапсары, приводящие к «короткому замыканию» пространства и времени. По подпространственным каналам, тянущимся от этих дыр, как по червоточинам, могли бы путешествовать звездолеты будущего, добираясь до самых дальних уголков Метагалактики.

Хокинг одним из первых стал рассматривать историю нашего Мира с началом в крайне загадочной точке пространства-времени под названием «космологическая сингулярность». Эта точка сингулярности соответствует воображаемому начальному моменту расширения наблюдаемой Вселенной — Метагалактики. В этой точке начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятной плотностью энергии, стремящейся к бесконечности. Естественно, бесконечность — понятие математическое, в нашем случае оно просто ограничивает схемы развития Вселенной, которые ученые называют космологическими сценариями. Что происходит в области космологической сингулярности (да и существует ли она в реальности?), не знает никто, но логично предположить, что там становятся неприменимы многие законы привычного для нас Мира, описываемые теорией относительности и квантовой физикой.

Что же может таиться в космологической сингулярности и как ее исследовать?

Для ответа на этот вопрос предлагалось немало самых удивительных гипотез рождения Мироздания. Трудно даже перечислить всех физиков, астрономов и космологов, предложивших здесь свои оригинальные идеи. Среди них выделяется оригинальностью подход Стивена Хокинга и Роджера Пенроуза. Фактически они попробовали исключить космологическую сингулярность, считая, что в нулевой момент времени происходит некий «фазовый» переход пространства-времени, и предыдущая вселенная превращается в наш Мир.

Астрофизики давно поняли, что черная дыра излучает как абсолютно черное тело, и это излучение связано с квантовыми флуктуациями виртуальных частиц вакуума. Эти частицы на мгновение расходятся друг от друга и тут же снова сливаются в пары. В поле тяготения черной дыры эти флуктуации могут резонировать, увеличивая амплитуду расхождения частиц. При этом одна из частиц может оказаться внутри сферы Шварцшильда и будет неудержимо падать к ее центру, а другая — вне сферы Шварцшильда, она улетит в космос, унося с собой часть энергии черной дыры. В результате будет возникать «излучение Хокинга», и черная дыра станет испаряться.

Открытие Хокингом квантового испарения черных дыр произвело настоящую сенсацию среди астрофизиков-теоретиков. Между тем, на практике черные дыры продолжали оставаться такими же ненаблюдаемыми, как и раньше. Объясняется это тем, что черные дыры являются неустойчивыми объектами и при своем образовании попросту исчезают из нашей Вселенной. Другое дело, что в области виртуальной геометрии вакуумные частицы могут резонировать так же, как и на обычной сфере Шварцшильда. Но этот резонанс никак не связан с гравитационным коллапсом звезд. С гораздо большим основанием его можно отнести к обычным квантовым скачкам реальных элементарных частиц из одной точки пространства в другую. А вот выбрасывание остатков вещества коллапсирующей звезды в другие вселенные действительно можно рассматривать как квантовое испарение черной дыры. Но такое испарение не имеет никакого отношения к резонансу вакуумных частиц.

Горизонт событий черной дыры считается последним рубежом: попав за его пределы, ничто не может покинуть черную дыру, даже свет. Но касается ли это информации как таковой? Будет ли она навсегда утеряна в черной дыре, как и все остальное?

Эти вопросы относятся к т. н. информационному парадоксу черных дыр, тесно связанному с излучением коллапсаров, их испарением и другими парадоксами темных звезд. Однако, когда на семинаре по гравитационному коллапсу, черным дырам и гравитационным сингулярностям профессор Хокинг подходил к теме информационного парадокса, он прежде всего обращался к понятию информации.

Когда мы думаем о напечатанных в книге словах, количестве битов и байтов в компьютерном файле или конфигурациях и квантовых свойствах составляющих систему частиц, мы думаем об информации как о полном комплекте всего необходимого для воссоздания чего бы то ни было с нуля.

Однако такое традиционное определение информации не является непосредственным физическим свойством, которое можно измерить или вычислить, как, например, это можно сделать с температурой. К счастью для нас, существует физическое свойство, которое мы можем определить как эквивалентное информации, — энтропия. Вместо того чтобы считать энтропию мерой беспорядка, о ней следует размышлять как о «недостающей» информации, необходимой для определения конкретного микросостояния какой-либо системы.

При поглощении массы черной дырой количество энтропии вещества определено его физическими свойствами. Однако внутри черной дыры значение имеют только такие свойства, как масса, заряд и угловой момент. Для сохранения второго закона термодинамики это представляет серьезную проблему.

Во Вселенной есть определенные правила, которым должна следовать энтропия. Второй закон термодинамики можно назвать самым нерушимым из них: возьмите любую систему, не позволяйте ничему в нее попасть или выйти из нее — и ее энтропия никогда внезапно не уменьшится.

Разбитое яйцо не собирается обратно в скорлупу, теплая вода никогда не разделяется на горячую и холодную части, а пепел никогда не собирается в форму объекта, которым он был до того, как сгорел. Все это было бы примером уменьшающейся энтропии, и, очевидно, ничего такого в природе не происходит само по себе. Энтропия может оставаться одинаковой и увеличиваться при большинстве обстоятельств, но она никогда не может вернуться в более низкое состояние.

Единственный способ искусственно уменьшить энтропию — ввести в систему энергию, тем самым «обманув» второй закон термодинамики, увеличивая внешнюю по отношению к этой системе энтропию на большее значение, чем она уменьшается в этой системе. Уборка в доме — отличный пример. Другими словами, от энтропии невозможно избавиться.

Так что же происходит, когда черная дыра кормится веществом? Давайте представим, что мы бросили книгу в черную дыру. Книга содержит информацию, но, когда вы кидаете ее в черную дыру, то только увеличиваете ее массу. Изначально, когда ученые начали изучать эту проблему, считалось, что энтропия черной дыры равна нулю. Но если бы это было так, попадание чего-либо в черную дыру всегда нарушало бы второй закон термодинамики. Что, конечно, невозможно.

Масса черной дыры — единственный определяющий фактор радиуса горизонта событий для невращающейся, изолированной черной дыры. В течение долгого времени считалось, что черные дыры — это статичные объекты в пространстве-времени Вселенной.

Но как вычислить энтропию черной дыры?

Эту идею можно проследить до Джона Уилера, размышлявшего о том, что происходит с объектом при падении в черную дыру с точки зрения наблюдателя вдалеке от горизонта событий. С большого расстояния нам бы казалось, что падающий в черную дыру человек асимптотически приближается к горизонту событий, все больше и больше краснея из-за гравитационного красного смещения и бесконечно долго двигаясь по направлению к горизонту из-за эффекта релятивистского замедления времени. Таким образом, информация от чего-либо, упавшего в черную дыру, осталась бы «зашифрованной» на ее поверхности.

Это элегантно решает проблему и звучит разумно. Когда что-то падает в черную дыру, ее масса увеличивается. При увеличении массы увеличивается и ее радиус, а значит, и площадь поверхности. Чем больше площадь поверхности, тем больше информации можно зашифровать.

Это означает, что энтропия черной дыры вовсе не нулевая, а как раз наоборот — огромная. Несмотря на то что горизонт событий относительно мал по сравнению с размерами Вселенной, количество пространства, необходимое для записи одного квантового бита, мало, а значит, на поверхности черной дыры можно записать невероятные объемы информации. Энтропия увеличивается, информация сохраняется, а законы термодинамики сохраняются. Можно расходиться, так?

На поверхности черной дыры могут быть закодированы биты информации, пропорциональной площади поверхности горизонта событий.

Не совсем. Дело в том, что, если черные дыры обладают энтропией, у них должна быть и температура. Как и в случае с любым другим объектом с температурой, от них должно исходить излучение.

Хокинг продемонстрировал: черные дыры испускают излучение в определенном спектре (спектр абсолютно черного тела) и на конкретной температуре, определенной массой черной дыры. Со временем это излучение энергии приводит к потере черной дырой ее массы, согласно известному уравнению Эйнштейна: E=mc^2. Если энергия испускается, она должна откуда-то исходить, а это «где-то» должно быть самой черной дырой. Со временем черная дыра будет терять свою массу быстрее и быстрее и в один момент — в далеком будущем — она полностью испарится в яркой вспышке света.

Но если черная дыра испаряется в излучении абсолютно черного тела, определенном только ее массой, что же происходит со всей информацией и энтропией, записанной на ее горизонте событий? Ведь нельзя просто уничтожить эту информацию?

Это корень информационного парадокса черных дыр. Черная дыра должна обладать высокой энтропией, включающей в себя всю информацию о том, что ее создало. Информация о падающих в нее объектах записывается на поверхности горизонта событий. Но при распаде черной дыры посредством излучения Хокинга горизонт событий исчезает, оставляя за собой только излучение. Это излучение, как предполагают ученые, зависит только от массы черной дыры.

Представим, что у нас есть две книги — об абсолютной бессмыслице и «Граф Монте-Кристо» — содержащие разные объемы информации, но идентичные по массе. Мы кидаем их в идентичные черные дыры, от которых ожидаем получить эквивалентное излучение Хокинга. Для стороннего наблюдателя все выглядит так, будто информация уничтожается, а учитывая то, что мы знаем об энтропии, это невозможно, так как нарушило бы второй закон термодинамики.

Если мы сожжем эти две книги одинакового размера, то вариации молекулярных структур, порядок букв на бумаге и другие мелкие различия содержали бы в себе информацию, при помощи которой мы могли восстановить информацию в книгах. Она может прийти в полный беспорядок, но сама по себе никуда не денется. Тем не менее информационный парадокс черных дыр представляет собой реальную проблему. Как только черная дыра испаряется, от этой изначальной информации не остается ни следа в наблюдаемой Вселенной.

Симулированный распад черной дыры приводит не только к испусканию излучения, но и распаду центральной вращающейся массы, удерживающей стабильность большинства объектов. Черные дыры — нестатичные объекты, изменяющиеся со временем. Однако на горизонтах событий черных дыр, сформировавшихся из разных материалов, должна сохраняться разная информация.

Этот парадокс представляет серьезную проблему для физики. Тем не менее есть два варианта его возможного решения:

1. Информация полностью уничтожается при испарении черной дыры, а значит, с этим процессом связаны новые физические законы.

2. Испускаемое излучение каким-то образом содержит в себе эту информацию, следовательно, излучение Хокинга представляет собой нечто большее, чем известно науке.

Большинство людей, работающих над этой проблемой, считают, что должен существовать некий способ, при помощи которого сохраненная на поверхности черной дыры информация «отпечатывается» в исходящем излучении. Однако никто пока не знает, как именно это происходит. Возможно, информация на поверхности черной дыры вносит квантовые поправки в исключительно тепловое состояние излучения Хокинга? Может быть, но это пока не доказано. На сегодня есть множество гипотетических решений этого парадокса, но ни одно из них еще не было подтверждено.

Информационный парадокс черных дыр не зависит от того, является ли природа квантовой Вселенной детерминистической или недетерминистической, какую квантовую интерпретацию вы предпочитаете, существуют ли скрытые переменные и множества других аспектов природы реальности. И хотя многие предложенные решения включают голографический принцип, пока неизвестно, играет ли он какую-то роль в итоговом решении парадокса.

Глава 4. Спор о космической цензуре

Если исходить из здравого смысла, то большая звезда неизбежно коллапсирует в черную дыру. Однако, согласно некоторым теоретическим моделям, вместо этого она может превратиться в так называемую голую сингулярность. Выяснение того, что же происходит в действительности, — одна из наиболее важных нерешенных задач астрофизики.

П. Джоши. Голые сингулярности

В сентябре 2007 года Кембриджский университет облетела необычная новость: физик Маркус Вернер решил бросить вызов «гениальному тандему» теоретиков — Роджеру Пенроузу и Стивену Хокингу Профессор Вернер рискнул опубликовать в престижнейшем журнале Nature свои мысли о том, что в нашей Вселенной вполне могут существовать еще более страшные монстры, чем черные дыры, квазары и ядра активных галактик.

Британский ученый предположил, что в глубинах космоса при определенных условиях каннибализм черных дыр может привести к их перерождению в ужасающие «голые сингулярности».

Возникновение голой сингулярности

В «обычной» сингулярности могут происходить всевозможные неизвестные науке процессы, которые никак не влияют на внешний мир. Но все это справедливо лишь для «закрытых» сингулярностей. Космологическая сингулярность открыта по своей сути, и может даже оказаться, что мы живем внутри своеобразной черной дыры.

Принципиальную невозможность разглядеть внутренности черной дыры Роджер Пенроуз окрестил в конце 60-х годов прошлого века «космической цензурой». Против космических цензоров решительно выступила группа ученых, возглавляемая индийским космологом Панкаджем Джоши. Он считал, что достаточно массивная звезда может, безудержно проваливаясь внутрь самой себя под действием силы тяжести, породить самую настоящую голую сингулярность.

Идеи Пенроуза и Джоши объединил и развил профессор Хокинг. Он считал, что в случае голой сингулярности вещество и излучение могут как попадать внутрь, так и уходить из нее, в то время как для обычной сингулярности движение возможно только в одну сторону. Таким образом, существует принципиальная возможность подобраться к обнаженной сингулярности достаточно близко, чтобы детально исследовать ее структуру. Между тем существование голых сингулярностей оказало бы очень важное влияние на современную физику.

Дело в том, объяснял профессор Хокинг, что у обнаженных сингулярностей нет сдерживающего барьера, горизонта событий. Это означает, что загадочные процессы, происходящие вблизи этих бездонных (в буквальном смысле) провалов пространства-времени, могли бы вторгнуться во внешний мир, неузнаваемо изменив Вселенную.

Таким образом, решив загадку природы сингулярного состояния материи, наука будущего не только выяснит, как произошло «нечто», подтолкнувшее досингулярную материю к рождению нашего Мира, но и откроет новые перспективы в познании окружающей нас физической реальности. Ведь кроме вселенской космологической сингулярности теоретически могут существовать и ее «младшие сестры», спрятанные внутри замерзших звезд, ядер галактик и даже элементарных частиц.

Еще один подход к исследованию космических сингулярностей профессор Хокинг предложил в цикле научных работ, созданных в конце прошлого века. Там он описывал самое глубокое дно окружающей реальности. И состоит этот «пол подвала Мироздания», по его мнению, из плетения сверхмалых струн. Подобно звукам музыки колебания этих струн образуют элементарные частицы — основу всего сущего вокруг нас.

Конечно, даже развитому физико-математическому воображению Стивена Хокинга непросто представить, как сотканная из струн мембрана нашей Вселенной парит в безбрежном океане подпространства. В этой модели Мироздания и сам Большой взрыв, возможно, был результатом взаимодействия соседних мембран. Этот сценарий казался профессору Хокингу настолько привлекательным, что он рассчитывал развить его вместе со своим коллегой Пенроузом в схему с бесконечной чередой мембранных столкновений. После взрывного взаимодействия мембраны расходятся и начинают расширяться с убывающей скоростью. Так, по Хокингу, начиналась история нашего Мира….

Еще совсем недавно у физиков существовало своеобразное «табу» на исследование пространства и времени за границей рождения Вселенной. Сейчас уже возникло довольно много теорий, описывающих, как могло выглядеть то очень таинственное нечто, в чем и возник наш Мир. Во-первых, это, конечно же, должно быть не обычное состояние иного пространства-времени. Ведь в нашей повседневной реальности вокруг нас не рождаются новые Вселенные! И даже если бы это происходило, то мы просто бы перенесли вопросы рождения Мироздания в эту старую Вселенную, а потом в еще более старую, и так далее. В математике такой процесс хождения по кругу одних и тех же понятий носит название «дурная бесконечность», и он по определению не способен дать чего-либо нового познанию. Поэтому физики и рассматривают среду, где возник наш Мир, как сверхпространство со многими измерениями.

Тут возникает очень любопытная логическая головоломка. Ведь если геометрического центра Большого взрыва не существует, и он происходил, а по некоторым теориям и происходит, «повсюду», то где-то вокруг нас и спрятано сверхпространство. Первые подозрения высказал Хокинг, обратив внимание на так называемые сугубо квантовые объекты.

Если представить наше Мироздание состоящим из этажей — масштабов, то обитать эти удивительные частицы будут на дне подвала, где-то вблизи самого фундамента Мира. Там, в кажущейся пустоте вакуума непрерывно бушуют штормы физических полей, периодически заставляя его выплескивать энергию — флуктуировать на более высокие масштабные этажи материи. При этом в сверхпространстве возникает вереница возмущений, чем-то напоминающих пузырьки в пенящейся жидкости. Внутри каждого такого пузырька существует особенный мир и течет собственное время, стрелка которого летит краткий миг от рождения до «схлопывания». Подавляющая доля таких миров-пузырьков имеет невообразимо малый период существования, но при этом они успевают проявить себя как полноценные замкнутые минивселенные.

Подойдя к образу подобных сверхмалых миров, профессор Хокинг задался вопросом: что же задержало в свое время квантовый пузырек нашей Вселенной от практически мгновенного схлопывания? Он считал, что здесь мог проявиться своеобразный эффект неустойчивости нестабильности, в силу действия которого Вселенные типа нашей являются ярко выраженными аномалиями. Первично неустойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии (образования пузырька новой Вселенной) могло привести к тому, что внутри возникшего Мира вакуум начал неожиданно менять свои свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума должен по теоретическим расчетам сопровождаться гигантским выделением энергии, результатом чего и явился Большой взрыв. Этот процесс можно представить, как своеобразный взрыв вакуума — взрыв непустой пустоты!

Естественно, что грандиозность масштаба таких взрывных процессов, скрывающихся в окружающем нас Мире, вызывают очень много вопросов к этой новой космологии, называемой сценарием Хокинга — Пенроуза.

Сам Хокинг неоднократно отмечал, что исторический опыт науки, особенно последних десятилетий, показывает плодотворность подобных попыток заглянуть за границу известного. По его словам, в последние годы возникло много новых космологических сценариев Большого взрыва и даже досингулярного периода. Разумеется, все они сугубо умозрительны и по-научному спекулятивны, однако среди них встречаются и оригинальные взгляды на возникновение окружающей физической реальности. Среди подобных концепций выделяются космологические модели, основанные на математической теории симметрий, предсказывающие, что сразу же после генерации Вселенной в катаклизме первичной флуктуации, она могла разделиться на две части.

Материальная составляющая этих половинок Мира во всех отношениях должна быть подобна, так что взаимодействовать между собой они могли исключительно гравитационными полями. Ведь все иные силовые поля, связанные с сильным, слабым и электромагнитным взаимодействием, имеют разную природу и принципиально не взаимодействуют друг с другом.

Глава 5. Темные стороны мироздания

Я не согласен с мнением, что Вселенная — это загадка, нечто не поддающееся пониманию и анализу, то, о чем можно получить лишь интуитивное представление. Я чувствую, что такое воззрение несправедливо по отношению к научной революции во всех областях мироздания, начатой почти четыреста лет назад Галилеем и продолженной Ньютоном. Два этих гения наглядно показали, что, по крайней мере, некоторые части Вселенной ведут себя не произвольным образом, а подчиняются точным математическим законам.

С. Хокинг. Черные дыры и молодые вселенные

В своих научных популяризациях, подобных «Краткой истории времени», Хокинг постепенно подводил читателей к современной картине Мира. До 1915 года пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее никак не влияет. Так обстояло дело даже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны и вечны.

В общей же теории относительности ситуация совершенно иная. Пространство и время теперь динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.

Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что-то непонятное, связанное с наличием некоей скрытой массы Метагалактики, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и астрофизиков не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи.

В этой полемике всегда активно участвовал и Хокинг. Он широко обсуждал парадоксы вращения гигантских спиральных галактик. Вместе с бывшим королевским астрономом Мартином Рисом он написал работу о далеких галактиках. В ней представлены «звездные острова» Метагалактики в образе своеобразных галактических центрифуг, выбрасывающих массу легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы — по законам Кеплера, а как части некоего пространственного галактического твердого тела, «цементируемого» гравитацией неизвестной материи.

После исследований Риса и Хокинга среди большинства ученых утвердилось мнение, что именно скрытая масса вместе с еще более таинственной темной энергией возникла почти сразу же после Большого взрыва, когда еще не существовало знакомых нам элементарных частиц и полей. Масло в огонь споров о сущности темной материи добавило открытие конца прошлого века, наглядно показавшее, что галактики, как осколки Большого взрыва, не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают именно с влиянием неизвестных «темных» частиц, наполняющих Вселенную.

Состав Метагалактики

Незадолго до ухода Хокинг писал, что несмотря на очень большое количество исследований, сказать что-то более-менее определенное о материальной основе нашего мира очень трудно. Ведь «скрытая масса» очень слабо взаимодействует с различными видами излучения, такими, как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолет. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает вполне определенной массой, взаимодействующей гравитационным образом с обычной материей звезд, планет, малых небесных тел и газопылевых туманностей.

С этой точки зрения все чаще предлагаются сценарии ранней эволюции нашего Мира, в которых темная материя играет важнейшую роль первичных гравитационных зерен. Именно подобные «темные гравиконцентраты» могли бы вызвать локальное увеличение пространственной плотности энергии. Избыточная плотность гравитации в таких областях новорожденного Мира притягивала бы к себе все окружающее вещество, превращая в зародыши будущих галактик.

Сегодня большинство астрофизиков сходится на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, а склонны добавлять к ней и совокупную массу все еще не открытых видов элементарных частиц. Они даже получили специальное название — «массивные частицы слабого взаимодействия». Теоретически они не должны проявлять себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением, а наша Галактика может быть со всех сторон облачена сферической оболочкой из таких частиц. Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», и вполне возможно, что с течением времени одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации.

Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда. Именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку», и частицы залетают на Землю реже.

Главная проблема тут в том, что еще до формирования атомов, на протяжении примерно первых трехсот тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшими энергиями бомбардировки со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков Большого взрыва, и все вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем. В этом и состоит смысл своеобразного галактического парадокса, долгое время ставившего под сомнение саму теорию Большого взрыва.

Вопрос существования темной материи до последнего времени вызывал ожесточенные споры среди ученых. Одни говорили, что это призрачный миф, другие, напротив, считали ее существование вполне закономерным. Необходимы были убедительные доказательства наблюдения этой невидимой субстанции, и одна из первых попыток была сделана при помощи рентгеновской космической обсерватории «Чандра» в исследованиях гравитационного взаимодействия скоплений галактик. Эти грандиозные космические структуры образовались сотни миллионов лет назад и в результате взаимного проникновения отдельных галактик стали пронизывать друг друга со скоростью около 5000 км / c, чтобы, в конце концов, предстать в нынешнем виде. При проникновении таких больших масс друг в друга неизбежны гравитационные флуктуации, изменяющие направление и скорость движения отдельных членов скопления и газовых облаков.

Но какие частицы составляют темную материю, пока неизвестно. Можно лишь утверждать, что это не обычные частицы, из которых состоят окружающие нас предметы, а также планеты, звезды (и мы сами); то есть это не протоны, не нейтроны и не электроны. Фундаментальная физика может предложить на роль частиц темной материи только гипотетические частицы, которые никогда еще не наблюдались в лаборатории. Они должны быть, скорее всего, довольно массивными, в тысячи раз превышая массу протона. Они не должны обладать электрическим зарядом и вообще участвовать в электромагнитном взаимодействии, им разрешено только слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад атомных ядер и, конечно, гравитационное.

Еще более странной субстанцией, чем темная материя, является темная энергия. В отличие от сгустков массивных частиц слабого взаимодействия темная энергия «разлита» по всей нашей Вселенной, равномерно заполняя и скопления галактик, и пустые межгалактические провалы космоса. Самое необычное — то, что темная энергия в определенном смысле связана с антигравитационным воздействием. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что, начиная с недалекого прошлого, Вселенная начала расширяться с возрастающим ускорением, как если бы включился некий гипотетический генератор антигравитации. Обычная гравитация с течением времени должна была бы приводить к обратному эффекту замедления разбегания галактик.

Правда, существуют и иные объяснения ускоренного расширения нашего Мира, исходящие из предположения, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такие гипотезы ведут к далеко лежащим выводам об определенной ограниченности самой общей теории относительности. По-видимому, если ее обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных.

Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики, — темной энергией.

Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном, когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению Мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статичную, вечную и неизменную физическую систему.

Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу… отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор — всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, до-эйнштейновская, физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной, притом постоянной физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения — без нее теория не допускала бы статичности мира.

Большинство современных космологов, так же, как и профессор Хокинг, однозначно связывают физический смысл космологической константы с параметрами вакуума, считая, что открытая астрономами темная энергия — это энергия вакуума. Возникли предположения, что в нем скрыто отрицательное давление, и из-за этого в веществе возникает сила, приводящая к дополнительному расталкиванию галактик. Но структура вакуума и сама по себе с физической точки зрения носит сугубо гипотетический характер.

Разумеется, отрицательное давление вакуума со всех точек зрения является совершенно необычным явлением, ведь давление в жидкости или газе, как правило, положительно. Правда, в окружающей природе тоже есть примеры отрицательного давления внутри вихрей торнадо или при взрыве объемных боеприпасов, но это требует особых условий, хотя и не является чем-то исключительным. Однако отрицательное давление вакуума — это его основное и исключительное качество.

Сама по себе возможность проявления вакуумного антитяготения следует из теории гравитации Эйнштейна, ведь согласно ей тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что эффективная плотность, создающая тяготение, складывается как бы из двух слагаемых. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает эффект антигравитации. Получается, что если поместить в вакуум две частицы, то они начнут разлетаться, как если бы всемирное вакуумное антитяготение стремилось удалить их друг от друга.

Так как по наблюдательным данным о сверхновых плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии, в наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения, и космологическое расширение обязано происходить с ускорением. Раз наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго — ничто уже не способно этому помешать. При этом средняя плотность не-вакуумной компоненты — вещества и излучения — будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда уже не возобладает во Вселенной. Доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик происходить все быстрее и быстрее.

Обратимся от будущего Вселенной к ее прошлому. Если смотреть назад по времени, то мы увидим, что плотность вещества в прошлом была больше, чем сейчас. В раннюю эпоху расширения она превосходила плотность вакуума. Был и такой момент в истории Вселенной, когда плотность вещества равнялась эффективной плотности вакуума. В этот миг тяготение вещества точно компенсировалось антитяготением вакуума: это был момент нулевого ускорения в динамической истории мира.

Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антигравитации вакуума, тем ближе становится наш Мир, как целое, к абсолютной неизменности и полному покою. В таком мире все события неразличимы, а это означает, что в нем нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен. Такой мир напоминает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштейна покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяготения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет, ведь антигравитация вакуума ничем не уравновешена, и тем не менее этот мир тоже находится в покое. Оказывается, что покой не обязательно предполагает равновесие сил — если речь идет о вакууме. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным — в отсутствие других сил.

Из всех этих данных и соображений вытекает простая картина ближнего объема Вселенной. Главные ее черты таковы: имеется центральная масса Местной группы галактик и разбегающиеся от нее ближайшие галактики, а все это погружено в однородную темную энергию космического вакуума. На достаточно больших расстояниях от Местной группы ее тяготением можно полностью пренебречь по сравнению с антитяготением темной энергии вакуума. На таких расстояниях галактики движутся на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет. Так глобальное расширение всей Вселенной и локальное разбегание галактик в ближнем объеме оказываются динамически сходными и связанными — благодаря темной энергии вакуума.

Поиски новых экспериментальных свидетельств присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной. Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и о его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды подобно тому, как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.

Парадоксальные и даже в чем-то противоречивые свойства темной энергии дали повод физикам назвать новую полевую субстанцию архаичным термином натурфилософов древности — квинтэссенция. Означает оно, что это некое новое универсальное поле фундаментального характера, но на самом деле это пока только сугубо умозрительные соображения. Есть и другие гипотезы, весьма экзотические, о том, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить в границах подобных инновационных представлений внутренне непротиворечивую теоретическую модель не удается. Теоретики не могут также предложить экспериментаторам какие-либо разумные схемы проверочных экспериментов. В целом такая ситуация, когда совершенно не видно способов проверить лабораторно хотя бы отдельные части теории, является достаточно необычной, можно сказать, даже странной для физики.

Если считать, что главной причиной ускоренного расширения пространства-времени является темная энергия, то будущее нашего Мира напрямую зависит от ее стабильности. Если таинственная антигравитирующая квинтэссенция устойчива, то через вполне определенный период все видимое пространство расширится настолько, что другие галактики скроются за горизонтом видимой части Вселенной — Метагалактики — и астрономы будущего уже никогда их больше не увидят. При этом наша Галактика примет вид гигантской черной дыры, в которую сольются в конце своего жизненного пути крупные звезды центральной части, окруженной потухшими звездами периферии. А вот если темная энергия пульсирует, будучи нестабильной, то могут быть и более оптимистичные сценарии далекого будущего.

Разумеется, футурологам хотелось бы пофантазировать на тему освоения загадки темной квинтэссенции, и здесь рано еще делать какие-либо научные прогнозы. Тем не менее, можно не сомневаться, что если темная энергия будет обнаружена в лабораторных условиях, то физики и инженеры обязательно найдут ей практическое применение.

К примеру, из антигравитирующий субстанции вполне можно было бы строить те же подпространственные червоточины, используя их в тоннелях, ведущих в иные миры… Правда, современных мечтателей несколько расхолаживают оценки астрономов для эффективной плотности темной энергии, обеспечивающей именно данное значение ускоренного расширения нашего Мира. Ведь если темная энергия распределена более-менее равномерно, то ее плотность совершенно ничтожна, составляя около 10–33 граммов в кубометре космоса, что соответствует всего лишь десятку обычных атомов. Даже сверхразряженный межзвездный газ в несколько раз плотнее.

В среде астрономов обнаружение антигравитационной квинтэссенции принесло не только радость научного открытия, но и множество трудноразрешимых проблем. Так, под угрозой оказался проверенный временем стандартный сценарий развития модели Большого взрыва. В то же время существует довольно много скептически настроенных ученых, которые вообще отказываются верить в само существование темной энергии и вызванное ею ускоренное расширение пространства. Сейчас уже можно сказать, что открытие удивительной квинтэссенции застигло врасплох не только астрономов, но и привыкших ко всяческим сюрпризам природы физиков-теоретиков, похоже, что вначале им просто нечего было предложить по существу. Пока же ясно одно: незначительная часть нашего Мира состоит из обычного вещества, включающего известные и не известные еще нам частицы, а подавляющая его часть имеет форму вакуумоподобной энергии, однородно разлитой по всей Вселенной.

Глава 6. Лабиринты мультиверса

Через миллиарды лет развитые формы разума смогут создавать новые вселенные. Возможно, они даже смогут выбирать, какие физические законы должны действовать в созданных ими мирах. Или им будет дано моделировать Вселенную такой же или даже сложнее, чем та, в которой сегодня мы полагаем свое существование.

М. Рис. Наш последний час

Большая часть ученых считает, что Вселенная родилась из сингулярности, начавшей стремительно расширяться в первые мгновения после Большого взрыва. Другая группа космологов, включая Хокинга, Пенроуза и Торна, полагает, что рождению нашей Вселенной предшествовала смерть ее «прародительницы», случившейся в ходе так называемого Большого разрыва.

Главная проблема этих теорий заключается в неполной совместимости с теорией относительности. В момент, когда Вселенная представляла собой безразмерную точку, она должна была обладать бесконечной плотностью энергии и кривизной пространства и внутри нее должны были возникать мощные квантовые флуктуации, что невозможно с точки зрения творения Эйнштейна.

Для решения этой проблемы ученые разработали несколько альтернативных теорий, в которых Вселенная рождается в иных, менее экстремальных условиях. К примеру, Стивен Хокинг и Джеймс Хартл предположили в 1983 году, что Вселенная была точкой не только в пространстве, но и во времени, и до ее рождения времени просто не существовало. Это лишает смысла вопрос о «начале» Мироздания.

Видный космолог Александр Виленкин считает, что наша Вселенная — это своеобразный пузырь ложного вакуума внутри вечного и постоянно расширяющегося Мультиверса. Там, в результате квантовых флуктуаций вакуума, постоянно возникают подобные «пузыри», рождаясь в буквальном смысле из ничего.

Обе эти теории позволяют обойти вопрос «начала времени» и несовместимости условий Большого взрыва с эйнштейновской релятивистской физикой. При этом встает новый вопрос: способны ли подобные варианты расширения Вселенной породить ее в том виде, в котором она сейчас существует, и можно ли найти следы других миров за пределами нашего?

Следующий шаг в поисках иного варианта Мультиверса в границах квантовой реальности Хокинг сделал в семидесятых годах прошлого века, изучая теоретические построения Хью Эверетта. Тут самое время вспомнить наш рассказ о самой необычной попытке объяснить вероятностный характер квантовой механики американского физика Эверетта, который предложил теорию проекций множественных вселенных. Его «многомировая интерпретация» квантовой механики описывала Вселенную в целом, т. е. в космологическом плане. В концепции Эверетта каждый раз, когда происходит взаимодействие между двумя квантовыми системами, волновая функция Вселенной расщепляется, порождая «ветвистый куст» разнообразных мировых линий, составляющих разнообразные исторические последовательности.

Согласно этой теории, существует не одна, а сразу множество вселенных, в точности подобных нашей по физическому составу материальных тел. Если мы наблюдаем за распадом какого-то радиоактивного элемента и видим, что этот распад произошел, скажем, через 5 минут, то это верно только для данной вселенной. В другой, «параллельной» вселенной его копия распадется через 10 минут, а в третьей — через 15. Иными словами, вероятность распада соответствует множеству вселенных, в которых копия распадается через данное время; сам же радиоактивный элемент ведет себя вполне однозначно и никакой статистичностью не обладает.

С самого начала вокруг теории Эверетта возникла бурная дискуссия. Ведь для тех квантовых расчетов, которыми пользуются физики при описании своих экспериментов с элементарными частицами и при создании различных квантовых приборов, совершенно безразлично, верна теория Эверетта, или нет. Но вот для квантовой гравитации, которой занимаются Хокинг и Торн, такая теория может означать очень многое.

Что же представляла собой волновая функция Вселенной? Хокинг считал, что и сам Эверетт не имел ясного представления о столь глубокой абстракции. Разумеется, он оперировал с соответствующим математическим образом и использовал довольно сложный математический аппарат. Однако реальная сущность его построений до сих пор вызывает не утихающие споры.

Надо заметить, что исторически более наглядна модельная схема, получившая впоследствии название «железнодорожная аналогия Уилера». В этой модели при квантовых измерениях перед наблюдателем как бы оказывается железнодорожная стрелка, и его «мировой поезд» может пойти в одном из нескольких направлений. В зависимости от того, в каком направлении пойдет поезд, наблюдатель увидит тот или иной результат измерения. Возможные направления поезда соответствуют альтернативным результатам измерения или различным эвереттовским мирам.

Строя свое квантовое многомирье, Хокинг оперировал сугубо космологическими понятиями, главным из которых был вектор состояния для Вселенной в целом. Нет ничего более макроскопичного, чем сама Вселенная, и в этом случае граница классичности исчезает полностью. Однако Хокинг считал, что многомировая интерпретация в своем исходном варианте реально не упраздняет границу микромакромира, а смещает ее в направлении между физической Вселенной и сознанием наблюдателя.

Иными словами, квантовая кошка Шрёдингера может быть действительно живой и мертвой в один и тот же момент времени, но в разных проекциях нашего Мира.

В этом подходе Хокинга окружающая физическая реальность рассматривается как замкнутая система, включающая и измеряемую подсистему, и прибор, и наблюдателя, словом, всю Вселенную в целом. Согласно интерпретации Хокинга, позже дополненной Пенроузом, каждый вариант развития нашей действительности описывает целый мир, и ни один из них не имеет преимущества перед другим. Имеется столько миров, сколько альтернативных результатов имеет рассматриваемое измерение, и в каждом из этих мирозданий имеется и измеряемая система, и прибор, и наблюдатель. Получается, что состояние системы, и состояние прибора, и сознание наблюдателя в каждом из этих миров соответствует лишь одному результату измерения, но в разных мирах результаты измерения различны.

Таким образом, в интерпретации Эверетта одинаково реальны все результаты измерения, но реализуются они в разных мирах. Конечно, и в интерпретации Эверетта проблема селективного выбора результата измерения все же существует, но формулируется она иначе. Выходит, что поскольку все результаты измерений одинаково реальны, то главным является вопрос о том, в каком же из эвереттовских миров оказался данный наблюдатель.

В последней работе Хокинг и его коллега Томас Эртог из Левенского университета (Бельгия) попытались дать ответ на этот вопрос, построив еще одну теоретическую модель вечно расширяющегося Мультиверса и представив ее в виде двумерной голограммы.

Главная идея этой статьи сводится к поиску следов существования именно параллельных вселенных и тому, как человечество может найти эти следы. Еще раньше вместе со своим другом и коллегой Пенроузом Хокинг предложил интересную идею о том, что в Мультиверсе каждая составляющая этот мегамир вселенная может сохранять отпечатки существования соседних вселенных. В нашем случае это могут быть некие неоднородности в так называемом фоновом микроволновом излучении Вселенной, которое называют реликтовым эхом Большого взрыва. В принципе, неоднородности микроволнового фона можно зафиксировать детекторами космических зондов. По словам самого Хокинга, эта идея дает потрясающую перспективу открытия первых следов существования иных миров…

Если «иномирье» будет открыто, то возникнут очень интересные вопросы о структуре чужих вселенных и их влиянии на нашу реальность. Первые расчеты и электронные модели показывают, что во многом кембриджский теоретик был прав, и параллельные вселенные могут быть гораздо более однообразными, оставляя свои отпечатки на микроволновом фоновом излучении Вселенной.

Глава 7. Суперструнная симфония вселенной

Согласно М-теории, наша Вселенная не является единственной в своем роде. Напротив, М-теория предсказывает существование огромного множества вселенных, созданных буквально из ничего. Их создание не требовало вмешательства какого-либо сверхъестественного существа или Бога… Согласно М-теории, у пространства-времени есть десять пространственных измерений и одно измерение — время. Идея состоит в том, что семь пространственных измерений настолько сильно искривлены, что мы не замечаем их, оставаясь с иллюзией, что все, что существует, является тремя оставшимися масштабными измерениями, с которыми мы знакомы. Один из центральных нерешенных вопросов в М-теории это: почему в нашей Вселенной не существует больше масштабных измерений, и почему какие-то измерения свернуты?

С. Хокинг, Л. Млодинов. Великий замысел

Много надежд Хокинг связывал с оригинальной теорией струн, появившейся во второй половине прошлого столетия. С ее помощью вроде бы можно было если и не устранить, то хотя бы обойти множество препятствий на пути к построению логически не противоречивой теории квантовой гравитации.

Главная идея тут в том, что элементарные частицы являются производными от бесконечно тонких одномерных объектов, называемых квантовыми струнами. Все довольно обширное семейство самых разных элементарных частиц в теории струн предстает как отражение множества возможных колебаний этих сверхмалых нитевидных объектов. На первый взгляд эта довольно бесхитростная теория уверенно описывает сложнейший мир микрочастичных взаимодействий, пользуясь принципом «магии квантовых струн». Магические свойства здесь проявляются лишь после того, как закономерности квантовой физики применяются к колеблющейся струне. Струнные вибрации должны распространяться со скоростью света, генерируя новые свойства, характерные не только для микромира элементарных частиц, но и для мегамира квантовой космологии.

Читая лекции, Хокинг обычно наглядно представлял струнную абстракцию в виде образа магнита, покрытого слоем мелких железных опилок, выстроившихся вдоль магнитных силовых линий. Если полюса магнита раздвинуть на значительное расстояние, намного превышающее размеры самого магнита, то слой опилок обратится в своеобразный жгут силовых линий. Если взять немагнитный щуп и осторожно потрогать «магнитно-силовой» жгут, то выяснится, что, будучи отклоненным в сторону, он упруго восстанавливает свою форму. Итак, получается, что он обладает некоторой упругостью и его вполне можно было бы назвать полевой магнитной струной. Точно такая же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками.

В 70-х годах прошлого века Хокинг увлекся «микрокосмическими» моделями сверхэлементарных частиц и в очередной раз вплотную столкнулся с проблемой геометризации своих построений. Через некоторое время он пришел к мысли, что если в микромире существуют сверхэлементарные объекты, входящие в кварки и глюоны, то они должны совершенно по-особому вписываться в пространство микромира. В первую очередь это касается неких «силовых струн», которые особым образом связывают привычные для нас микрочастицы, не давая им разойтись в пространстве и стать отдельными объектами. Подобно тому как кварки и глю оны не могут проявлять себя вне связанного внутри элементарных частиц состояния, струны также являются вечными пленниками тех же кварков и глюонов. Впоследствии Хокинг предложил оригинальный образ «хромосом мира», которые выглядят как некие жгуты напряженного поля и могут существовать в несвязанном состоянии.

Надо отметить, что Хокинг всегда отмечал «поэтичность» суперструнных представлений. Выступая на конференциях, симпозиумах и семинарах, он часто употреблял образ суперструнного оркестра, в котором набор возбужденных струн звучит настоящим вселенским крещендо, заполняя вакуум потоком звуков — элементарных частиц.

При этом сверхмикроскопические струны могут сливаться и разрываться, генерируя все новые и новые поколения струнных объектов. Так могут возникать замкнутые кольца из дочерних струн, и более сложные переплетающиеся фигуры из силовых нитей с очень своеобразной топологией. И конечно же, важнейшее свойство струнных образований — это сами колебания силовых нитей, в ходе которых, точно так же, как это происходит со струнами музыкальных инструментов, в них возбуждаются самые разнообразные полевые обертоны. И в полном соответствии с этой звуковой аналогией обертоны могут отделяться от колеблющихся струн, распространяющихся в окружающем вакууме, как цуги волнового процесса.

Изначально в теории струн видели вероятного кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале 70-х годов прошлого века концепции кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, струнная модель явно стала проигрывать объединяющей модели кварков. На этом фоне теория струн выглядела довольно экзотично, не выделяясь особой внутренней логической стройностью, не получила экспериментальных результатов. К тому же эта инновационная теория сразу столкнулась с трудными требованиями для размерности пространства, ведь ее модель была математически корректна только для многомерного пространственно-временного континуума.

Ко всему прочему выяснилось, что ввод в теорию струн спина приводит к ее корректной реализации только в пространстве-времени с девятью пространственными и одним временным измерением. Это было очень необычно, поскольку теоретикам еще не встречались теории, автоматически диктующие требуемую размерность. Ведь все известные уравнения механики, электродинамики и теории относительности в принципе справедливы для самого разного количества измерений. А вот теория суперструн требовала для своей реализации пространства-времени строго определенной размерности, к тому же с несколькими лишними измерениями, никогда не встречающимися в окружающей нас физической реальности.

В данной ситуации такие физики-теоретики, как Хокинг, Вайнберг и Пенроуз стали «конструировать» квантовую версию релятивистской гравитации. При этом они опирались на то, что соответствующие уравнения теории Эйнштейна содержат в себе решения, соответствующие неким гравитационным волнам. При квантовании они превращаются в кванты гравитационного поля — гравитоны, переносящие гравитационное взаимодействие. Топологически модель гравитона представляет собой нечто, напоминающее закольцованную струну. Гравитонные закольцованные струны по идее должны легко преодолевать границы нашего трехмерного пространства, перемещаясь в иные измерения. Но если эти странные «агенты влияния» гравитации способны на подобные «подпространственные» перемещения, то их геометрия вполне может описываться специальным классом еще не найденных решений.

То, что мы этого не видим, прежде всего свидетельствует о том, что дополнительные измерения очень хорошо спрятаны в глубинах нашего Мира. Этот образ скрученных до сверхмикроскопических размеров струнных колец и клубков называют компактификацией дополнительных измерений. Читая спецкурс «Теория гравитации», Хокинг подчеркивал: важно понимать, почему мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений. При этом он считал, что эти компактифицированые «свертки» ультрамикроскопических клубков, которые принципиально невидимы даже при рассеянии частиц на сверхмощных ускорителях, практически ничем не отличаются от образа безразмерной геометрической точки.

При этом теория предсказывала, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот, в 70-х годах прошлого века, появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели напрямую сопоставлялась с гравитоном. Таким образом, Хокинг считал, что теория струн представляет собой математический каркас для квантовой теории тяготения.

Что обещало дальнейшее развитие теории струн?

Уже сейчас «струнные» работы привели ко многим интересным побочным результатам в математике, включая создание новых структур, а также инновационных идей и методов их решения. На последних конференциях, посвященных различным аспектам струнной теории, Хокинг часто встречал физиков-теоретиков и математиков, совместно докладывающих свои исследования в области алгебраической геометрии.

Хокинга как космолога в теории струн больше всего интересовал вопрос создания оригинальных суперструнных сценариев рождения и эволюции нашего Мира. Хокинг полагал, что Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе этого лежит идея о том, что поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство-время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего Мира.

Конечно, тут возникали очень интересные вопросы. Во-первых, что же предшествовало появлению суперструн в сверхмикроскопическом пузырьке — зародыше нашей Вселенной. Во-вторых, как повлияли микро-мега-суперструны на эволюцию Вселенной, а также изменение их физических характеристик при этом. С помощью гипотезы мегаскопических суперструн Хокинг пробовал объяснить и переход этапа равномерного расширения в ускоренное около 8 миллиардов лет назад. По его мысли суперструны на всех этапах своего «растяжения» каким-то образом должны были взаимодействовать и с таинственными темной материй и энергией, хотя бы по той простой причине, что они составляют основное содержание Метагалактики. А поскольку исследование этих загадочных субстанций идет полным ходом во многих направлениях, появляются некоторые надежды и на экспериментальное подтверждение столь экзотической теории. Во всяком случае для объяснения новых эффектов на сверхмощных ускорителях и для наблюдений галактических аномалий появляются новые очень необычные аргументы одной природы.

Теория струн также мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально считалось, что дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованы в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной бране — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно, даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации «экстрапространства».

Глава 8. Чудеса М-теории

Согласно М-теории, наша Вселенная не единственная. М-теория предсказывает, что из ничего было создано огромное множество вселенных. Для их сотворения не требуется вмешательства сверхъестественного существа или Бога. Скорее, эти многочисленные вселенные возникают естественным путем по законам физики. Они являются научным предсказанием.

С. Хокинг, Л. Млодинов. Высший замысел

За полвека существования струнная парадигма прошла несколько взлетов и падений. Не менее четверти века с ней активно работал Стивен Хокинг. Участвовал кембриджский теоретик и в создании ответвления, широко известного даже среди дилетантов, как «М-теория». Это доминирующее сегодня теорфизическое направление основывается на концепции многомерных мембран. По меткому выражению приятеля Хокинга Хуана Малдасены, мембраны отличаются от струн примерно так же, как макароны от лепешек.

Согласно М-теории, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей, и внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны, обладающие р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной. Как же происходит переход от суперструн к мембранам?

На лекциях Хокинга это выглядело как настоящее квантовое волшебство: по мановению лазерной указки, скользящей по схемам, многомерная суперструна сворачивается в замкнутый контур и превращается в… многомерный тор!

Разумеется, для постороннего зрителя подобные топологические эволюции пространства-времени выглядят совершенно фантастично. Выходит, что прав профессор Хокинг, и в квантовых глубинах Мироздания физическая реальность скачкообразно непредсказуема и переменчива, к тому же сама граница между непрерывным и дискретным размыта. По его словам, там, в невообразимой глубине материи непрерывно бушует океан энергии, и человек когда-нибудь научится управлять этим неисчерпаемым ресурсом…

Образ вибрирующей струны или мембраны как геометризованного базиса всех элементарных частиц в общем-то довольно ясен, если, конечно, опустить сверхсложный математический аппарат. Вообще же говоря, на момент ухода выдающегося теоретика, физики еще далеко не полностью построили из струн и бран здание М-теории.

Подобным образом можно представить и браны более высоких размерностей, причем колебания струн здесь заменяются вибрациями мембран. Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно прийти к выводу, что в основе всего этого лежит единая теория многомерных квантовых мембран. Эта единственность очень привлекательна, так что работа над построением полной квантовой М-теории продолжается.

Вскоре после всесторонней разработки концепции многомерных квантовых мембран научные и популярные журналы заполнили прогнозы о близости окончательной победы в борьбе с тайнами Мироздания. Однако вместо этого, при очередных попытках получить всеобщие закономерности нашего Мира, разразился очередной грандиозный кризис теории струн. Суть кризиса в теории суперструн состоит, вкратце, в следующем. М-теория описывает «жизнь» протяженных объектов в 11-мерном пространстве-времени при очень высокой температуре. 11-мерное пространство — это не прихоть, а единственный способ удовлетворить сразу всем налагаемым условиям. Если мы хотим получить из этой теории свойства нашего мира, то мы должны постепенно понижать температуру и смотреть, что происходит с этим 11-мерным пространством и летающими в нем объектами.

Получается, что 7 из 11 измерений становятся неустойчивыми и спонтанно сворачиваются в сверхмикроскопические замкнутые структуры, оставляя макроскопическими только три пространственных измерения плюс время — четырехмерное пространственно-временное многообразие нашей реальности. Детали этого механизма еще не изучены, и на сегодняшний день кажется, что в теории суперструн возможно огромное число разных конфигураций свернутого пространства. Каждая такая конфигурация приведет к «конечной вселенной» со своими характеристиками: силой взаимодействий, массами частиц и т. д. Всю эту совокупность конечных вселенных, которую можно получить из одной-единственной теории путем разных «сверток», физики назвали ландшафтом теории.

Теория струн началась со сверхмалых — «планковских» — масштабов, лежащих за трудновообразимой гранью в 10–33 см, однако совершенно неожиданно появились умозрительные идеи, связанные со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально мы считали дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованными в некие сверхмалые образования с размерами не более планковских. Но, как писал в одной из последних своих космологических работ Хокинг, некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными. Мы не воспринимаем эти колоссальные образования, потому что наш Мир прикован к трехмерной бране — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно, даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — это детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Примечательно, что подобные умозаключения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты на строящихся сверхмощных ускорителях элементарных частиц могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По одной из версий Хокинга, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных струн в обычных частицах.

Один из последних суперструнных вариантов Хокинга заключался в том, что Метагалактика — видимая часть Вселенной — заполнена космическими струнами галактических или даже межгалактических размеров. Профессор Хокинг даже высказал идею, что подобные струны могут быть ответственны за «соты Метагалактики» — ячеистую структуру, сформированную гигантскими скоплениями галактик.

Хокинг объяснял, что для растяжения сверхмикроскопических струн до космических масштабов требуется трудновообразимая энергия, и ее могло дать только само расширение пространства. Но согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, вся наблюдаемая сегодня Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания этой области струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь буквально метагалактическую протяженность. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущих от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть уже на новом детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

Однако и макроскопические новые измерения, и космические струны — гипотезы слишком умозрительные с точки зрения современной теории струн. Мы определенно не можем утверждать, что вероятность их подтверждения сколько-нибудь велика. Однако они дают важный стимул к экспериментам по поиску новых эффектов на БАК и гравитационно-волновых детекторах и указывают на осязаемость близкой перспективы (хотя лично я считаю ее крайне маловероятной) прямого наблюдения струнных эффектов в лабораториях или обсерваториях.

Один из ведущих струнных теоретиков современности Дэвид Джонатан Гросс в своем физико-математическом эссе «От частиц к струнам» решительно утверждает, что теория струн представляет собой теорию нового типа, олицетворяющую разрыв физики со своей прошлой историей. Традиционно мы добивались прогресса в фундаментальной физике за счет зондирования материи на все меньших расстояниях и обнаружения там все более фундаментальных ее составляющих. За века мы узнали, что материя состоит из атомов, а атомы из плотных ядер, окруженных электронами, которые даже сегодня представляются нам неделимыми точечными частицами. Однако само ядро имеет структуру. Заглянув внутрь атомного ядра, мы выяснили, что оно состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. В прошлом столетии мы прозондировали протон и нейтрон и открыли, что они состоят из кварков — казалось бы, по-настоящему точечных частиц. Стандартная модель как раз и основана на кварках и лептонах в качестве точечных элементарных частиц. Казалось бы, следующая стадия объединения будет связана с выявлением еще более мелких точечных частиц, неких субкварков и сублептонов. Однако на этот счет теория струн однозначно отвечает «нет». Если бы у нас был некий идеальный микроскоп с разрешением на уровне длины Планка, то вместо точечных частиц мы бы увидели в него протяженные струны. Это важный разрыв с исторической традицией, складывавшейся в течение двух тысячелетий.

По мнению профессора Хокинга теория струн многое обещает нам в будущем. Она надеется окончательно объединить все силы природы, выработать новые концепции пространства и времени, разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это амбициозные цели, и на их осуществление может уйти много времени. Хокинг считал, что потребуется революция в наших представлениях о пространстве и времени. Он предсказывал, что теория струн продолжит углубляться в различные области теорфизики.

Главная проблема опытного подтверждения теории струн в ее сверхмалом содержимом, для экспериментов с которым требуется колоссальная энергия ускорителей элементарных частиц и чувствительность их детекторов. Правда, в последнее время появился ряд интересных предложений об использовании в опытной проверке теории струн поразительного явления квантовой запутанности. Дело в том, что «запутанные» квантовые частицы вроде бы могут «телепатически» мгновенно реагировать на изменение состояния друг друга. Сразу заметим, что основы теории относительности здесь не разрушаются, поскольку ни материя, ни информация при этом со сверхсветовой скоростью не передаются.

Это очень необычное явление в квантовом мире было многократно проверено в ряде довольно тонких опытов, и на его основе даже возникла новая прикладная наука — квантовая информатика с криптографией, живущая в ожидании появления фантастических по своим качествам компьютерных систем и линий связи.

В принципе, даже неважно, какая дистанция разделяет сцепленные квантовые частицы, — при изменении состояния одной из них меняется состояние другой. Это явление получило громкое, но маловразумительное название из научно-фантастических произведений: «квантовая телепортация». Есть тут и сомнения в правильности интерпретации экспериментальных методик, но в целом об этом замечательном квантовом эффекте можно рассказывать очень много и долго, поэтому наиболее любознательным читателям стоит порекомендовать книгу автора «Просто квантовые чудеса» (СПб: Страта, 2018).

Итак, может ли теория струн, а точнее — ее самое развитое и расширенное толкование — М-теория, претендовать на объединение идей теории относительности и квантовой механики, и стать шагом к окончательной и долгожданной «Теории Всего»?

Несмотря на бурное развитие теории струн в последние десятилетия, она пока еще остается чисто теоретической конструкцией. Никто и никогда не только не поставил ни единого эксперимента, но и, по большому счету, не знает, как к этому подступиться… Так что, в отличие от той же теории относительности или квантовой механики, М-теория является сугубо умозрительным построением или чистой воды научной спекуляцией, правда, снабженной весьма солидным математическим аппаратом.

Изначально в тех же струнных моделях видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века теории сверхэлементарных кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков.

В данной ситуации казалось, что моделям ПКГ и М-теории суждено остаться чисто умозрительными построениями. До этого физики-теоретики много раз пытались создать основы квантовой версии релятивистской гравитации, опираясь на то, что уравнения теории Эйнштейна предсказывают существование гравитационных волн, и переносчиков сил тяготения — гравитонов. При этом теория предсказывала, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот, в 70-х годах прошлого века появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели и сопоставлялась с гравитоном! Отсюда следовало, что теория струн — это математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения, и ее основная задача — объединить все фундаментальные взаимодействия в Теории Всего.

Надо честно признать, что, несмотря на прогнозы о близости окончательной победы над тайнами строения фундамента Мироздания, заполняющие научно-популярные журналы, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран, это даже не проверка их реальности (об этом пока и речи не идет), а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как-то могли бы себя проявить.

При этом математические формулы, описывающие поведение, скажем, трех квантово-сцепленных частиц, весьма напоминают описание определенного класса коллапсаров в М-теории. Хокинг всегда убеждал, что подобное сходство никак не является простым совпадением и наверняка отражает что-то очень важное в основе Мироздания. Трудно сказать, насколько сбудутся оптимистичные прогнозы, и струнным теоретикам посчастливится открыть некую чрезвычайно важную деталь Великого Объединения. Но даже после смерти главного автора идеи определенные надежды сохраняются…

Глава 9. Миры-частицы

Каждая Вселенная имеет множество предысторий и множество возможных будущих состояний, то есть времена, подобные настоящему, спустя долгий срок после их возникновения. Большинство из этих состояний будут значительно отличаться от условий той Вселенной, которую мы можем наблюдать, а также будут слабо подходить для существования любой формы жизни. Только малая часть из них позволит созданиям, подобным нам, существовать. Таким образом, наше присутствие выбирает из этого огромного массива только те вселенные, которые совместимы с условиями нашего существования. Это дает нам ощущение себя как венцов творения, хотя мы слабы и незначительны.

С. Хокинг, Л. Млодинов. Великий замысел

Читая в Британском музее общедоступный цикл лекций об истории современной науки, Хокинг начинал рассказ о квантовой механике с вопроса, которым философы-метафизики задавались еще два с половиной тысячелетия назад: что будет, если дробить вещество все мельче и мельче? Есть ли пределы у подобного измельчения и каковы наименьшие размеры могут быть у частицы вещества? Это была, пожалуй, одна из самых трудных, поистине головокружительных проблем. Здесь можно вспомнить удивительное суждение греческого философа Анаксагора, утверждавшего в V веке до н. э., что в каждой частице, какой бы малой она ни была, есть города, населенные людьми, обработанные поля, светит солнце, луна и другие звезды.

В те далекие времена это вызывало только насмешки большинства, ведь и сейчас трудно согласиться с подобными утверждениями и вместить масштабы нашего мира в ничтожно малый объем атомов или даже элементарных частиц. Ведь масштабы видимой Вселенной — Метагалактики — завораживают. В одном нашем Млечном Пути насчитывается порядка 200 миллиардов звезд, а ведь подобных галактик десятки миллиардов! Неудивительно, что сопоставить сверхбольшое сверхмалому даже умозрительно очень трудно.

Тем не менее, подобной игре воображения предавались многие известные физики. Например, Нильс Бор в начале прошлого века объяснял планетарную модель строения атома, получившую название «атом Бора», с помощью аналогии, где электроны представали планетами, вращающимися вокруг солнца — атомного ядра. При этом он полусерьезно утверждал, что в планетарную модель атома вполне могут входить сверхмикроскопические обитатели планет-электронов. Они могут быть разумны и создать свою атомную физику, а потом вдруг обнаружить, что и их атомы также являются маленькими планетными системами…

Рассказывая на лекциях о сингулярном состоянии материи, Хокинг всегда останавливался на работах петербургского математика и физика Фридмана. В далеких 20-х годах прошлого века Александр Александрович заинтересовался общей теорией относительности. Развивая свои идеи, он показал, что при определенных условиях из математической точки может развиться новая Вселенная с мириадами звезд и галактик.

Согласно Эйнштейну, геометрические свойства пространства реального мира существенным образом зависят от того, как распределена в нем материя. Другими словами, окружающий нас мир, подобно изогнутому листу бумаги, обладает кривизной, и эта кривизна связана с гравитационным полем, все определяет плотность вещества. Если она достаточно велика, то все метрические соотношения привычной для нас геометрии Евклида меняются неузнаваемым образом! И весь Мир может стянуться в точку… Все это и послужило исходным материалом для гипотезы о том, что, возможно, вся наша Вселенная с мириадами галактик и биллионами звезд является микроскопической системой с размерами элементарной частицы! Подобные частицы в честь Фридмана были названы фридмонами.

В свою очередь Хокинг, исследуя связь свойств материи и пространства, пришел к выводу, что она может осуществляться на сверхглубоком, квантовом уровне, где могут быть спрятаны не только дополнительные измерения, но и целые миры-частицы… Поэтому на передний план выступили кембриджские теоретики, которые создали совершенно парадоксальный математический образ подобного мира, назвав его в честь отца-основателя квантовой физики Макса Планка: планкеон.

Наряду с другими вариантами «частиц-миров», вроде фридмонов, они входят в класс максимонов, образуя очень странные и полностью замкнутые миры, по идее, никак не проявляющие себя во внешнем пространстве. Из него не проникают наружу ни поля, ни световые лучи, и для стороннего наблюдателя он просто неотличим от окружающего пространства, не имея ни размеров, ни массы, ни электрического заряда. Таким образом, Хокинг получил совершенно фантастическую картину.

В ней вся наша Вселенная со всеми ее звездами, галактиками и туманностями оказывается замкнута в планкеонную оболочку. Впрочем, планкеоны как и фридмоны вовсе не обязательно должны заключать в себе только гигантские метагалактические структуры. Их содержимым могут быть и отдельные галактики, светила и даже планеты…

Более того, если исходить из теории Хокинга, получается, что любая элементарная частица в принципе может оказаться входом в иные миры. Проникнув через ее поверхность, мы можем очутиться в иной Вселенной с трудновообразимым содержимым, причудливыми галактиками, населенными странными цивилизациями. Оглянувшись же назад, мы бы увидели, что наша родная Вселенная сжалась до микроскопических размеров. Если бы мы захотели вернуться, то пришлось бы снова проделать весь путь по коридору между мирами. Путешествуя по различным планкеонам, мы встречали бы каждый раз новую реальность, и наше путешествие по иным мирам могло бы продолжаться до бесконечности. Интересно, что такие путешествия могли бы привести не только к перемещениям в пространстве, но и во времени.

Полностью замкнутый мир, по идее Хокинга, не проявляет себя вовне: из него не проникают наружу даже световые лучи. Значит, снаружи он должен представлять для стороннего наблюдателя нечто, не имеющее ни размеров, ни массы, ни электрического заряда.

Быть может, и наша Вселенная, по словам кембриджского теоретика, со всеми ее звездами, квазарами, галактиками и их скоплениями представляет всего лишь внутренний мир одного из максимона. Впрочем, миры-частицы не обязательно должны заключать в себе только гигантские мироздания. Их содержимое может быть и более скромным: например, содержать в себе одну лишь галактику или планетную систему…

С точки зрения физиков-теоретиков планкеоны и фридмоны представляют собой вполне математически реальные объекты и без каких-либо дополнительных гипотез их можно получить как решения систем уравнений релятивистской гравитации… Но как же все-таки Вселенная может сжаться до размеров атома? Вместе с другими кембриджскими теоретиками и Роджером Пенроузом Хокинг сумел показать суть процессов, «свертывающих» в единое целое масштабы макро- и микромира, наглядно демонстрируя возможность своеобразного космологического подхода к теории элементарных частиц.

Поразительно, но гипотеза Хокинга даже допускает опытную проверку. Для того чтобы наша Вселенная выглядела одной из разновидностей максимона, надо всего лишь, чтобы она имела некоторую строго определенную плотность материи, где-то в пределах 10–29 грамма в кубическом сантиметре. Пока данные о регистрируемой средней плотности несколько ниже — примерно 10–30 грамма в кубическом сантиметре, но это значение лежит в пределах допустимой погрешности. Разумеется, пока еще удивительные планкеоны и фридмоны являются лишь предвидением теоретика. Наука сейчас не может ответить, тождественны ли максимоны каким-то уже известным частицам, например протонам, или же это что-то совершенно новое, что еще только предстоит открыть опытным путем. Но как бы там ни было, концепция миров-частиц уже значительно обогатила квантовую космологию.

Чтобы хоть как-то представить себе необычный мир фридмонов, давайте совершим мысленное путешествие, которое некогда придумал Хокинг для одной из своих научно-популярных лекций.

Когда-то великий английский физик XVIII века Джеймс Кларк Максвелл ввел в обиход умозрительных физико-теоретических построений воображаемое существо, впоследствии названное демон Максвелла. Ему доступно все: наблюдать отдельные атомы, сортировать их, летать со сверхсветовыми скоростями… Представим, что этот демон, отправившись из центра нашей Вселенной, фридмона, начинает свое путешествие.

Демон встретит на своем долгом пути звезды, галактики, скопление галактик и скопление из скоплений… Но вот он приблизится к чудовищной воронке, соединяющей Вселенную фридмона с внешним миром. Пролетев через горловину наружу, максвелловский демон с удивлением обнаружил бы, что его родная Вселенная представляет теперь собой… всего лишь микроскопический объект. Так может быть, стремясь в космические дали, мы поднимаемся вверх по лестнице, идущей вниз? Что, если бесконечность мира скорее похожа на круг, где сколь угодно малые величины в то же время являются бескрайне большими?

Если наша Вселенная представляет собой замкнутый мир, то взаимное притяжение всех находящихся в нем тел — звезд, межзвездного газа и пыли, галактик и их совокупностей — будет в точности равно энергии их общей массы. Другими словами, будет существовать полное равенство инертной и гравитационной энергии. Так огромная Вселенная может оказаться почти в замкнутом мире, а ее внешние размеры могут быть микроскопическими и даже нулем.

Разумеется, так кажется внешнему наблюдателю: малая масса локализована внутри сферы микроскопически малого радиуса. Для наблюдателей же изнутри все выглядит совершенно по-другому: внутри этой кажущейся малой сферы в принципе может помещаться целая Вселенная со всеми своими галактиками, звездами и скоплениями галактик. Возможность существования подобных объектов вытекает из общей теории относительности. Теория допускает существование неограниченного числа фридмонов, а если учесть, что последние астрономические данные говорят о том, что во Вселенной может существовать электрически нейтральная скрытая масса, то вполне возможно, что и мир, в котором мы живем, не что иное, как фридмон.

Впрочем, фридмоны не обязательно должны заключать в себе только гигантские мироздания. Их содержимое может быть и более скромным: например, содержать в себе всего лишь одну галактику, звезду… А также несколько граммов или даже несколько сотых грамма вещества. Самое удивительное, что при всем этом все фридмоны внешне могут выглядеть совершенно одинаково. В таком случае, казалось бы, в природе должны встречаться частично замкнутые миры самых различных размеров, по крайней мере при наружном наблюдении. Ну а поскольку трудно представить себе, что огромная Вселенная имеет микроскопический электрический заряд, то фридмон, включающий в себя огромные миры, вроде бы должен иметь весьма малое распространение. Тут природа как бы проявляет симпатию к этому удивительному феномену.

Согласно расчетам Хокинга, почти замкнутая система с большим электрическим зарядом должна быть неустойчива. Чтобы обрести эту самую устойчивость, она стремится во что бы то ни стало выбросить из себя избыток электричества. Причем тот заряд, при котором система приобретет хотя бы хрупкое равновесие, должен быть как раз микроскопический, близкий к заряду, которым обладают многие элементарные частицы.

Таким образом, получается, что если пространство в какой-то момент времени и обладало большим зарядом, то через некоторое время заряд этот неизбежно уменьшится. А значит, соответственно сократятся размеры и масса пространства, каковыми они предстают перед сторонним наблюдателем. То есть, говоря проще, согласно математическим выкладкам получается, что стягивание гигантских миров в точку вполне вероятно.

Все эти и другие фантастические рассуждения не должны в принципе противоречить главной на сегодняшний день теории пространства-времени — ОТО, показывающей, как именно геометрические свойства нашего Мира зависят от распределения в нем материи. Проще всего было бы вспомнить двумерный мир, населенный плоскунами Хокинга. В этой модели Вселенная имеет вид изогнутого эластичного листа, кривизна которого определяется плотностью вещества, проявляя себя как гравитационное поле. Тогда вблизи гигантских масс все метрические соотношения привычной для нас геометрии Евклида будут меняться самым неузнаваемым образом, и весь Мир действительно может стянуться в точку…

Как-то раз на кафедральном семинаре Хокинга с участием Пенроуза и Торна в ходе мозгового штурма возникла идея о том, что максимон может проявить себя и как черная микроскопическая дыра. Правда, из такого его толкования на первый взгляд следует, что говорить о наличии какого-то внутреннего объема не имеет смысла, поскольку вся материя в процессе гравитационного коллапса должна превращаться в гравитационные волны.

В ходе обсуждения Хокинг заметил: необходимо учитывать обстоятельство, что далеко не вся материя коллапсирующей звезды превращается в гравитационные волны. Значительная часть первичного вещества, и, прежде всего, элементарные частицы, могут сохранять свою массу покоя. В процессе гравитационного коллапса эта часть вещества звезды увлекается гравитационными волнами в область виртуальной геометрии и уже из нее выбрасывается в другую вселенную (или в другую точку нашей Вселенной). Такую возможность вполне можно рассматривать как выбрасывание вещества звезды внутрь максимонов, принадлежащих этим вселенным.

При этом Торн дополнил утверждение Хокинга соображением о наличии у планкеонов конкретного внутреннего объема, поскольку в качестве миров-частиц могут рассматриваться не только вселенные с иной пространственной геометрией, но и с иными измерениями пространства-времени. Такая точка зрения, уточнил Пенроуз, автоматически объясняет устойчивость многомерной структуры миров-частиц. Нельзя говорить, устойчива или неустойчива эта структура, поскольку друг от друга подобные параллельные вселенные отделены областью виртуальной геометрии, где нет аналогов нашим понятиям, основанным на совсем иной физической реальности.

Хокинг подвел итоги мозгового штурма: первое, что следует из нашего толкования миров-частиц — это то, что в области виртуальной геометрии многомерные миры совершенно неотличимы от элементарных частиц. Хотя бы потому, что при этом относительны не только их пространственные и временные размеры, но и сами критерии, по которым вселенные отличаются от элементарных частиц. Пенроуз добавил: обособленность многомерных вселенных может быть не только полной, но и частичной, что позволяет наблюдать их во внутреннем пространстве какой-нибудь одной вселенной. Просто там, где эти вселенные связаны друг с другом, виртуальная геометрия частично утрачивает неопределенные метрические свойства, а значит и допускает в какой-то мере обычное наблюдение. Именно такие области физической реальности с частично нарушенной виртуальной геометрией и можно отождествить с «горловинами миров», связывающими отдельные «микроскопические вселенные».

Торн заключил: получается, что если пространство в какой-то момент времени и обладало большим зарядом, то через некоторое время заряд этот неизбежно уменьшится. А значит, соответственно сократятся размеры и масса пространства, каковыми они предстают перед сторонним наблюдателем. То есть, согласно математическим выкладкам, получается, что стягивание гигантских миров в точку вполне вероятно.

Развивая тему квантового многомирья, Хокинг решил посвятить следующий кафедральный семинар многомировой интерпретации квантовой механики, сравнимой по фантастичности вводимых понятий разве что с гипотезой миров-частиц.

Свое выступление профессор Хокинг начал довольно необычно, погрузив слушателей в интеллектуальную атмосферу середины ХХ века. Тогда, по его словам, среди всяческих экстрасенсов, медиумов и прорицателей поползли странные слухи. В основном они сводились к тому, что кто-то где-то слышал, будто ученые наконец-то доказали реальность существования паранормального мира, в котором правят законы магии. Более информированные даже произносили умные, но и им самим непонятные слова, о новой реальности квантового мира. В конце концов к обсуждению подключились научно-популярные журналы и передачи, и тогда выяснилось, что речь идет о новой парадоксальной теории, предсказывающей одновременное существование множества различных Вселенных. Несмотря на кажущуюся фантастичность, эта идея быстро прижилась среди физиков. В дальнейшем она получила развитие, и термин Мультиверс замелькал на страницах солидных научных журналов. Сейчас уже многие теоретики полагают, что когда-нибудь в далеком будущем из подобной «научно-фантастической физики» вполне могут возникнуть новые представления о фундаменте нашего Мироздания.

В конце прошлого века существовало три версии иномирья: разные проекции нашего Мира, параллельные вселенные и миры-частицы. Однако первой вошла в физику парадоксальная многомировая интерпретация квантовой теории, которую в 1957 году предложил Хью Эверетт, аспирант знаменитого космолога Джона Уилера.

Эверетт обратился к анализу одного из основных принципов квантовой теории, который прекрасно объяснил выдающийся физик Георгий Гамов. В его научно-популярной книге «Мистер Томпкинс в стране чудес» описывается охота в «квантовых джунглях». Там охотники стреляют по расплывающимся силуэтам «квантовых зверей» (микрочастиц), которые после попадания «пуль» (измерительных приборов) материализуются в неподвижную «дичь» (видимый результат измерений).

Если продолжить аналогии Гамова, то охота в «многомировых квантовых джунглях» выглядела бы следующим образом. Перед охотниками скакали бы табуны зверей — частиц, а каждая пуля «реализовывала» бы охотников вместе с жертвой в одной из бесконечного множества параллельных и равноправных «копий» нашего Мира. Получается, что интерпретация Эверетта описывает единый квантовый Мультиверс, который представляет собой наложение бесконечного числа всех возможных состояний. В случае «квантовой охоты», описанной Гамовым, Мультиверс разбивается на бесчисленные классические «срезы» нашей реальности, в каждом из которых есть свои охотники — экспериментаторы и звери — мишени, за которыми следят независимые наблюдатели. При этом любой возможный результат «охоты» (конкретного измерения) с разной степенью вероятности реализуется в той или другой из этих альтернативных мировых проекций.

В определенном смысле интерпретация Эверетта выглядит несколько проще традиционной теории, но за это приходится платить, допуская невероятную картину постоянного расщепления квантового Универсума на бесчисленное множество классических миров. Как некогда писал Мартин Рис, один из ведущих астрономов Великобритании: «Когда я впервые познакомился с теорией Эверетта, то сразу же ощутил ее парадоксальность, оригинальность и элегантность. Затем я представил, как каждое мгновение расщепляюсь на биллионы биллионов копий. От этого слегка кружится голова и начинаешь ощущать себя истинно научным шизофреником…»

Между тем, похоже, что многомировая интерпретация принципиально не проверяема, поскольку не вводит новых физических объектов, существование которых можно было хотя бы косвенно подтвердить или опровергнуть на опыте. Более того, все физические расчеты, выполненные на основе стандартной квантовой механики и ее эвереттовской интерпретации, дают абсолютно одинаковые результаты.

Несмотря на то, что статью Эверетта с его первоначальным вариантом многомировой интерпретации к опубликованию рекомендовал один из создателей атомной физики Нильс Бор, большинство ученых не приняло такую фантастическую идею. Ситуация изменилась только после того, как к ней проявили интерес такие крупные физики, как Брюс де Витт и Джон Уилер. Особенно много для популяризации новой теории сделал сам Уилер, и именно после его работ теория стала называться «многомировая интерпретация Эверетта — Уилера». Вообще-то название не точно и уже ввело в заблуждение множество журналистов, литераторов и философов, правильнее было бы говорить «многопроекционная интерпретация», однако менять что-то уже было поздно — терминология получила широкое распространение.

Согласно мысли Эверетта, при измерении какого-либо эффекта в микромире имеется столько миров, сколько возможно альтернативных результатов. В каждом из этих миров имеется и измеряемая система, и прибор, и наблюдатель. И состояние системы, и состояние прибора, и сознание наблюдателя в каждом из этих миров соответствует лишь одному результату измерения, но в разных мирах результаты измерения различны. Любопытная ситуация, не правда ли? Как здорово было бы реализовать в одном мире надоедливую тещу, в другом сварливую жену, в третьем оболтусов-студентов, а самому в четвертом (лучшем из миров) с приятелями физиками-теоретиками обсуждать за кружкой пива хитросплетения Мультиверса, изредка (чтобы контролировать ситуацию) появляясь в первых трех вариантах Вселенной. Прекрасная, но, увы, судя по всему, абсолютно недостижимая мечта…

Дело в том, что в интерпретации Эверетта управляющего воздействия на выбор Мира, ни тем более связи между альтернативными Вселенными не существует даже в теории, а жаль…

Несмотря на шокирующую экзотику построений Эверетта-Уилера, сама по себе гипотеза множественных вселенных оказалась довольно продуктивной, вызвав поток работ по теоретической физики. Многие ученые, занимающиеся физикой времени, увидели здесь шанс решить знаменитый «Парадокс убитого дедушки», заключающийся во влиянии измененного прошлого на настоящее и будущее. Суть этого логического парадокса вызвана классическим образом линейного времени.

Если путешественник по времени отправится в прошлое и помешает там встретиться своей бабушке и дедушке, то он, естественно, никогда не родится и не сможет отправиться в прошлое. Если же он не будет мешать встрече, то это позволит ему путешествовать во времени и расстроить встречу своих предков. Таким образом, каждая возможность отрицает логику событий и образует т. н. петли времени.

Существуют и другие парадоксы, приводящие к «узлам времени». Например, можно вернуться в прошлое и похитить чертежи машины времени. Тогда Т-агрегат никогда не будет построен и вы никогда не попадете в прошлое… Наиболее радикальной ситуацией был бы «автоинфантицид», когда вы возвращаетесь в прошлое и убиваете самого себя в детстве.

Многомировая интерпретация легко решает любые временные парадоксы, включая «парадокс убитого дедушки». Дело в том, что модель Эверетта — Уилера порождает вместо линейного времени «веер миров». Таким образом, путешествие в прошлое происходит по независимым проекциям Мироздания, и все действия путешественника влияют только на историю той вселенной, куда попадает Т-агрегат. Таким образом, с погружением в прошлое возникает альтернативная линия времени, в которой «хрононавт» никогда не будет рожден….

Если же принять интерпретацию Эверетта, дополнив ее вдобавок гипотезой, что выбор одного из параллельных эвереттовских миров переносит нас во вселенную-планкеон, тогда возникает совершенно другая схема взаимоотношений квантового и классического миров.

В этой схеме квантовый мир объективен, потому что он не зависит от сознания. Он существует в форме параллельных миров-частиц, каждый из которых не менее реален, чем все остальные. Что же касается классического мира, то он возникает лишь после того, как сознание выбирает один из параллельных миров. При этом остальные миры вовсе не перестают существовать, поэтому то, что лишь один, выбранный мир, реален — это лишь иллюзия, возникающая в сознании наблюдателя….

Мостики Эйнштейна — Розена чем-то напоминают подземные уличные переходы. Различие лишь в том, что подпространственные каналы соединяют не только разные части нашей Метагалактики, но и разные времена. Двигаясь вдоль червоточины, можно попасть как в отдаленный участок Вселенной, так и в другую временную эпоху. Космическая система кротовых нор, подобная описанной в романе Карла Сагана «Контакт», могла бы служить своеобразной транспортной сетью, быстро переносящей нас из прошлого в отдаленное будущее и обратно — в наше настоящее и в прошлое.

Однако насколько правдоподобны выводы физиков-теоретиков? Существуют ли в действительности червячные ходы в пространстве-времени, или же это всего лишь нереализуемые математические фантазии? Но тогда почему они не реализуются, ведь опыт убеждает нас в том, что в мире воплощается все, что не противоречит законам природы? И самый главный вопрос — можно ли предложить какие-либо реальные эксперименты, вплоть до создания искусственных подпространственных кротовых нор, пусть даже в отдаленном будущем, когда наша цивилизация станет достаточно развитой и мощной?

Здесь стоит вспомнить об очень любопытном факте, что кажущееся нам пустым пространство физического вакуума только кажется пустым. При очень большом увеличении оно похоже на шевелящуюся мягкую губку или кипящую мыльную пену, где вспыхивают и мгновенно гаснут всплески полей, а окружающее пространство-время под действием их тяготения искривляется и скручивается в микроскопические пузырьки и раковины, в которых возникают многочисленные воронки и ручки сверхмикроскопических червоточин. Правда, размеры их невообразимо малы — песчинка для них также велика, как для нас сама Метагалактика. Естественно, что ни один современный прибор не может зафиксировать следы таких объектов. Исследовать их математики и физики-теоретики могут лишь умозрительно, строя компьютерные модели. Но именно с существованием подобных удивительнейших объектов ученые связывают возможность еще одного типа подпространственных переходов, впрочем, более подробно об этом будет рассказано в следующем разделе.

Все эти вопросы — на грани научной фантастики, однако сегодня их серьезно обсуждают и сами ученые, поскольку это помогает лучше понять особенности современной теории и представить себе гипотетические возможности космических цивилизаций.

Серьезный анализ возможностей подпространственных переходов пока доступен только математике, поскольку ее формулы — единственный способ, позволяющий обрисовать контуры воображаемых миров и сложные пространственно-временные структуры. Посвященные этим вопросам научные работы напоминают лес формул, но если не претендовать на большую строгость и пользоваться наглядными образами, то общая постановка вопросов и результаты исследований могут быть доступны и далеким от теоретической физики читателям.

С похожим эффектом мы уже встречались в теории относительности, там ход времени зависит от того, по каким часам его измерять. Со сверхсветовыми иллюзиями мы иногда встречаемся и в повседневной жизни. Например, скорость, с которой скользит по стене отраженное зеркалом пятно света, может принимать любые значения, стремящиеся к бесконечности, но ни энергия, ни вещество при этом не перемещаются, и никаких нарушений причинности не происходит. Еще один пример — неоновая реклама, в которой буквы вспыхивают независимо одна от другой, и нам кажется, что каждая из них зажигает следующую. Здесь неоновый сигнал также может бежать с любой скоростью, ограничиваемой только техническими возможностями электрической цепи.

Исследования теоретиков также показывают, что антигравитационный материал с отрицательным давлением, необходимый для облицовки стен подпространственных туннелей, во многом похож на таинственную темную энергию, благодаря которой космическое пространство расширяется с возрастающей скоростью. Физическая природа этой энергии пока еще не понятна. А ведь от ее свойств зависит судьба нашего Мира. Так, не исключено, что в далеком будущем темная энергия может просто разорвать в клочья всю обычную материю, от галактик до атомов. Однако есть и более оптимистичные сценарии будущего, в которых темная энергия потеряет стабильность и саморазрушится.

Сингулярные порталы в иные миры у гравитационного коллапсара

Эта гипотеза особенно интересна тем, что астрономические теории предсказывают существование удивительных объектов с прямо противоположными коллапсарам свойствами. Такие «белые дыры» еще более загадочны, чем черные, и должны неудержимо извергать вещество. Нырнув в зев черной дыры, звездолет мог бы вынырнуть из диска ее белой сестры в какую-нибудь пространственно-временную область нашего мира или совсем в другую вселенную, связанную с нашей лишь тонкой горловиной червячного лаза.

Есть большие сомнения в реальности подобных путешествий. Гравитационные поля вблизи гравитационных радиусов черных и белых дыр неимоверно велики и быстро растут по мере того, как звездолет втягивается внутрь подпространственного канала. Они сначала закрутят и вытянут корабль в длинные нити, а затем разорвут на мельчайшие частички. Даже в земных условиях, где тяготение сравнительно невелико, силы притяжения на поверхности планеты и на орбите спутника значительно отличаются. На поверхности Земли они вызывают многометровой высоты приливы и отливы, а в недрах застывших звезд-коллапсаров перепады гравитационных сил просто чудовищны. Им не могут противостоять, распадаясь на части, не только атомные ядра, но и элементарные частички. И спастись никак нельзя, обратного пути нет, ведь черная дыра не выпускает даже лучей света.

Некоторые астрофизики считают, что есть определенные надежды на вращающиеся коллапсары. В этом случае связанные с вращением центробежные эффекты отчасти компенсируют притяжение, и это может сделать входной портал проходимым. Однако расчеты других физиков-теоретиков показывают, что при этом подпространственная червоточина становится крайне неустойчива и под действием стягивающих гравитационных сил может мгновенно «схлопнуться». Как видно, естественные коллапсары — не очень-то подходящие элементы для создания машин времени. Но если нельзя воспользоваться свойствами замерзших звезд в пространстве, может быть, удастся сконструировать искусственный подпространственный портал?

А можно ли создать такое вещество, которое будет обладать свойством антигравитации и иметь отрицательную энергию? Энергия вещества слагается из энергии, связанной с массой составляющих его частиц, и энергии давления и натяжения, связанной с внутренними взаимодействиями. В одних случаях, — скажем, в баллоне сжатого газа — она положительна, в других, например в ядре атома железа, отрицательна; как известно, для расщепления ядра на части необходимо совершить определенную работу. Однако во всех обычных веществах — твердых, жидких, газообразных — энергия, связанная с массой, больше энергии взаимодействий, и суммарная энергия вещества всегда положительна. В экзотическом же веществе, которое нужно для сооружения червоточин, первое место занимает отрицательная энергия внутренних натяжений.

Еще совсем недавно физики были убеждены в том, что подобных веществ просто не бывает. И это, по-видимому, так, если оставаться в рамках классической, доквантовой физики. Однако в области квантовых явлений ситуация иная. Благодаря всплескам спонтанных полей, рождению пар частиц и античастиц на очень короткое время энергия может стать несколько большей или меньшей ее среднего классического значения. Это иногда называют «кипением» физического вакуума, где вблизи нулевого уровня энергии всегда есть области с положительной и отрицательной энергией.

Квантовая физика описывает поведение элементарных частиц статистически. Эта врожденная «статистичность» микрообъектов является одной из самых трудных загадок природы. На микроуровне в любой момент времени можно указать лишь вероятность того или иного физического процесса. Этот вывод очень трудно осознать, и даже Эйнштейн до самого конца жизни пытался его оспорить и найти наглядное объяснение этой загадочной статистичности.

Если исходить из теории фридмонов, то получается, что любая элементарная частица в принципе может оказаться входом в иные миры. Проникнув через ее поверхность, мы можем очутиться в иной Вселенной с трудновообразимым содержимым, причудливыми галактиками, населенными странными цивилизациями. Оглянувшись же назад, мы бы увидели, что наша родная Вселенная сжалась до микроскопических размеров. Если бы мы захотели вернуться назад, то пришлось бы снова проделать весь путь по коридору между мирами. Путешествуя по различным фридмонам, мы встречали бы каждый раз новую реальность, и наше путешествие по иным мирам могло бы продолжаться до бесконечности. Интересно, что такие путешествия могли бы привести не только к перемещениям в пространстве, но и во времени.

Еще два с половиной тысячелетия назад философы стали задаваться вопросом: что будет, если дробить вещество все мельче и мельче? Есть ли пределы дробления и каковы наименьшие размеры вещества? Это была, пожалуй, одна из самых трудных, поистине головокружительных проблем.

Сейчас физики интенсивно исследуют сверхмалые элементарнейшие сущности (частицами их назвать уже затруднительно) — кварки. Правда, никто пока еще не предложил реальных методов их наблюдения, которые однозначно бы ответили на вопрос, существуют ли кварки на самом деле. Естественно, ученым очень хочется, чтобы они существовали. Кварки ныне почти единодушно признаны фундаментальными кирпичиками материи, из которых сложено Мироздание. Однако уже слышны голоса физиков-теоретиков, которые моделируют субкварковые составляющие нашего Мира…

Это бесконечное деление напоминает частицу-матрешку. И главный вопрос здесь, существует ли последняя матрешка, которую уже нельзя разнять… В самом деле, если последней матрешки нет, если процесс деления бесконечен, то мы никогда не узнаем, как устроен мир… С таким выводом нелегко согласиться. Но еще труднее свыкнуться с тем, что делимость вещества на каком-то этапе должна прекратиться. Значит, дойдя до последней матрешки, мы исчерпаем все свойства мира?

Модель подпространственной кротовой норы, мостика Эйнштейна — Розена, или червоточины пространства-времени

Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины — и снова получим яблоко. И не может быть такого, чтобы каждая половинка весила больше целого яблока. В макромире действительно такого быть не может, а вот в мире элементарных частиц… Разнимая матрешки до все более мелких частиц, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось, что масса целой частицы всегда… меньше суммы масс частиц, ее составляющих. Впрочем, физиков это совершенно не удивляет. Еще Эйнштейн показал, что масса и энергия эквивалентны. Значит, дефект масс, лежащий в основе тех же термоядерных превращений, восполняется выделением соответствующего количества энергии, и никаких нарушений законов сохранения, лежащих в основе физики, не происходит. Несложные подсчеты, основанные на соотношении Эйнштейна, показывают, что грамм кварков может высвободить громадную энергию, эквивалентную сжиганию двух с половиной тысяч тонн нефти!

Глава 10. Стрела мнимого времени

…Каждый отрезок времени возникает сразу как целое, подобно кванту света, излучаемому атомом. Внутри такого «кванта времени» не имеют смысла понятия раньше и позже. Из начальной космологической сингулярности время истекало не сплошным потоком, а как бы отдельными толчками. Космическое время — это время нашей Вселенной, оно возникло и существует вместе с ней…

А. Д. Чернин. Физика времени

Рассказывая о творческом наследии выдающегося теоретика, невозможно пропустить исследования Хокингом проблем квантового времени. Выступая перед самыми разными по составу аудиториями, он всегда пытался обрисовать, как самым невероятным образом преображается течение процессов и само пространство за гранью сверхмалых масштабов реальной действительности. Квантовая механика полностью поменяла представление о поведении объектов микромира, а также свойствах самого пространства на сверхмалых масштабах. Несколько в стороне от интересов Хокинга оставалось только четвертое измерение континуума Минковского: время.

Впервые Хокинг столкнулся с поведением квантового времени на уровне ячеистого пространства, будучи приглашенным на Берклеевский семинар по струнной физике. Для него стал неожиданностью математический образ дискретного квантового времени. Оказалось, что в ряде «струнных моделей» время не течет как река, а скорее тикает как часы. Интервал между «тиками» примерно равен особому «времени Планка». Это совершенно непредставимая по своей малости величина, описываемая дробью с несколькими десятками нулей. Точнее говоря, время в нашей Вселенной на субмикроскопическом уровне квантовых величин отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, «струнные часы» делают один «тик».

Еще более заинтересовал Хокинга доклад, посвященный «квантовому эффекту Зенона» (КЭЗ).

Зенон — древнегреческий мыслитель, придумавший ряд временных парадоксов, построенных на противопоставлении части и целого. Впервые КЭЗ более-менее достоверно наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть эксперимента состояла в том, что время жизни подуровня было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния на подуровень, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы переводились из начального состояния на еще один подуровень. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода, фиксируя число атомов основного состояния в определенные моменты времени.

Надо заметить, что как скептик и позитивист, Хокинг всегда прекрасно понимал, что обсуждение проблемы влияния наблюдений на течение квантовых процессов во многом зависит от философской позиции того или иного теоретика. Конечно же, с объективной точки зрения, на эти процессы оказывает воздействие не сам акт «отстраненного» наблюдения, иначе это было бы просто идеалистическими выдумками и проявлением солипсизма, а некоторые реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и окружающей средой.

Вернувшись в Кембридж, Хокинг тут же стал делать наброски новой книги, которую он намеревался назвать «Квантовая физика времени». К сожалению, его планам так и не удалось сбыться, но один из фрагментов попал в сборник «Теория Всего». Там можно встретить рассуждения о том, что каждый момент, в котором мы находимся, несет нас из прошлого в настоящее, а затем — в будущее. Время всегда движется в одном направлении. Оно никогда не останавливается и не возвращается. Для нас стрела времени всегда направлена вперед. Однако, если мы взглянем на законы физики — от положений Ньютона до Эйнштейна, от Максвелла до Бора, от Дирака до Фейнмана, — то они выглядят симметричными времени.

Связано ли направление течения времени с движением большей части процессов во Вселенной и откуда возникло так часто встречающееся понятие «стрела времени»?

Видный английский астрофизик Артур Эддингтон, известный своими поисками доказательств релятивистской природы окружающей нас действительности, в свое время высказал замечательное предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, назвав это явление стрелой времени. Он предполагал, что если наша Вселенная эволюционирует циклически и в определенный момент ее расширение сменится сжатием, то тут же изменит направление полета и стрела времени.

Другими словами, у уравнений, которым подчиняется реальность, нет выраженного направления движения потока времени. Решения, описывающие поведение любой системы, подчиняющейся законам физики, какими мы их понимаем, одинаково действенны как для времени, движущегося в прошлое, так и для времени, направленного в будущее. Но опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении — вперед.

И здесь теоретик задал вопрос, который мучил его всю оставшуюся жизнь: откуда берется стрела времени? В поисках решения этой фундаментальной проблемы естествознания Хокинг пришел к другому вопросу: могут ли существовать какие-нибудь объекты во Вселенной с иным ходом времени? После обсуждения с коллегами и друзьями теоретик посчитал, что на этот вопрос следует дать положительный ответ. Так возник образ антивселенной.

В этом мире должна соблюдаться очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но и направление хода времени, то «вселенная Хокинга» будет подчиняться всем законам физики.…

По Хокингу, обращение времени — весьма причудливый вид симметрии. В Т-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.

Здравый смысл, пишет теоретик, говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц утверждают обратное. Законы Ньютона прекрасно выполняются при любом направлении полета стрелы времени.

Представьте себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение шаров подчиняется законам движения классической механики. Если мы прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, однако законы Галилея, Гука и Ньютона допускают и такой порядок вещей…

Это всего лишь один пример физико-фантастических гипотез, которые разрабатывал Хокинг, чтобы согласовать теорию расширяющейся Вселенной с квантовой механикой.

Вернувшись к исследованию стрелы времени, Хокинг выдвинул рабочую гипотезу о том, что между направлением течения времени и энтропией Вселенной существует определенная связь. В элементарных курсах физики и термодинамики энтропию часто определяют как «меру беспорядка», но Хокинг в своих выступлениях всячески избегал этой неточной формулировки. Напротив, энтропию он считал мерой того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную механическую работу.

Если у вас много энергии, потенциально способной выполнить работу, то это система с низкой энтропией, тогда как если у вас ее мало, то ваша система имеет высокую энтропию. Второе начало термодинамики — важное соотношение в физике, утверждающее, что энтропия закрытой системы может либо не изменяться, либо возрастать с течением времени, то есть не может уменьшиться. Иначе говоря, со временем энтропия всей Вселенной должна возрастать. Это единственный закон физики, у которого есть предпочтительное направление времени.

Обосновывая свою версию «термодинамической стрелы времени», Хокинг снова ставил вопросы: воспринимаем ли мы одностороннее течение времени из прошлого в будущее из-за второго начала термодинамики? связано ли это с фундаментальной связью стрелы времени и энтропии?

С некоторого момента Хокинг присоединился к мнению, что дело обстоит именно так. Последним, с кем он обсуждал проблему «термодинамического направления времени», был известный физик и научный популяризатор, профессор Шон Кэрролл. В ходе долгой беседы была предпринята попытка ответить на вопрос, почему время не движется назад. В итоге физики пришли к выводу, что это связано именно с энтропией.

Энтропия действительно объясняет стрелу времени, доказывал Хокинг на очередном заседании Лондонского королевского общества. В бесчисленных случаях из повседневной реальности, например, кофе с молоком никогда не разделяется на исходные компоненты, а разбитое яйцо никогда не собирается обратно в скорлупу. Во всех этих и аналогичных случаях изначальное состояние низкой энтропии (с большей энергией, пригодной для работы) двигалось к состоянию с более высокой энтропией (и меньшей доступной энергией) с течением времени вперед. В природе много примеров этого процесса, пояснял Хокинг, включая комнату, наполненную молекулами: одна часть полна холодных, движущихся медленно молекулами, а другая — горячих и быстродвижущихся. Надо лишь подождать, и комната заполнится перемешанными частицами средней энергии, что представляет собой большой рост энтропии и необратимую реакцию.

Но нельзя сказать, что она абсолютно необратима. Когда дело касается второго начала термодинамики и увеличения энтропии, это относится исключительно к закрытой системе или системе, в которую не добавляется энергия извне и не вносятся никакие изменения по увеличению или уменьшению энтропии. В 1870 году физик Максвелл предложил способ обращения этой реакции: нужна внешняя сущность, которая будет открывать разделение между двумя сторонами комнаты, позволяя «холодным» молекулам переходить на одну сторону, а «горячим» — на другую (уже упоминавшаяся идея «демон Максвелла», она позволяет понизить энтропию системы).

Разумеется, «обхитрить» природу и нарушить второе начало термодинамики с помощью подобных «демонических сил» все равно никогда не удастся. Дело в том, что демону необходимо затратить огромные объемы энергии, чтобы разделить частицы таким способом. Система под влиянием демона — открытая. Если добавить к ней энтропию и самого демона к общей системе частиц, окажется, что общая энтропия в итоге все-таки возрастает. Но и тут есть важная деталь: даже если бы вы жили в коробке и не заметили существование «демона» — другими словами, если бы вы жили в «карманной вселенной» с возрастающей энтропией, — для вас время все равно бы шло вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором воспринимается ход времени.

Итак, откуда берется стрела времени, которая соотносится с нашим восприятием времени? Неизвестно. Однако известно, что это точно не термодинамическая стрела времени. Измерения энтропии Вселенной указывают только на одно возможное уменьшение во всей космической истории: окончание космической инфляции и ее переход к Горячему Большому взрыву (не путать с Большим взрывом — это два разных состояния Вселенной; Горячий Большой взрыв — период развития Вселенной, на последних стадиях которого мы живем).

Большинство ученых утверждает, что Вселенную ждет холодное пустое будущее после того, как все ее звезды сгорят, черные дыры распадутся, а темная энергия разнесет не связанные друг с другом тяготением галактики на огромные, невообразимые расстояния. Это термодинамическое состояние максимальной энтропии известно, как тепловая смерть Вселенной. Любопытно, что состояние, из которого развилась Вселенная — состояние космической инфляции, — обладает теми же свойствами, но с более высокой скоростью расширения во время эпохи инфляции, по сравнению с тем, к которому приведет нынешняя эпоха, где главенствует темная энергия.

Каким образом завершилась инфляция? Как вакуумная энергия Вселенной, свойственная самому пустому пространству, преобразилась в горячий бульон из частиц, античастиц и излучения? И перешла ли Вселенная из состояния с невероятно высокой энтропией во время космической инфляции в состояние с более низкой энтропией во время Горячего Большого взрыва, либо энтропия при инфляции была еще ниже из-за итоговой способности Вселенной к совершению механической работы? На сегодня у ученых есть только теории, которые оставил после себя кембриджский теоретик, и они когда-нибудь приведут к верным ответам на эти вопросы. Экспериментальные или наблюдательные признаки, которые могли бы подсказать, пока получены не были.

Хокинг трактовал стрелу времени с точки зрения термодинамики — и это действительно ценное и очень важное понимание. Но если вы хотите узнать, почему вчера раз за разом остается в неизменном прошлом, завтра наступает на следующий день, а настоящее — то, где вы проживаете прямо сейчас, термодинамика вряд ли может ответить на этот вопрос. И пока что, по сути, нет никого, кто бы смог.

К примеру, в квантовой механике соотношение неопределенностей «энергия — время» накладывает специфические ограничения на саму процедуру измерения времени, тесно связанную с множественным характером темпоральной реальности. Из вероятностного характера квантовой физики можно делать потрясающие модели той же суперсимметричной М-теории, однако представления о времени оказались довольно устойчивыми даже для «транссингулярных бран». А стандартная квантовая теория вообще использует время как самую настоящую классическую переменную, не приписывая ей какие-то новые сущности. Тем не менее, течение времени в микромире имеет свои особенности. Прежде всего, это, конечно же, наличие соотношения неопределенности «время — энергия»: ∆t∆E≥ħ, гласящей, что мы можем уточнить либо изменение энергии, либо время, за которое оно произошло. Во-вторых, весь квантовый мир пронизан колебаниями, определяемыми через частоту опять-таки временными характеристиками. Ну и, в конце концов, само выражение для планковского кванта действия из соображений размерности распадается на «энергетическую» и «темпоральную» части.

И хотя чаще всего парадоксы квантовой физики связаны с распространением обыденных макроскопических понятий пространства и времени на квантовые объекты, какой-то аналог «стрелы времени» должен существовать и в микромире. Впрочем, микрочастицы вовсе не обязаны принадлежать только к знакомому нам частному случаю пространства-времени (математики называют его гладким топологическим многообразием Минковского) в виде обычного евклидова пространства трех измерений из школьных учебников, дополненного координатной осью времени. Вполне возможно, что они «обитают» в своем специфическом микропространстве, в которое переходит многообразие Минковского на «планковских дистанциях», выражаемых дробными миллиметрами с тридцатью нулями. В этой таинственной глубине могут происходить совершенно невероятные вещи, предсказываемые формальными математическими моделями, и далекие, даже астрономические расстояния «здесь» могут соответствовать неразличимой близости «там». Вот, кстати, и еще один вариант разгадки ЭПР-парадокса, причем несравненно более «физичный», чем чудотворное квантовое сознание наблюдателей и «разумные потенциалы» микрочастиц, встречающиеся у отдельных современных исследователей.

Фантастика? Однако вспомним некоторые факты из жизни современной квантовой теории поля, описывающей элементарные частицы. Общепризнанно (насколько подобное можно заявить сегодня), что в основе всех физических явлений лежат квантовые поля, дискретными составляющими которых выступают элементарные частицы. Эти частицы постоянно участвуют в сложных процессах взаимопревращения, возникновения и исчезновения.

Для любопытствующих я весьма бы рекомендовал пару лучших книг по данной тематике: «Атомную физику» моего учителя Александра Ильича Ахиезера и «Физику элементарных частиц» Льва Борисовича Окуня, крупнейшего мирового авторитета в данной области. Удивительно, но пространственно-временные представления, которые использует квантовая теория поля, по своей сути являются макроскопическим миром Минковского!

В свое время создание классической механики способствовало формированию такого идеала научного знания, согласно которому теория должна объяснять явления, как четко причинно-обусловленные, происходящие в пространстве и времени, на основе однозначных законов механики Галилея — Ньютона. Высшее развитие принцип классической предопределенности явлений или детерминизма получил в работах знаменитого французского физика и философа Пьера Симона Лапласа. Он писал:

Все явления — даже те, которые по своей незначительности как будто не зависят от великих законов природы, суть следствия столь же неизбежные этих законов, как обращения Солнца. Не зная уз, соединяющих их с системой мира в ее целом, их приписывают конечным причинам или случаю, в зависимости от того, происходили ли и следовали они одно за другим с известной правильностью, или же без видимого порядка, но эти мнимые причины отбрасывались по мере того как расширялись границы нашего знания и совершенно исчезли перед здравой философией, которая видит в них лишь проявления неведения, истинная причина которого мы сами. Всякое имеющее место явление связано с предшествующими на основании того принципа, что какое-либо явление не может возникнуть без производящей его причины.

Детерминизм Лапласа предполагал однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицания объективной случайности.

Модель времени Лапласа была органично связана с представлениями об однозначной предопределенности физических явлений. Оказалось, что и теоретикам очень удобно оперировать понятиями четырехмерного пространства с тремя геометрическими координатами и одной временной.

В простейшем случае движение тела можно изобразить на плоскостной диаграмме, откладывая по одной координате значения времени, а по другой — пройденного пути. Если тело движется с определенной скоростью, то через определенные интервалы времени после начала движения оно сместится от начала своего пути на соответствующие дистанции. На диаграмме эти события отобразятся точками, через которые можно провести линию. Эта линия, образуемая из множества событий-точек, в истории тела называется мировой линией.

В первой четверти координатной плоскости, где и время, и значения пути положительны, мировая линия ведет себя вполне логично. В какой-то мере можно представить себе физически и движение вдоль мировой линии во второй четверти, где время положительно, а путь — отрицателен. В нашем обыденном мире это может означать возвращение в исходную точку. В этом смысле путь может показаться величиной отрицательной: двигаясь по нему, мы удаляемся от нужного нам пункта, вместо того чтобы приближаться к нему.

Но уж совсем необъяснимы с позиций обыденного мира случаи с отрицательным временем. Что это означает? Принципиальную возможность движения в прошлое? Но ведь время, насколько нам всем известно, не может течь вспять…

Мировая линия может изменять свое положение в пространстве в зависимости от того, с какой скоростью происходит движение. Если бы мы могли двигаться мгновенно, то она могла бы попросту встать вертикально. Но физически это невозможно, самая большая скорость, достижимая на сегодняшний день, — это скорость света. Значит, мировая линия должна быть ограничена прямыми, показывающими распространение света, это будут т. н. световые конусы.

Все эта время мы рассматривали двухмерный случай, но наш мир, как уже говорилось, имеет четыре измерения. Значит, мировая линия может помещаться внутри некоторого светового конуса, очерченного мировыми линиями света. Особенно интересна поверхность конуса прошлого, лежащего в той области, где время отрицательно. Ведь на этой поверхности находится то, что мы можем увидеть. В самом деле: видеть — это, говоря иначе, воспринимать световые лучи. Но пока они донесут информацию от источника до нашего глаза, пройдет какое-то время, значит, видеть мы можем только то, что уже произошло.

Следующие интереснейшие парадоксы физического времени можно встретить в микромире, рассматривая античастицы и обращение времени. Античастица — это частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от нее знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой, барионное и лептонное квантовое число). Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами. Начиная с тридцатых годов прошлого века было открыто несколько сотен элементарных частиц.

Само определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако природа состоит именно из «частиц», и соответствующие им античастицы определяются совершенно однозначно. Знаменитые теоретики XX века Ричард Фейнман и Джон Уилер построили оригинальную модель античастиц как обычных частиц, живущих «вспять во времени». Парадоксально, но этого оказалось вполне достаточно для определения их свойств. Следуя идеям Фейнмана — Уилера, Хокинг представил, что если античастица участвует в некотором процессе, скажем, испускания кванта электромагнитного поля, то его вероятность будет в точности равна вероятности обратного процесса поглощения точно такого же фотона обычной частицей.

Это, конечно, еще далеко не обратный поток времени, однако, если существуют антимиры, то и макроскопические процессы в них будут происходить «обратным образом». Вообще же говоря, подобная операция обращения времени носит название темпоральной инверсии (Т-инверсии, или обращения времени). Таким образом, действие Т-инверсии на состояние с определенным импульсом и энергией дает исходное состояние с начальными параметрами и координатами. Это объясняется тем, что после обращения времени следует пространственная инверсия (Р-инверсия, или пространственное обращение), изменяющая знаки у пространственных переменных и возвращающая микросистему в исходное состояние.

А вот как сам Фейнман авторским образом применял концепцию темпоральных инверсий ко вполне обычному процессу рассеяния электрона в веществе: «Обычным способом такой процесс может быть описан следующим образом… В некоторый момент t < t (1) имеется только начальный электрон. В момент t (1) внешний потенциал рождает электрон-позитронную пару. В момент t (2) > t (1) позитрон аннигилирует с начальным электроном, так что при t > t (2) остается только рассеянный электрон…». Далее Фейнман продолжал анализировать рассеяние электрона и выдвинул новую версию рассеяния: «…Вместо такого рассуждения мы хотим обобщить идею рассеяния и считать, что электрон рассеивается назад во времени от t (2) к t (1). Поэтому обычный позитрон проявляется как электрон, движущийся во времени вспять…» В заключение Фейнман делает вывод: «Эти два случая соответствуют частицам и античастицам».

Приведенный отрывок из работы Фейнмана конца 50-х годов прошлого века со всей определенностью свидетельствует, что знаменитый физик считал античастицы частицами, движущимися из будущего в наше настоящее и дальше в прошлое. Хокинг и Уилер, развивая идеи Фейнмана, считали, что подобная «антитемпоральная» природа античастиц позволяет успешно объяснить космологический парадокс видимого отсутствия антиматерии в доступных наблюдению частях Метагалактики. Согласно теории относительности, массивные тела искривляют пространство, и время искривляется. Это явление известно нам, как всемирное притяжение. Но вместе с искривлением пространства-времени могут искривляться и все мировые линии, становясь замкнутыми. Двигаясь по таким замкнутым линиям, объект из будущего неминуемо встретится с самим собой в прошлом и сможет повлиять на уже прошедшие события.

Существование в природе замкнутых мировых линий в свое время исследовал немецкий математик Курт Гедель. Замкнутые мировые линии, известные в научно-популярной и фантастической литературе как «петли времени», появляются в окрестности массивных черных дыр. Так, Хокинг и Торн показали возможность образования петель времени в туннелях, связывающих коллапсары. Затем к творческому коллективу Хокинга и Торна присоединился видный британский космолог Ричард Готт. Вместе им удалось на основе струнной теории доказать, что прохождение таких струн сквозь друг друга должно порождать петли времени. Убедившись, что петли времени не противоречат теории относительности, физики попробовали избавиться от логических парадоксов путем ввода некоего глобального принципа, исключающего вмешательство в собственное прошлое.

Более радикальное объяснение невозможности темпоральных парадоксов предложил сам Хокинг. Используя сочетание теории гравитации с квантовой механикой, описывающей движение элементарных частиц, он показал, что квантовые эффекты должны вызвать разрушение тех петель времени, которые предсказываются уравнениями Эйнштейна. Поэтому теория замкнутых мировых линий должна обязательно учитывать квантовые эффекты.

Мы уже рассказывали про кипение физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства-времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории пространство-время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий. Впрочем, это не единственный космологический парадокс, ответы на который дает физика времени.

Подавляющая часть звезд и галактик находится от нас на расстоянии, с которого свет придет только через несколько миллиардов лет. За прошедшие десяток или больше миллиардов лет с момента вспышки первой звезды в нашей Вселенной их свет еще не успел достичь нашей планеты. Эти звезды находятся как бы за «берегом реки нашего времени». Те звезды, свет которых успел прийти в Солнечную систему, по расчетам астрономов, составляют лишь незначительную часть всех существующих звездных объектов. Именно поэтому яркость их света ничтожно мала, и ночью на окраине нашей Галактики — Млечного Пути — бывает темно. Так физика времени со своей точки зрения разрешила еще один знаменитый парадокс Ольберса, названный так по имени немецкого астронома позапрошлого века, сформулировавшего его.

Ответом на риторические вопросы Хокинга о сути квантового времени может служить вся история развития современной теоретической и квантовой физики, наглядно показывающая, что известные законы, по-видимому, не противоречат принципиальной возможности создания машины времени, позволяющей путешествовать в прошлое и будущее. Существуют даже многовариантные схемы конструкции подобного Т-агрегата. При этом общим здесь является необходимость предварительного создания в общем-то фантастических конструкций, сжимающих и скручивающих окружающее нас пространство. Подобные трудновообразимые «фокусы» с привычным нам окружением физики и математики называют «сложной топологией евклидового многообразия» или «изменением топологии трехмерного континуума». Интуитивно смысл этих загадочных фраз понятен, топология — это наука о геометрии пространств с различной размерностью, а многообразие и континуум — это все то же окружающее нас пространство.

Естественно, любая теория перемещения во времени пока еще является лишь голой теорией или чистой научной спекуляцией. Чаще всего, когда речь заходит о зримом образе времени, школьные учителя и университетские профессора, следуя классической теории, рисуют на доске стрелку и говорят, что существует лишь одно временное измерение, составляющее единственное одномерное временное пространство.

В соответствии с этой точкой зрения изменение событий прошлого автоматически меняет образ настоящего. При этом возникают любопытные парадоксы «временных петель». К примеру, что случится, если вы перенесетесь в прошлое и предотвратите встречу своих родителей? Популярный фантастический фильм «Назад в будущее» утверждает, что вы просто прекратите свое существование, навсегда исчезнув из реальности настоящего.

Сегодня считается установленным, что течение времени зависит от скорости перемещения тел, характера их движения и структуры окружающего пространства. На очереди построения реальных, с точки зрения современной физики, схем перемещения во времени. Какова же здесь может быть роль квантовой физики?

С помощью квантовой теории можно решить много трудных вопросов строения Т-агрегатов. Можно сконструировать «вход» и «выход» машины времени, а также канал межвременного перехода, при этом можно радикально «развязать» все петли времени, применив многомировую интерпретацию квантовой механики. «Хрононавт», путешествуя во времени, никогда не сможет внести каких-либо изменений в исходную реальность, поскольку он всегда будет находиться в иных мирах.

При этом вообще можно представить занятную ситуацию, когда независимые миры выстраиваются во временную последовательность, где каждый из них в своем развитии абсолютно копирует ушедших в будущее соседей. Вот в таком многомирье можно было бы путешествовать и в прошлое и в будущее, не опасаясь каких-либо петель времени и наблюдая при этом неискаженную реальность истории собственного мира.

Мы уже рассказывали про кипение физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства-времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории пространство-время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий.

На главный вопрос квантовой хронофизики (если временные парадоксы могут быть успешно разрешены, сами по себе путешествия во времени возможны или нет?) Хокинг давал следующий ироничный ответ: «Лучшим доказательством невозможности таких путешествий является факт, что нас до сих пор не навещают толпы подобных визитеров из будущего».

Но профессор Торн, будучи горячим сторонником теории Мультиверса, отвечал своему коллеге следующим образом: путешествия во времени вполне могут быть самым обычным делом во Вселенной. Но это вовсе не значит, будто на нас должны валиться «толпы визитеров». Петли времени вряд ли являются частым явлением в космосе, а у внеземных цивилизаций могут быть свои, куда более важные приоритеты, кроме посещения нашего забытого провинциального уголка Млечного Пути. А кроме того, они давно уже могли побывать на одной из бесчисленных копий Земли и встретиться там с землянами — только не с нами, а с нашими копиями.

Продолжая свои исследования квантовой физики времени, Хокинг пришел к новым вопросам, каждый из которых порождал бурные споры на кафедральных и факультетских семинарах.

Почему в нашем мире не два, не три, а только одно время? Почему оно одномерно? Почему у пространства три измерения — длина, ширина, высота, а у времени всего лишь одно — длительность? Может ли быть так, что размерность пространства-времени в иных мирах кардинально отличается от нашей Вселенной? Как выглядят многомерные миры и можно ли их увидеть в принципе? А может, наш мир тоже многовременной, только мы этого не замечаем — родившись в чудовищном катаклизме Большого взрыва, он вместе со всеми скрытыми измерениями движется вдоль одной временной траектории, по которой мы отсчитываем время? Но если это так, то можно ли «активировать» скрытые возможности времени и пустить окружающую реальность по новым временным путям, и что при этом произойдет? Возможно, это будет связано с поглощением и выделением таких огромных количеств энергии, что будет сравнимо с космологическим коллапсом — Большим хлопком или Большим разрывом, ожидающим, по некоторым сценариям, нашу Вселенную?

Чем больше Хокинг погружался в тайны удивительного четвертого измерения нашей реальности, тем больше у него возникало вопросов, и тем сложнее они становились. Правда, время — настолько глубинная, фундаментальная особенность окружающего нас Мира, что всякая попытка хотя бы немного выйти за пределы уже известных его свойств неминуемо выводит в новую реальность совершенно фантастических явлений.

Точно сказать, что такое время, очень непросто. С точки зрения философии это — самая общая характеристика любых происходящих вокруг изменений. В этом его суть и смысл; в абсолютно неизменном мире времени нет. С точки зрения математики время — всего лишь параметр, нумерующий последовательности следующих друг за другом событий. Однако в обоих случаях возникает вопрос — почему все последовательности многообразных событий определяются только одной укладывающейся на линию величиной? Почему не может быть, например, плоскости с двумя временными или объема с тремя?

Можно было начать построение сказочной реальности с несколькими временами с простейших построений — было четыре мировых оси — три пространственных, одна временная, теперь стало больше. С точки зрения математики тут нет проблем, но как при этом изменятся физические свойства мира?

Если мы хотим реально говорить о возможности путешествий во времени, а тем более о Т-аппаратах, преобразующих время, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать признаки существования квантов времени. Некоторые расчеты показывают, дискретность времени должна проявиться в экспериментах с микрочастицами, разогнанными до энергий в десятки миллиардов джоулей. Это очень большая величина, сравнимая с энергонасыщеностью всей современной промышленности, и даже самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, вряд ли смогут обеспечить хотя бы мизерную долю требуемой энергии. По всей вероятности, для проведения подобных экспериментов понадобятся принципиально новые источники энергии, иначе подобный ускоритель очень быстро истощит все планетарные ресурсы нашей цивилизации.

Чтобы обойти трудности, возникающие при фейнмановском суммировании всех возможных волн, обусловливающих результирующую траекторию частиц, Хокинг придумал математический прием, который состоит в том, что «складываются волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом мнимом. «Мнимое время, — писал он, — звучит, возможно, научно-фантастически, но на самом деле это строго определенное научное понятие».

Хокинг указывал на то, что данный термин не имеет никаких вненаучных коннотаций, а основан только на понятии мнимых чисел, операции с которыми давно стали предметом соответствующего раздела алгебры. Таким образом, Хокинг показал, что, перейдя к мнимым единицам времени, можно во-первых, корректно выполнить фейнмановское суммирование по траекториям, а во-вторых, обнаружить в пространстве-времени совершенно новые и необычные для стандартной теории происхождения Вселенной изменения понятий, — в таком мире «совершенно исчезает различие между пространством и временем», — констатировал он.

Этот математический прием, который, судя по результатам, может оказаться не менее важным для науки, чем преобразования Лоренца, приведшие Эйнштейна к специальной теории относительности, или решение Дирака, с помощью которого он предсказал существование античастиц (в частности, антиэлектрон), открыл перед физиками, занимающимися теорией эволюции Вселенной, и перед философами, пытающимися ее осмыслить и ввести в культурный контекст, совершенно новые перспективы. Отмечая эту новизну, Хокинг писал:

В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность.

Эта возможность обусловлена тем, что пространственно-временной континуум оказывается представленным посредством комплексных чисел в евклидовых координатах, но имеющих продолжение в мнимую область. При таком описании мира пространство-время не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение Вселенной на этих границах.

Тогда нет и сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство и время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной — это отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы.

Таким образом, посредством перехода к мнимому времени Хокинг создал другую языковую систему, в которой парадоксы, связанные с наличием сингулярностей, отсутствуют по причине отсутствия самих сингулярностей. Принятие такой интерпретации полностью меняет ход дискуссий вокруг проблемы происхождения Вселенной, поскольку исчезает сам предмет дискуссии: Вселенная — это то, что есть, к ней логически неприменимы трактовки, связанные с такими категориями как происхождение, начало, завершение и т. д.

Предвидя возможное сопротивление научного сообщества принятию таких существенных изменений в понятии времени, Хокинг обращал внимание на то, что представления о мнимом времени и, соответственно, о том, что время и пространство должны быть конечны и без границ, есть всего лишь теоретический постулат, который не выводится из какого-либо другого более общего принципа: как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинуто из эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальную проверку — позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями.

Но поскольку наши наблюдения происходят в действительном времени, то историю саморазвития Вселенной пока что следует интерпретировать в рамках модели Большого взрыва, где, несмотря на все усилия теоретиков, все же неустранимо присутствуют сингулярности.

Впрочем, такая двойственная и в деталях взаимоисключающая картина мира построенного с учетом новой физики, возникшей в начале прошлого века, в целом неудивительна. История науки знает много крайне неудачных попыток трактовать неоднозначность поведения объектов микромира с точки зрения классической механики, все равно так или иначе приводивших к принципу дополнительности и корпускулярно-волновому дуализму. В этой связи Хокинг рассуждал:

Может быть, мнимое время — это на самом деле время реальное, а то, что мы называем реальным временем, — просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностям, которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, может быть, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным — это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселенную.

Хокинг считал, что в случае квантового мнимого времени ему удалось ввести одно из важных понятий квантовой теории, наряду с представлениями о квантовых скачках, спине частиц, волнах вероятности, неодновременности событий, о квантовом вакууме и других парадоксальных изысках новой физики. Надо заметить, что недосказанные мысли кембриджского теоретика быстро поняли британские философы. На сегодняшний день считается, что современные критерии научной рациональности позволяют ввести такие противоречивые, но чрезвычайно продуктивные для теории понятия, как мнимое время, в научный контекст на основе принципа эпистемологической дополнительности.

Таким образом, переход к представлению времени в мнимых единицах измерения позволил Хокингу ликвидировать неустранимые в стандартной теории Большого взрыва бесконечные расходимости, появляющиеся в точке сингулярности, и выстроить совершенно новую концепцию времени в модели «происхождения» Вселенной.

Оказалось, что мнимое время Хокинга самым непосредственным образом связано с новыми концепциями квантового времени. Так, оно способно более-менее надежно объединить множественные миры квантового Мультиверса и даже быть связующим звеном множественного Мироздания. Например, Хокинг ввел понятие «кванта мнимого времени», связывающего воедино все миры Мультиверса.

В подобных теоретических схемах миры квантового многомирья напоминают костяшки на бухгалтерских счетах, нанизанные на единую стрелу общего времени Мультиверса. Каждый хроноквант (10–44 с) в сингулярности Большого взрыва возникает новый мир, отправляясь в путешествие по стреле времени. В этой практически бесконечной череде вселенных действует и собственное время, показывающее возраст каждого конкретного мира. Оно отражает перемещение по стреле времени, как спидометр автомобиля показывает время поездки по пройденному расстоянию при строго определенной скорости. Так связь «внешнего» и «внутреннего» времен образует единую структуру Мультиверса.

По мнению Хокинга, решение вопроса «многовременности» нашей Вселенной или хотя бы Метагалактики следует искать среди далеких космических объектов, перемещающихся со сверхсветовой скоростью. Вместе со своим коллегой Мартином Рисом профессор Хокинг выяснил, что такие объекты действительно известны астрономам! Правда, пока все они нашли свое объяснение в рамках теории относительности или оказались оптическими иллюзиями, не связанными с многомерностью времени….

Вообще говоря, совместные исследования сэра Риса и Хокинга показывают, что тело с иной, чем у нас, временной траекторией может находиться в нашем времени только мгновение — в момент пересечения его и нашей траектории. Получается, что если мгновением раньше оно было еще в нашем прошлом, то мгновение спустя окажется в нашем будущем.

Фантазируя на эту тему, Хокинг на одном из семинарских занятий представил ситуацию, когда «иновременной» зонд, находясь в прошлом, посылает сигнал о своем прибытии. Этот сигнал должен содержать информацию о времени и координатах точки пересечения траекторий, иначе аппарат рискует появиться внутри материального тела, и это может привести к настоящей космической катастрофе.

Правда, эта ситуация возможна, если наша временная траектория параллельна или не сильно отличается от хода времени, установившегося после возникновения Вселенной в Большом взрыве. Последнее становится несколько понятнее, если учесть, что расстояние во времени и расстояние в пространстве — это совсем разные вещи. Объект может находиться в соседней комнате, даже на соседнем столе, но оставаться для нас невидимым, пребывая где-то в каменном веке. Посланный им сигнал пересек нашу временную траекторию в момент времени, который является для нас далеким прошлым. Сигналы из далекого времени мы получим лишь при условии, что передающий их объект и в пространстве находится достаточно далеко от нас в глубинах космоса…

Рассказывая об особенностях «многомирового» Мироздания, Хокинг подчеркивал, что в нашем Мире мы привыкли видеть астрономические источники света — солнце и звезды — столько времени, сколько они светят. Солнце вспыхнуло задолго до рождения нашей планеты и будет светить еще миллиарды лет, поэтому мы уверены, что оно никуда не исчезнет на протяжении космического мига нашей жизни. В многовременном мире это выглядит совсем не так. Светящийся объект внезапно появляется в поле нашего зрения, выныривая «из ниоткуда», когда достаточно близко подбирается к временному перекрестку, а затем, удалившись от него, становится невидимым и вообще исчезает.

Если бы временной вектор Солнца отличался от нашего на несколько сотых долей процента, оно освещало бы Землю всего несколько сотен тысяч лет. Из этого следует, что потоки времени Солнца и Земли практически параллельны, ведь наша планета пользуется солнечным теплом и светом не менее 5 миллиардов лет.

Все эти кажущиеся исчезновения и появления предметов привлекли внимание Хокинга к вопросам баланса энергии в многовременном мире. Дело в том, что в теории с несколькими временами энергия имеет направление распространения в пространстве, являясь вектором. А раз так, то может случиться, что его компоненты компенсируют друг друга — вещества будет рождаться все больше и больше, а энергия останется неизменной.

Ученые уже очень давно обратили внимание на тот удивительный факт, что уравнения физических теорий построены так, что прошлое и будущее в них абсолютно равноправно. Так что с помощью одних и тех же уравнений можно рассчитать как взрыв с разлетом осколков, так и процесс их слияния, однако каждый из нас хорошо знает из собственного опыта, что в реальной жизни это не так. Реальное время течет только в одном направлении.

Поскольку вектор энергии направлен вдоль времени, изменение временной траектории тела должно сказаться на его энергии, и наоборот. Увеличивая или уменьшая наклон временных траекторий, мы можем получать энергию с помощью своеобразных Т-конверторов и, используя специальные агрегаты из иного времени в качестве сверхмощных аккумуляторов, сохранять ее.

Сегодня мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Из «квантовых лекций» Хокинга становится ясно, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. На самом деле и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. При этом чем более определенна одна величина, тем более неопределенна будет другая. Физики-теоретики даже сумели выразить количественно соотношение определенности и неопределенности и реально им пользуются при описании различных событий в микромире. Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. А как же быть со временем?

В рамках классической физики электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, может обладать любой энергией, но квантовая механика допускает только определенные, строго фиксированные дискретные значения энергии. Различие такое же, как между измерением объема жидкости, образующей непрерывный поток, и определением количества воды, атомы которой можно сосчитать.

Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема. Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка невообразимо мала и определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной.

Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — куб длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.

Любопытно, что движение частиц и полей в пространстве на таком глубочайшем уровне материи будет представлять собой скачки по силовым петелькам. Это чем-то похоже на смесь прыжков кенгуру на батуте и движения шахматной фигуры коня. Частицы и поля — не единственные движущиеся объекты в таком парадоксальном Мире. По общей теории относительности, перемещение материи и энергии обязательно изменит само пространство, и по нему побегут волны, подобно мертвой зыби на морской глади.

В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами не некоторой условной поверхности, при которых шаг за шагом изменяется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов из научно-фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она вспучивается и проваливается.

Вспомним, что в теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единое пространство-время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство-время чем-то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены.

В процессе разработки теории квантовой гравитации группа американских исследователей предсказала удивительное явление: фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.

Глава 11. Ячейки пространства-времени

В природе могут быть вселенные, содержащие всего несколько частиц. Эти вселенные так малы, что невозможно заметить их присоединения к нашему закоулку. Но присоединившись, они изменят видимые значения величин, таких как электрический заряд частиц. Следовательно, мы не можем предсказать, каково будет видимое значение этих величин, так как не знаем, сколько вселенных ожидают своей очереди снаружи. Возможен взрыв рождаемости вселенных. Однако, в отличие от людей, у них, похоже, не будет ограничивающих факторов, таких как пропитание и место под солнцем. Младенцы-вселенные существуют в своем собственном царстве. Это напоминает вопрос, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы.

С. Хокинг. Черные дыры и новорожденные вселенные

В начале нашего века Хокинг принял деятельное участие в развитии еще одной теории на базе новых моделей квантовой гравитации, дающей парадоксальную картину природы пространства и времени на сверхмикроскопическом уровне. Эта необычная теория со странным названием «петлевая квантовая гравитация» (ПКГ) представляет нам пространство и время, состоящие из дискретных частей. Расчеты, выполненные Хокингом и другими известными физиками-теоретиками, представили простую и красивую картину, которая помогла объяснить многие загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву. Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что, хотя и в отдаленном будущем, ее предсказания можно будет проверить экспериментально, и ученые смогут обнаружить атомы пространства и времени, если они действительно существуют. В ПКГ речь идет о структуре пространства-времени в самых малых масштабах площади или объема. Представьте себе некую область, обозначенную границей, которая может быть задана материальным объектом или непосредственно геометрией пространства-времени. Что происходит, когда мы измеряем объем описанной области? Если геометрия пространства непрерывна, то размеры и объем рассматриваемой области могут бить любыми. Но если геометрия как бы «гранулирована», то мы получим целочисленные значения, и будет существовать некоторый минимальный объем.

В теории ПКГ на субэлементарном масштабе пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы грубо задается кубом планковской длины (~10–35 м), введенной Планком.

Мы уже знаем, что на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности. В квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например, очень удаленные участки космоса без звезд, газа и пыли, ученые называют физическим вакуумом, кипящим морем особых виртуальных частиц и неисчерпаемым океаном энергии.

Опыт убеждает нас в том, что многие элементарные частицы похожи на маленькие безостановочно вращающиеся волчки, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц тоже происходит не с любыми, а только лишь с некоторыми дискретными угловыми моментами. Их называют спинами частиц, и они могут принимать целые и полуцелые значения. Частицы с целыми спинами называются бозонами, а с полуцелыми — фермионами, по именам индийского теоретика С. Бозе и итальянского физика Э. Ферми, которые первыми стали изучать специфические особенности этих двух видов частиц.

К бозонам принадлежат глюоны, частица света фотон, квант гравитационного поля гравитон, многие типы мезонов. В отряд фермионов входят кварки, электрон, нейтрино, протон с нейтроном и большинство других тяжелых частиц. Нетрудно заметить, что эти классы частиц играют совершенно различную роль в строении вещества. Фермионы составляют основу вещества, а бозоны — кванты связывающих их калибровочных полей. Свойства бозонов и фермионов настолько различны, что физики долгое время были уверены в том, что это — принципиально различные частички материи. Первые подозрения в скрытом родстве бозонов и фермионов возникли у теоретиков. Уж очень сходным был математический аппарат, описывающий эти два типа частиц! Да и вообще, если за единицу измерения взять спин, равный половине, то у бозонов будут четные целые спины, у фермионов — нечетные целые. Принципиальной разницы нет. Но почему же тогда природа разделила их непроницаемой стеной? Ведь на фоне разнообразных взаимопревращений частиц, столь характерных для микромира, фермионы всегда остаются фермионами, а бозоны — бозонами! В чем тут дело?

Сомнения усилились после открытия глюонов. Хотя это типичные бозоны и исполняют роль связывающего звена в кварковых структурах, они вместе с тем могут сами рождать новые глюоны, которые в свою очередь склеивают их между собой. Получается, что четкой границы между свойствами бозонов и фермионов нет, и те же глюоны имеют двойственную природу.

К идее бозон-фермионного родства теоретики пришли, анализируя уравнения, которым подчиняются эти частицы. Они придумали, как записать эти уравнения в виде, симметричном для целых и полуцелых спинов. А если есть симметрия, то стандартные методы теории Галуа позволяют рассчитать соответствующие мультиплеты: как говорится, это уже дело техники.

Новая симметрия получила название суперсимметрии. Она утверждает, что при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы должны оставаться неизменными. Это как бы зеркальное отражение природы, при котором фермионы превращаются в бозоны, а бозоны — в фермионы. Отсюда сразу же следует, что у каждого бозона должен быть партнер — фермион, и наоборот. Наряду с известными нам кварками-фермионами в природе должны быть еще кварки-бозоны и целая россыпь состоящих из них еще не открытых элементарных частиц.

У электрона, позитрона, нейтрино также должны быть партнеры — бозоны. Еще не открытый на опыте партнер, его называют фотино, есть и у частицы света фотона. Словом, все частицы в природе должны иметь своего суперсимметричного партнера. Часто один их них — легкая частица, иногда даже без массы покоя, как фотон или нейтрино, а второй очень тяжелый. Например, бозонный электрон весит, по крайней мере, в сорок тысяч раз больше обычного электрона. Не меньшая масса у бозонного нейтрино и у фотино. К таким выводам приводят и расчеты, и экспериментальные данные, ведь если бы частицы были легкими, для их рождения в ядерных реакциях требовалось бы меньше энергии, и они давно были бы обнаружены. Некоторые суперсимметричные партнеры могут быть в миллиарды и даже в миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Ни космические лучи, ни один из действующих ускорителей не обладает достаточной энергией, чтобы породить такие тяжелые крупинки материи. В глазах физиков идея суперсимметрии выглядит чрезвычайно привлекательной и многообещающей, однако пока это только гипотеза. Чтобы она стала доказанным фактом, нужно открыть хотя бы некоторые из предсказанных ею частиц, например бозонные кварки или суперпартнеров электрона и нейтрино. Тем не менее это не мешает ученым использовать идею суперсимметрии в своих теоретических исследованиях, и в первую очередь — для построения квантовой теории тяготения.

Вернемся к гравитону — гипотетическому кванту поля тяготения. Если верна гипотеза суперсимметрии, у него тоже есть партнер — гравитино. Это квант калибровочного поля, различающего фермионные и бозонные частицы. Вместе с гравитоном он образует семейство двух гравичастиц. У бозона-гравитона спин равен двум, у фермиона-гравитино — трем вторым. Гравитон подобен фотону и не имеет массы покоя, всегда двигаясь со скоростью света. Масса гравитино точно неизвестна, но по оценкам, по-видимому, раз в сто больше протонной, то есть не меньше, чем у ядра серебра, поэтому гравитино рождается на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Под его влиянием поле тяготения приобретает совершенно новые черты — становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и была создана усилиями физиков многих стран.

Изучение супергравитации еще только начинается. Главное препятствие — отсутствие экспериментальных данных. Некоторые косвенные сведения дает лишь космология. Эволюция Вселенной в ранний период ее жизни, когда она представляла собой смесь из быстро рождающихся, распадающихся и взаимопревращающихся частиц, должна была зависеть от свойств гравитино. Сравнивая различные теоретические космологические сценарии развития Вселенной с астрофизическими наблюдениями, можно сделать некоторые грубые оценки.

Начиная с античных времен естествоиспытатели и философы задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоят пространство и время? Действительно ли окружающий нас объем непрерывен или больше похож на кусок материи, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе — или мир развивается крошечными скачками, действуя, словно компьютер?

Как-то, будучи еще ассистентом профессора Сиамы, Хокинг сделал попытку распространить принципы квантового мира на окружающее пространство. Тогда у него получилось, что оно должно состоять из определенных квантовых единиц площади и объема, производных от длины Планка, связанной с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Из этого исследования Хокинг сделал вывод, что длина Планка определяет сверхмикроскопический масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — куб длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.

Однако профессор Сиама посчитал выводы своего ассистента недостаточно обоснованными и предложил продолжить исследования. И тут Хокинг выдвинул гипотезу, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями — длиной, шириной и высотой, — и в нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения. При этом оказалось, что если гравитация связана с кривизной четырехмерного пространства-времени, то с высшими измерениями связаны другие поля. Главный вывод Хокинга: новая теория квантовой гравитации позволяла совершенно по-иному взглянуть на происхождение Вселенной и представить, что творилось не только сразу после Большого взрыва, но и до него. После смерти Хокинга эту тему продолжают развивать такие видные теоретики, как Роджер Пенроуз и Кип Торн, так что не исключено, что нам с вами еще посчастливится узнать ответ на самую жгучую загадку Мироздания — что же действительно предшествовало рождению нашего Мира.

В дальнейшем при исследовании квантовой гравитации Хокингу пришлось рассчитывать в основном лишь на теорию. Для этого ему пришлось изучать и сравнивать различные ее варианты, отбирая те, которые используют меньшее число предположений и более последовательны. Это напоминало, по признанию самого теоретика, разгадывание трудных кроссвордов, где для каждой колонки или строки пустых клеток можно найти несколько вариантов подходящих слов, но их взаимное расположение дает единственно правильное решение.

Однако, как неоднократно замечал в своих выступлениях профессор Хокинг, даже в простейшем варианте новая теория чрезвычайно сложна математически. При этом он обязательно рассказывал исторический анекдот про Эйнштейна: «С тех пор как на теорию относительности навалились математики, я и сам перестал ее понимать».

«Но по сравнению с теорией супергравитации, — добавлял Хокинг, — общая теория относительности легкое чтение!

В процессе разработки теории квантовой гравитации Хокинг предсказал удивительное явление, когда фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.

Когда в миллиардах световых лет от нас происходят чудовищные взрывы звездных объектов, то в окружающее их пространство устремляются гигантские потоки радиации. В соответствии с теорией петлевой квантовой гравитации частичка такой радиации — фотон, движущийся по спиновой сети, в каждый момент времени занимает некоторое пространство. Дискретная природа пространства заставляет радиацию более высокой энергии перемещаться немного быстрее. Разница ничтожна, но в ходе космического путешествия эффект накапливается миллиардами лет и может наблюдаться в околоземном пространстве.

Хотя силовое воздействие всемирного тяготения буквально пронизывает всю без исключения нашу среду обитания, его кванты в виде частиц-гравитонов еще не наблюдал ни один исследователь. Убежденность в их существовании исходит в основном от физиков-теоретиков, которые, основываясь на квантовой механике, утверждают, что все без исключения силовые поля должны состоять из элементарных энергетических порций — квантов. Проблемы наблюдения отдельных гравитонов обусловлены его чрезвычайно слабым взаимодействием с веществом, лежащим за границей чувствительности современных детекторов, ведь оно более чем на сорок (!) порядков слабее электромагнитных сил. Даже по сравнению с самой неуловимой частицей — нейтрино, для поисков которой используются толща мирового океана и сверхглубокие шахты, взаимодействие гравитона выглядит в биллионы миллиардов раз слабее. Каким же образом сила всемирного притяжения управляла рождением Вселенной, определяет современный облик нашего Мира и когда-нибудь через десятки миллиардов лет поставит последнюю точку в истории нашей реальности?..

Могущество самого грандиозного силового поля Мироздания основывается на неисчислимом количестве ее всепроникающих квантов, составляющих всемирный океан гравитационной энергии, в потоках которой плывут взаимодействующие тела. Если воспользоваться умозрительной моделью, то гравитон будет подобен летящему со скоростью света винтообразно закрученному вихрю энергии, чем-то напоминающему микроскопический торнадо. По сравнению со всеми известными элементарными частицами гравитон, по предсказаниям теоретиков, должен быть самой «закрученной» частицей, ведь ее спин вдвое больше, чем у фотона, и вчетверо превышает спин электрона и нейтрино.

Вот какими удивительными свойствами обладают кванты с детства привычного для нас поля земного притяжения. Что же говорить о квантовых образах иных моделей гравитационных полей, иногда имеющих несколько компонентов с различными спинами. Примером могут служить гравифотоны и гравискаляры, здесь ситуация отдаленно напоминает электромагнитное поле с его магнитной и электрической компонентами. Теория говорит, что взаимодействовать с веществом они должны столь же слабо, как и гравитон, но в отличие от него это довольно массивные частицы с собственной массой покоя. Они могут ускоряться и замедляться, а переносимые ими силы гравитации обрываются в пространстве более резко, чем гравитонные. В этом отношении новые гравичастицы, предсказываемые теоретиками, похожи на мезоны, переносящие ядерные силы. Только мезоны являются довольно тяжелыми, в триста раз массивнее электрона, масса же гравичастиц пока еще известна лишь очень приблизительно. Скорее всего, они чрезвычайно легкие, может быть, даже в сотни триллионов раз легче электрона. Для сравнения: электрон на столько же легче средней молекулы.

Из квантовой теории следует, что радиус сил, переносимых столь легкими частицами, как гравифотоны и гравискаляры, может составить десятки километров. Внутри круга с таким радиусом новые силы будут давать небольшую прибавку к классическому закону всемирного тяготения, которую, однако, физики-экспериментаторы пока еще не смогли идентифицировать. В то же время в космическом масштабе дополнительные гравитационные силы практически исчезают. Это наглядно демонстрируют детальнейшие астрономические наблюдения движения планет и других небесных тел внутри Солнечной системы, а их движение отлично рассчитывается на основе обычной ньютоновской теории, без всяких дополнительных гравитационных компонентов. Здесь прослеживается четкая логическая связь, ведь если бы частицы поля тяготения были еще легче, то их радиус действия возрос бы настолько, что они были бы неминуемо замечены земными наблюдателями. В то же время некоторые из квантов гравитации могут быть очень тяжелыми, превосходя в тысячи раз протоны и нейтроны. Тогда их влияние будет проявляться лишь на ультрамалых расстояниях, еще не доступных современному эксперименту. В этом случае возникают интереснейшие вопросы для физиков: каким образом подобная квантовая гравитация может влиять на процессы в макромире? Связана ли квантовая гравитация с таинственной «темной энергией», и какой вид могут иметь эти связи?

Как видим, здесь еще много неясностей, от которых нас избавит лишь эксперимент, и его результаты могут оказаться весьма неожиданными. В настоящий момент концепцию квантовой гравитации еще трудно соотнести с выводами других, интенсивно развивающихся теорий: инфляционной Вселенной, многомировой интерпретации, Мультиверса и квантовой хронофизики. Так, в последней на вселенскую сцену также выходят «атомы пространства и времени», однако их образ возникает не феноменологическим путем, а в результате анализа фундамента квантовой теории — структуры планковского кванта действия.

В начале прошлого века, незадолго после создания основ квантовой механики, Планк ввел несколько физических величин, получивших название «планковские»: длину, массу и время. Среди физиков-теоретиков до сих пор не утихают споры о том, что же скрывается за мыслимым горизонтом сверхмалых планковских масштабов. Одни видят там кипящий вакуум виртуальных частиц, из пены которого возникают новые миры, тут же проваливаясь в пропасть иных измерений, другие полагают, что континуум пространства-времени заполнен там мембранами из суперструн, а третьи мысленным взором охватывают бесконечные соты ячеек свернутых измерений. Сам Планк при выводе своих параметров руководствовался простым правилом размерностей, комбинируя известные тогда мировые константы, среди которых была и гравитационная постоянная, и это уже может служить одной из нитей, связывающих стандартную теорию с новейшими построениями.

Проблема новых гравитационных сил представляет собой один из интереснейших и актуальнейших вопросов развития современной физики. Это подтверждает и популярная статья «Иллюзия гравитации», опубликованная в журнале «Мир науки» одним из ведущих теоретиков квантовой гравитации Хуаном Малдасеной, в которой он пишет, что общая теория относительности (лучшая теория гравитации) является принципиально классической (то есть неквантовой). Великое творение Эйнштейна гласит, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно оказываются в гравитационном поле. Общая теория относительности чрезвычайно стройна и красива, а многие ее предсказания проверены с величайшей точностью.

В классических теориях объекты имеют определенные положения и скорости, подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца. Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Кроме того, пустое релятивистское пространство-время является идеально гладким независимо от того, насколько детально его исследуют. Оно представляет собой абсолютно ровную арену, на которой выступают вещество и энергия.

Здесь важно помнить, что мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений из-за их особого вида. Считается, что они свернуты в ультрамикроскопические клубки (компактифицированы), которые все наши измерительные инструменты, от микроскопов до сверхмощных ускорителей, не отличают от геометрических точек. Такая интерпретация стандартна, но не обязательна: электроны, кварки и прочие частицы материи представлены струнами со свободными концами.

Таким образом, голографическое соответствие — не просто новая возможность создания квантовой теории гравитации. Оно фундаментальным образом объединяет теорию струн как наиболее изученный подход к квантовой гравитации с теорией кварков и глюонов, которая является краеугольным камнем физики элементарных частиц. Более того, голографическая теория, по-видимому, позволяет составить какое-то представление о точных уравнениях теории струн. Она была придумана в конце 1960-х годов для описания сильных взаимодействий, но ее забросили, когда на сцене появилась теория хромодинамики. Соответствие между теорией струн и хромодинамикой подразумевает, что прежние усилия не пропали даром: оба описания являются различными сторонами одной и той же монеты.

С годами на базе петлевой гравитации была создана обширная теория, дающая новую картину природы пространства и времени на уровнях планковского масштаба. Самый удивительный ее аспект в том, что на этом масштабе пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы задается кубом планковской длины. Площадь поверхности, отделяющая одну область пространства от другой, измеряется в дискретных единицах, мельчайшая из которых в грубом приближении равна квадрату планковской длины. Таким образом, если взять некий произвольный объем пространства и измерить с очень высокой точностью, мы обнаружим, что значение объема будет укладываться в дискретный ряд чисел, подобно тому как это происходит с энергией электрона в атоме. А равно, как и в случае энергетических уровней атома, здесь тоже можно вычислять дискретные площади и объемы на основе теоретических выкладок.

Важный урок состоит в том, что квантовая гравитация, на многие десятилетия озадачившая лучшие умы планеты, может оказаться очень простой, если ее рассматривать в терминах правильных переменных. Будем надеяться, что вскоре у нас появится простое описание парадоксального Мироздания, включая и сам момент рождения Вселенной — Большой взрыв.

Поиск новых закономерностей гравитационного взаимодействия между материальными телами всегда был одним из интереснейших вопросов физики. Особенно много опытов было поставлено по определению силы тяготения между разнородными веществами. Здесь несомненная пальма первенства принадлежит венгерскому физику Роланду фон Этвешу. Еще без малого столетие назад Этвеш выполнил множество уникальных по точности экспериментов для проверки зависимости силы гравитационного притяжения от материала взаимодействующих тел. Он изучал притяжение подвешенных на тонких нитях грузов. Они крепились на нитях асимметрично их центрам, и даже очень-очень слабое притяжение закручивало нити, а это можно увидеть, например, по перемещению светового зайчика, отброшенного на экран прикрепленным к нити крохотным зеркалом.

Многие космологи и астрофизики утверждают, что всего этого уже достаточно, чтобы решить задачу о том, что происходит со Вселенной при приближении к сингулярности.

Такого же мнения придерживался и Хокинг, а решения полученных им уравнений показали, что при экстремальном «сжатии» Вселенной пространство как бы рассыпается. При этом, по выводам теоретика, квантовая геометрия не позволяет уменьшить конечный объем до нуля. На определенном этапе неизбежно должна произойти остановка и вновь начаться расширение. Эту последовательность состояний можно отследить как вперед, так и назад во «времени», а значит, в этой теории до Большого взрыва с неизбежностью присутствует Большой хлопок — катастрофическое сжатие «предыдущей» вселенной. При этом свойства этой предыдущей вселенной не теряются в процессе коллапса, а однозначно передаются в нашу Вселенную.

Ну а теперь вспомним, что, рассуждая о возможных проявлениях ячеистой структуры пространства-времени мы забыли о самом главном событии в истории Мироздания — его рождении в пучинах Большого взрыва. Элементарная логика подсказывает, что если атомы пространства и времени существуют, то они должны были проявиться в самом начале эволюции Вселенной. Именно тогда и должна была возникнуть космологическая стрела времени, управляющая течением всех процессов и явлений нашего Мира.

Глава 12. Инфляция новорожденного мира

Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.

С. Хокинг. Рождение и гибель Вселенной

Несмотря на шокирующую экзотику построений Эверетта — Уилера, сама по себе гипотеза множественных вселенных оказалась довольно продуктивной, вызвав еще один поток работ в области квантовой космологии. В их основе лежит удивительная модель инфляционного Большого взрыва. Согласно инфляционному сценарию наш Мир родился из неизвестно чего под названием космологическая сингулярность. Отвечая на вопросы слушателей после очередной лекции о происхождении нашего Мира, Хокинг, чтобы поставить на место излишне любопытствующих об этом совершенно непонятном состоянии материи, иронизируя, весомо добавлял: «Это была квантовая космологическая сингулярность!»

Итак, из его рассуждений следовало, что по истечении 10–43 секунды постсингулярного развития Вселенная «приобрела свое тело», мгновенно расширившись до наблюдаемых размеров. Это кратковременное сверхбыстрое (инфляционное) расширение и дало название данной теории. Что же «сдетонировало» в ходе Большого взрыва, породившего наш Мир?

Приверженцы инфляционной теории раздувающейся Вселенной во главе с Хокингом считают, что на изначальном этапе существовал только физический вакуум, пронизанный неким первичным полем, параметры которого сильно менялись из-за квантовых флуктуаций, «вспенивающих» изначальное пространство-время.

Квантовая флуктуация — это неопределенность параметров какого-то процесса, его «размазанность», и если одна из таких флуктуаций достигнет надкритического размера («размытость» параметра пересечет своим краем некоторую критическую границу), это может привести к острому локальному экстремуму (вспоминаем школьную математику!) интенсивности поля. Этот полевой «подскок» параметров и может создать условия для выхода на инфляционный режим. В итоге возникает молниеносно расширяющийся пузырек — зародыш нашей Вселенной, за невообразимо малый «квантовый» срок заполняющий как минимум объем Метагалактики.

Так, по крайней мере умозрительно, рождается вселенская сцена, на которой материя и энергия по тщательно и не очень выписанным сценариям теорфизиков-космологов начинают разыгрывать грандиозный спектакль под названием «Наша физическая реальность»! Тут надо заметить, что режущее вначале слух слово «сценарий» ученые, работающие в области космологии, науки о Вселенной в целом, любят применять к любым «глобальным» процессам, ведь все же приятно хоть изредка чувствовать себя этаким всемогущим демиургом — сверхъестественным существом, создающим иные миры!

Хотя в квантовой инфляционной космологии еще очень много белых пятен, да и сам по себе механизм инфляции малопонятен, Хокинг вместе с коллегами создал несколько вариантов инновационных сценариев вечной инфляции. Эта парадоксальная концепция предполагает, что квантовые флуктуации, подобные той, которая, возможно, положила начало нашей Вселенной, не исчезли в первые мгновения Большого взрыва, а продолжают самопроизвольно возникать, порождая все новые и новые миры. Не исключено, что и наша Вселенная сформировалась подобным образом в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что и в нашем Мире возникнет флуктуация, которая разовьется в новую вселенную, может быть даже с иными физическими законами и структурой пространства-времени, тоже впоследствии способную к космологической «редубликациии». Конечно же, в подобных сценариях очень много загадок, так, не совсем ясна роль энергии вакуума. Эту загадочную «пустую» субстанцию Хокинг считал буквально перенасыщенной энергией!

Разрабатывая варианты космической инфляции, Хокинг предположил, что именно энергия вакуума определяет структуру космической материи. По его словам, будь она немного ближе к нулю, Вселенная так бы и осталась безжизненной и бесформенной смесью газа и пыли, равномерно распределенной по космическому пространству. В противном случае, чем больше была бы величина темной энергии, тем быстрее первичное вещество сконденсировалась в массивные галактики, которые давным-давно сколлапсировали бы в черные дыры.

Любопытно, что сценарий непрерывно рождающегося инфляционного Мира позволяет совершенно по-иному взглянуть на вероятность зарождения жизни. Эта величина, по мере продвижения вперед исследований в области молекулярной биологии и генетики, все более приобретает поистине отрицательное астрономическое значение. Сложность до сих пор не найденного «механизма запуска» жизненных процессов позволяет считать, что даже действия всех возможных факторов на протяжении эволюции нашей Вселенной (после образования первых звезд) может не хватить для его реализации. Однако наличие бесконечного количества разнообразных миров коренным образом меняет ситуацию.

Естественно, многие миры Мультиверса могут быть абсолютно безжизненны, например, если в них иные фундаментальные физические константы, не способствующие развитию жизненных процессов. Среди таких постоянных важнейшими могут быть гравитационная константа и размерность пространства. Если бы гравитация была слабее, первичные газопылевые туманности не могли бы конденсироваться в плотные скопления вещества, дающие начало звездам; в противном случае звезды сгорали бы так быстро, что жизнь не успела бы возникнуть. Для размерности пространства вряд ли надо доказывать, что ни двумерное, ни тем более одномерное пространство не могут вмещать биомолекулы. С другой стороны, в четырехмерном пространстве и пространствах более высоких размерностей были бы невозможны стабильные планетные орбиты, определяющие космические «зоны жизни».

Конечно, все эти соображения основаны на предположении, что жизнь возникает лишь в привычных для нас формах, но ведь других мы не знаем. Можно, конечно вспомнить знаменитые научно-фантастические романы «Солярис» Станислава Лема и «Облако» Фреда Хойла и порассуждать о мыслящем поле или разумной плазме, но вряд ли стоит прибегать к таким аргументам без достаточных оснований. Иначе говоря, наш мир таков, каков есть, не потому, что его так спроектировали неведомые высшие силы, а просто в силу действия закона больших чисел. Перебор стремящегося к бесконечности количества вариантов обязательно приведет к возникновению жизни и разума. Ну, а когда-нибудь сверхцивилизации будущего смогут найти и способ связи через барьеры пространства-времени иных измерений.

Существует и еще более фантастическая гипотеза, согласно которой нить жизни может теряться в глубине прошлого Мультиверса, возникнув на протяжении сотен миллиардов лет из случайных факторов, а вот ее споры могли бы уже передаваться каким-то чудесным образом из одного мира в другой, достигнув, в конце концов, и нашей Вселенной. Впрочем, здесь мы уже давно покинули зону научных спекуляций (так называются беспочвенные теоретизирования), прошли этап научной фантастики и вступили в область ненаучного фантазирования…

Ну, а подытожить головокружительное жизнеописание нашего Мира поможет еще один рассказ из «Краткой истории времени от Большого взрыва до черных дыр». Хокинг считал, что во Вселенной, скорость расширения которой растет из-за космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за гравитационного притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области ранней вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселенной имеют одинаковые свойства. Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной скорости расширения Вселенной.

Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.

Поскольку, как остроумно объяснял Хокинг, дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю.

В квантовой теории поля считается, что виртуальные частицы принципиально прямо не наблюдаемы. Это очень странное качество частиц, но в принципе ожидаемое, поскольку оно логически вытекает из исходного принципа неопределенности — квантовые объекты невозможно наблюдать непосредственно, нужен некий посредник, изменяющий их состояние. Тем не менее, в квантовой электродинамике все процессы взаимодействия предполагают наличие виртуальных частиц.

Какова же возможная природа виртуальных частиц? Тут есть несколько вариантов ответов. Можно предположить, что они являются новым видом физической реальности, открытым в квантовой теории поля, или же считать их некоторыми абстрактными объектами, не имеющими реальных аналогов и лишь приближенно моделирующими механизмы взаимодействия элементарных частиц.

А можно вообще перейти на самые общие категории пространства и времени, сопоставив виртуальным частицам некую «потенциальную реальность пространственной локализации», существующую лишь в возможности выйти за границы времени жизни. Это время жизни виртуальной частицы, подобно энергии и пространству, будет уже не квантуемо, а хроноквантуемо, включая в себя целое количество элементарных «атомов времени» хроноквантов. Тогда само по себе превращение виртуальных частиц в реальных опытах можно рассматривать как косвенное подтверждение «движения» виртуального объекта по шкале времени. Получается, что за гранью сверхмалого скрывается еще один тип бытия — реально-временного «там» и пространственно-потенциального «здесь». Нечто подобное описывал профессор Хокинг, рассказывая своим студентам о воображаемом путешествии в бездну провала застывшей звезды — коллапсара.

Вообще говоря, в некоторых областях стандартных теорий и в большинстве неустоявшихся инноваций довольно часто встречаются не только «принципиально ненаблюдаемые» объекты в виде виртуальных частиц и тех же кварков, но и всяческие сингулярности, бесконечности, расходимости. В одной из своих последних работ Хокинг рассмотрел целый класс «принципиально квантово-нелокальных систем и объектов», причем эта квантовая нелокальность материальных тел распространяется даже не на Метагалактику, а на всю сущий Мир, захватывая еще и иррациональную область индивидуального сознания.

В той статье Хокинг отметил и серьезную проблему квантовой теории поля, связанную с возникновением при теоретических расчетах «духов» — состояний микрообъектов с отрицательной вероятностью. Вообще говоря, вероятность событий может быть любым числом от нуля до единицы. Для невозможного события вероятность равна нулю, а для полностью достоверного — единице («стопроцентная вероятность»). В чем же может состоять физический смысл отрицательной вероятности? Этот вопрос до сих пор в немалой степени занимает внимание теоретиков.

Мысли Хокинга дополнялись рассуждениями патриарха космологии Уилера о том, что сверхбольшое и сверхмалое может смыкаться в своей природе. А поскольку сверхпространство, в котором, собственно говоря, и происходит расширение нашей Вселенной, вполне может быть неметрическим, то и в инфрамикромире планковских масштабов метрические отношения могут неузнаваемо измениться или даже совсем исчезнуть.

Профессор Хокинг указывал, что существование эталонов длины и времени связано с миром атомов и молекул, где длина соизмерима с периодом кристаллической решетки, а длительность с колебаниями молекул и атомов. Но переход к планковским масштабам аналогичен сравнению Метагалактики с атомом! Естественно, что при этом все метрические эталоны могут потерять свой смысл вместе с самими понятиями длины и времени. Собственно говоря, метрические отношения на данном уровне реальности могут иметь иной качественный характер, например, содержать своеобразные атомы пространства — планкионы или максимоны и времени — хрононы или хронокванты. Существуют ли они на самом деле? Пока мы еще очень далеки от исследования таких глубин материи, но принципиальная возможность существует и связана она с новыми поколениями ускорителей элементарных частиц. Однако и здесь потребуются новые экспериментальные методики, иначе для насыщения энергией подобных опытов не хватит всех планетарных ресурсов!

Глава 13. Теория теорий

Вселенная возникла в результате Большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. По мере расширения Вселенной она охлаждалась, и энергии частиц уменьшались. В конце концов должен был бы произойти так называемый фазовый переход, и симметрия сил была бы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого и электромагнитного. Известный пример фазового перехода — замерзание воды при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют определенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результате симметрия воды нарушается.

С. Хокинг. Рождение и гибель Вселенной

В последних эссе, посвященных будущему науки, Хокинг писал, что самым грандиозным успехом была бы долгожданная единая концепция всех частиц и сил — «Теория Всего». На пути к этому, конечно же, возникнут многочисленные новые модели пространства и времени (впрочем, их и сейчас более чем достаточно), которые помогут разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это грандиозная цель, и вполне возможно, что для ее осуществления потребуется еще одна революция в наших представлениях о структуре физической реальности.

Первым шагом на пути к математической интеграции обеих теорий является теория квантового поля. Эта теория пытается описать поведение электронов, объединяя квантовую механику и частную теорию относительности Эйнштейна. Такое объединение идей оказалось довольно успешным, но в то же время английский физик, лауреат Нобелевской премии П. Дирак, автор теории квантового поля, признался: «Похоже, что поставить эту теорию на солидную математическую основу практически невозможно». Вторым и гораздо более сложным шагом должна быть интеграция общей теории относительности и квантовой механики, но пока никто не имеет ни малейшего представления о том, как это сделать. Даже такие признанные авторитеты, как Нобелевский лауреат С. Вайнберг, признают, что только для создания математического аппарата новой теории понадобится столетие или два.

Чтобы по-настоящему оценить всю шаткость надежд ученых когда-либо найти разгадку происхождения Вселенной, нужно знать, что они возлагают их главным образом на еще не созданную теорию единого поля, которая должна будет объединить в себе теорию относительности и квантовую механику. Они надеются, что эта теория опишет все силы, действующие во Вселенной, с помощью одного компактного математического выражения. При этом теория относительности необходима для описания общей структуры пространства-времени, а квантовая механика — для объяснения поведения субатомных частиц. К сожалению, обе теории явно противоречат друг другу.

Как-то раз физики-теоретики, в очередной раз перебирая умозрительные построения, натолкнулись на очень странный результат, полученный в начале 20-х годов прошлого века польским физиком Теодором Калуцей, преподававшим в то время в Кенигсбергском университете. Профессор Калуца подверг глубокому анализу ряд положений общей теории относительности, и в первую очередь рассмотрел вывод о том, что, являясь физической силой, тяготение, тем не менее, имеет чисто геометрическую природу, являясь искривленностью четырехмерного пространства-времени. Кроме гравитации в то время был известен только один тип силового поля, открытого в свое время Максвеллом, — электромагнитного, и Калуца предположил, что оно также имеет геометрическую природу.

Этот парадоксальный результат очень пригодился при создании теории единого суперполя, все компоненты которого, основываясь на идее Калуцы, можно было бы считать гравитацией в многомерном пространстве-времени. Правда, здесь опять возникает каверзный вопрос: почему мы никак не ощущаем наличие дополнительных пространственных измерений в окружающей физической реальности?

Ответ на данный вопрос пока удается получать только писателям-фантастам, многократно эксплуатирующим идею многомерных миров. Любопытно, что даже поверхностный художественный анализ подобной концепции сразу же приводит к некоторым вполне разумным выводам.

Можно, конечно, придумать Вселенную и из полностью независимых параллельных миров, каждый из которых, подобно гладкой шелковой ленте, повторяет все изгибы соседнего. Многие писатели-фантасты давно уже продуктивно эксплуатируют подобные идеи.

Тут Хокинг вспомнил свою давнюю работу, опубликованную в форме препринта. В ней он рассматривал попадание одного бита информации в черную дыру. При этом площадь ее поверхности возрастает на квадрат планковской длины (около 1,6 × 10–35 метра).

Поначалу факт увеличения черной дыры при падении в нее вещества или энергии показался теоретику не особо интересным. Однако в дальнейшем он обратил внимание на удивительное обстоятельство — в прямой пропорции с попавшей в черную дыру информацией увеличивается именно площадь ее поверхности, а не объем, что в корне отличается от любого другого из известных объектов во Вселенной. В случае большинства известных нам объектов справедливо утверждать, что при «поглощении» одного бита информации объем объекта вырастет на единицу, а площадь его поверхности — всего на долю. Но в случае с черными дырами ситуация обстоит иначе. Как будто эта информация попадает не внутрь компактного объекта, а остается на его поверхности.

Тут Хокинг вспомнил о принципе голографии. Голограмма — это изображение системы, полученное при помощи меньшего количества измерений, способное вместить в себя всю информацию из оригинальной системы. Например, мы живем в трех пространственных измерениях. И когда многочисленные посетители Кембриджа делают селфи со знаменитым физиком, камера смартфона создает двухмерный снимок, но при этом не запечатлевает всю информацию, и когда позже вы рассматриваете изображение, вы не можете, например, увидеть свой затылок, как бы вы ни крутили изображение.

Запись голограммы сохранила бы всю эту информацию. Даже будь она двухмерной, вы все равно смогли бы исследовать ее со всех углов в трех измерениях.

Хокинг предположил, что описание коллапсара как голограммы может решить так называемый информационный парадокс черных дыр. Он включает проблему исчезновения информации из нашего мира после пересечения веществом горизонта событий. Само упоминание здесь эргосферы гравитационных коллапсаров далеко не случайно. Собственно говоря, еще в самом начале поисков подходов к построению «Теории Всего» Хокинг в докладе на одной из конференций по теорфизике сформулировал необычный принцип: чем глубже мы погружаемся в глубины черной дыры, тем ближе оказываемся к единению всех частиц и сил….

С тех пор Хокинг с коллегами перепробовал несколько подходов к исследованию внутреннего пространства коллапсаров и, не достигнув решающих успехов, остановился на применении голографических принципов, таких как AdS/CFT-соответствие.

AdS означает «антидесситоровское пространство» и представляет собой частное решение уравнений теории гравитации Эйнштейна, описывающее абсолютно пустую вселенную с отрицательной кривизной пространства. Это, как однажды пошутил Хокинг, довольно скучная вселенная: в ней нет вещества или энергии, а параллельные линии в итоге расходятся из-за геометрии, лежащей в ее основе. Пусть оно и не описывает Вселенную, в которой мы живем, для начала это уже какая-то вселенная. И у этой модели есть необходимые математические свойства для осуществления связей, необходимых теоретикам.

Другой стороной этого соответствия является система, известная как конформная теория поля (conformal feld theory, CFT). Теоретическая физика не очень аккуратна с теориями полей, писал в своей последней «объединительной» статье Хокинг, — это те самые молоты, при помощи которых ученые забивают множество квантовых гвоздей, используемых для описания трех из четырех сил природы. У электромагнетизма, сильного ядерного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия есть описания в теории поля, которые активно использовались в течение последних 50 лет.

Скажем, вы пытаетесь решить очень сложную задачу вроде квантовой гравитации при помощи теории струн, — рассуждал Хокинг, — которая в свою очередь является попыткой связать все фундаментальные взаимодействия и частицы во Вселенной с точки зрения маленьких вибрирующих струн. На самом деле это настолько сложная задача, что до сих пор никто не нашел ей решения, несмотря на десятилетия попыток. AdS/CFT-соответствие говорит нам, что для того, чтобы избежать невероятной головной боли, можно использовать голографический принцип.

Вместо того чтобы пытаться решить проблему квантовой гравитации в нашей трехмерной Вселенной, AdS/CFT-соответствие позволяет нам переключиться на эквивалентную проблему на границе вселенной, где, скажем, присутствует всего два измерения и отсутствует гравитация. Поскольку именно на границе нет гравитации.

Умопомрачительно сложная математика теории струн замещается набором просто безумно сложных уравнений теории поля. Далее появляется возможность решить свои задачи без того, чтобы в них вмешивалась гравитация, и перенести полученный результат в нормальную трехмерную Вселенную и сделать предсказания.

Звучит все это, как чудесная идея: обмануть природу, обойдя гравитационные махинации. Более того, это может оказаться замечательным способом «решить» квантовую гравитацию. Однако тут есть несколько моментов, добавляет Хокинг. Во-первых, вы не живете во вселенной с антидесситоровским пространством. Наша Вселенная полна вещества, излучения и темной энергии и обладает практически идеальной плоской геометрией. Существует ли похожее соответствие, которое работает в нашей реальной Вселенной? Возможно, и теоретики усердно трудятся над ее поисками.

Во-вторых, «граница», о которой говорится в AdS/CFT-соответствии, — это космологический горизонт, граница того, что мы можем видеть в нашей наблюдаемой Вселенной. И все бы ничего, но мы живем в динамическом пространстве-времени с постоянно расширяющимся пространством, где граница постоянно смещается. Современные теории пока не очень хорошо справляются с этим моментом.

И в-третьих, когда вы переходите от полностью описанной антидеситтеровской вселенной к более простой пограничной модели, к которой применима конформная теория поля, новые наборы уравнений разрешимы только в принципе. И они вполне могут оставаться такими же невероятно сложными для решения. Так что, если вы срезали угол и обошли гравитацию, это не означает, что вы уже со всем разобрались. А иначе теоретики, работающие в этой области, давно бы уже нашли единое решение проблемы.

Итак, живем ли мы в голограмме? Даже если связь AdS/CFT-соответствия окажется плодотворной для работы с квантовой гравитацией и если ученые смогут найти способ обойти сложности и сделают эту технику соответствующей Вселенной, в которой мы живем, это не будет значить, что мы обитаем в голограмме. Другими словами, если AdS/CFT-соответствие предоставляет удобный способ решения проблем с гравитацией, это вовсе не означает, что наша Вселенная с гравитацией и тремя пространственными измерениями — иллюзия, и мы на самом деле живем на двухмерной границе без гравитации.

Математические аппараты, насколько бы полезными они ни были, не обязательно точно диктуют то, как нам следует воспринимать фундаментальную природу реальности. Если голографические принципы полезны для решения задач, это не означает, что мы живем в голограмме. И даже если бы мы действительно жили в голограмме, мы все равно вряд ли смогли бы заметить разницу.

Вспомним, как поразительно законы всемирного тяготения Ньютона и Кулона повторяют одну и ту же математическую форму. Различаются они лишь тем, что в закон Кулона входят электрические заряды тел, а в закон Ньютона — их массы, так что получается, что наряду с электрическими зарядами тела как бы имеют своеобразные гравитационные заряды, в точности равные их массам.

Это совершенно удивительный факт окружающей нас природы, и тут сам собой напрашивается вопрос: насколько случайны эти замечательные совпадения и не скрыта ли здесь какая-то новая фундаментальная физическая закономерность? С помощью закона всемирного тяготения можно предсказать (и этим широко пользуются астрономы) на десятки лет вперед точно, день в день, появление комет, траектории планет и многочисленных искусственных спутников.

Вернемся теперь к теории гравитации Эйнштейна, гласящей, что вблизи любого материального тела (физики обычно обобщают — гравитирующей массы) или энергии, которая в этом случае эквивалентна массе, искривляется само пространственно-временное многообразие Минковского. Естественно, что при этом изменяются траектории частиц, движущихся в гравитационном поле. Соответственно, пустое пространство-время является абсолютно ровным и гладким, представляя собой идеальную сцену для выступления вещества и энергии во вселенском спектакле. Проблема только в том, что на все роли в потоке бесчисленных теорфизических сценариев у Природы может не хватить ролей….

Поэтому Эйнштейн при создании общей теории относительности и предположил, что равенство массы и гипотетического гравитационного заряда абсолютно точно выполняется для любых видов материальных тел. При этом он считал, что, в отличие от электрических зарядов, их гравитационные аналоги имеют только один знак, определяя этим лишь единственное направление действующих между ними сил, направленных только на сближение тел.

Мы уже знаем, что в конце прошлого столетия независимо был заложен фундамент двух наиболее популярных конкурирующих направлений в теории квантовой гравитации — петлевой квантовой гравитации и теории струн. Для построения ПКГ важную роль сыграли новые оригинальные формы теории относительности, позволившие существенно сблизить между собой физико-математические языки, на которых рассматриваются неевклидово пространство-время и квантовый микромир.

Тут надо заметить, что в большинстве случаев противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой не составляют особой проблемы, поскольку квантовые и гравитационные эффекты исчезающе малы относительно друг друга, так что в практических расчетах ими вполне можно было бы пренебречь. Однако в сильно искривленном пространстве-времени квантовые свойства гравитации могут быть довольно существенными.

Один из вариантов «закрученного (или скрученного) пространства Хокинг успел рассмотреть в последние дни жизни совместно с профессором физики из Университета Огайо Самиром Матуром. Там он соглашался с гипотезой существования некоего щита вокруг черных дыр, который уничтожает любую материю. Но также он обнаружил «лазейку» в этой теории, которая позволяет предположить, что наша Вселенная вполне может находиться внутри такой черной дыры.

Более десятилетия назад Хокинг использовал теорию струн, объясняя, что черные дыры являются своеобразным клубком из них. Однако в ходе изучения этой теории физики пришли к выводу, что поверхность этого «клубка» способна испепелить все живое и неживое, что ее касается, — это и есть «огненная стена», или «файервол». И в своем последнем исследовании Хокинг пришел к выводу, что черные дыры — это не убийцы, а, скорее, некий аналог копировальной машины.

Согласно этой гипотезе Хокинга объект, который касается «файервола», становится не совсем совершенной собственной копией и продолжает существовать в виде голограммы по ту сторону горизонта событий. Эту теорию Хокинг и Матур подтвердили математическими расчетами, которые фактически развивают распространенную в физике теорию взаимодополняемости, добавив к ней идею «несовершенства копий».

Новая гипотеза прямым образом не вписывается в существующие наброски будущей объединенной теории. Поэтому экспериментальное открытие пятой силы привело бы к существенному пересмотру направлений поисков единой теории и, может быть, дало бы этим поискам новый решительный импульс. Физики-теоретики, складывающие мозаику экспериментальных фактов в единую картину мироздания, с надеждой ждут недостающих фрагментов, которые, быть может, окажутся ключевыми. Но надежды эти сочетаются с естественным недоверием, потому что большие открытия происходят редко. Ближайшее будущее покажет, что привлекло внимание исследователей — случайная тень на монолитном фундаменте физики или след потайного хода вглубь.

В своей замечательной книге «Теория Всего» кембриджский теоретик разделил все наши знания по физике на три уровня. Первый — сведения о различных явлениях, второй — объединяющие их законы и, наконец, третий, высший уровень — симметрия, которая устанавливает связь между самими законами.

Хокинг понимал симметрию как своеобразную «стойкость» материальной системы к внешнему воздействию на ее отдельные параметры. Можно говорить, например, о симметрии по отношению к пространственным сдвигам, о симметрии всех явлений природы при замене частиц на античастицы, о симметричности свойств частиц по отношению к какому-то типу взаимодействий, и так далее.

Так вот, в последние годы Хокинг пришел к мысли, что симметрия — это самое главное, что есть в физике. И с ним трудно не согласиться. Ведь симметрия связана с законами сохранения, на которых держится вся физическая наука. Законы сохранения устанавливают ограничения на возможные движения системы и происходящие в ней процессы. Их знание чрезвычайно важно для понимания ее свойств. Образно говоря, симметрия и законы сохранения выполняют роль железного каркаса, на котором держится здание физической теории.

Свою теорию симметрии молодой французский математик Эварист Галуа записал в ночь перед роковой дуэлью. Раненый, он умер, не приходя в сознание, а обессмертившая его имя теория лежит в фундаменте современной физики элементарных частиц. Формулы Галуа позволяют объединить все элементарные частицы в семейства — мультиплеты, члены которых при преобразовании симметрии переходят друг в друга. Удивительно, но каждый такой мультиплет можно считать одной и той же частицей в различных своих состояниях.

Главное значение теории Галуа состоит в том, что она, подобно таблице химических элементов Менделеева, позволяет предсказывать существование еще не известных мультиплетов с данной симметрией. Трудно переоценить пользу такой теории! Это похоже на то, как если бы, плутая в Королевстве кривых зеркал, мы вдруг нашли волшебные очки, и прихотливо изогнутый деформированный мир приобрел бы для нас четкие формы. Открытие новых мультиплетов элементарных частиц — очень важное событие в физике, порождающее лавину экспериментальных и теоретических исследований. Это поворотные пункты в развитии физической науки, когда она получает в свое распоряжение карту нового района Страны неизвестного. Но чтобы пользоваться этой картой, сначала нужно определить на ней масштабы расстояний и высот местности, т. е. прокалибровать своеобразным образом.

Мы уже знаем, что четыреста с лишним лет назад великий Галилео Галилей открыл замечательную симметрию двух систем координат — неподвижной и равномерно движущейся вдоль прямой линии. Физические процессы протекают в них совершенно одинаково. Находясь внутри закрытой кареты, никакими опытами нельзя установить, стоит она на месте или равномерно движется. Галилей установил ее для небольших скоростей и только для механических процессов. Других возможностей у него не было. В начале прошлого века было доказано, что данная симметрия сохраняется при любых скоростях, вплоть до самых больших, близких к скорости света, и не только для механических, но вообще для любых физических процессов.

А можно ли найти еще более общую, симметрию? — этот вопрос Хокинг неоднократно обсуждал с ведущими теоретиками. Постепенно у него сформировался вывод, что сама теория как бы подсказывает дальнейший путь ее развития. Для этого только нужно открыть еще одну симметрию, настолько общую, чтобы она охватывала все известные нам виды материи.

Обсуждая с коллегами различные идеи объединения, Хокинг всегда делал акцент на том, что квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии. С другой стороны, физики давно уже открыли у элементарных частиц своеобразное внутреннее «вращательное» движение и назвали его спином.

При этом профессор Хокинг возвращался к квантовой теории тяготения, которая основывалась на гипотезе существования гравитона — кванта поля тяготения. Гравитон подобен фотону — это безмассовая частица, движущаяся со скоростью света и проявляющая свои уникальные свойства на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Поле тяготения на таких масштабах приобретает совершенно новые черты и становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она до сих пор интенсивно разрабатывается героическими усилиями интернационального коллектива физиков многих стран. Однако главным препятствием для развития этой замечательной теории остается отсутствие надежных экспериментальных данных.

На помощь пришла суперсимметрия, оказалось, что бесконечности, связанные с квантовой гравитацией, компенсируют друг друга. Это был выдающийся успех. Первая область квантовой физики, где злой дух бесконечностей был побежден и изгнан! Появилась реальная надежда создать непротиворечивую теорию элементарных частиц.

Однако более тщательные исследования показали, что часть бесконечностей все же осталась. И вот тут был сделан еще один важный шаг — выдвинута гипотеза о том, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями — длиной, шириной и высотой, — и в нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения.

Хотя мысль о высших пространственных измерениях — неподтвержденная экспериментом гипотеза, в глазах физиков она выглядит весьма убедительной. Она обещает отрубить головы дракону бесконечностей, как нить Ариадны ведет физиков к последовательной и самосогласованной теории вещества и поля. Трудно даже подумать, что столь плодотворная идея может оказаться всего лишь временной теоретической химерой.

Есть еще одно соображение, которое, казалось бы, убедительно говорит о том, что в нашем мире нет в явном (несвернутом) виде ни четвертого, ни более высоких пространственных измерений. Английский астрофизик Артур Эддингтон доказал, что в этом случае вообще не было бы атомного вещества, так как в мирах с числом измерений, большим трех, электрические заряды взаимодействуют слишком сильно. Электроны там не могут удержаться на орбитах, и атомы «взрываются внутрь» или коллапсируют. Может быть, такие своеобразные миры где-то и существуют вне нашей реальности, но в нашей Вселенной атомы вполне устойчивы. Трудность с лишними пространственными измерениями была главной причиной подозрительного отношения физиков к идее Калуцы. Первую серьезную попытку справиться с ней предпринял шведский теоретик Оскар Клейн. Перечитывая своего любимого Уэллса, в его «Машине времени» он наткнулся на следующий диалог:

— Можно ли признать действительно существующим кубом то, что не существует ни единого мгновения?

Филби задумался.

— А из этого следует, — продолжал Путешественник по Времени, — что каждое реальное тело должно обладать четырьмя измерениями: оно должно иметь длину, ширину, высоту и продолжительность существования. Но вследствие прирожденной ограниченности нашего ума мы не замечаем этого факта. И все же существуют четыре измерения, из которых три мы называем пространственными, а четвертое — временным. Правда, существует тенденция противопоставить три первых измерения последнему, но только потому, что наше сознание от начала нашей жизни и до ее конца движется рывками лишь в одном-единственном направлении этого последнего измерения…

По мнению Хокинга, классик фантастического жанра был вполне прав, и четвертое пространственно-временное измерение существует реально и не ощущается нами лишь потому, что мир в этом направлении имеет микроскопически малый радиус, представая неким замкнутым на себя крошечным пузырьком «вырожденной реальности».

Вспомним структуру электромагнитного поля, представив себе две разноименно заряженные металлические пластины и слой электрических силовых линий между ними. Если пластины раздвинуть на расстояние много большее их размеров, слой превратится в жгут силовых линий. Он обладает определенной упругостью, и его можно назвать электрической полевой струной. Подобная же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками. С помощью мелких железных опилок ее можно сделать видимой и убедиться в том, что, будучи отклоненной, в сторону, она упруго восстанавливает свою форму. Размеры элементарных частиц в тысячи раз больше размеров составляющих их кварков, поэтому между кварками тоже натягиваются струны — суперструны глюонного поля. Их можно заметить в столкновениях частиц. Образование полевых струн — весьма распространенное явление в мире элементарных частиц.

Как-то раз Хокинг в одной из своих статей заметил, что природа настолько многообразна, что, в принципе, позволяет существовать, например, мирам с одной или двумя пространственными и несколькими временными переменными, развивая теорию с бесконечным числом временных переменных, различающихся по виду их проявления в материальном мире. Конечно, все эти миры будут сильно различаться по своим свойствам — в одних могут существовать устойчивые атомы и образовываться сложные молекулы — основа жизни, в других будет своеобразная мешанина из элементарных частиц или какие-либо еще неизвестные нам формы материи и ее организации…

Есть и более глубокие соображения, основанные на изучении явлений в ультрамалых областях, где частицы, по-видимому, могут перемещаться быстрее света, и противопоставление пространства и времени утрачивает смысл — в зависимости от точки зрения пространство может стать временем, а время приобрести свойства пространства.

Единственный мысленный зонд, который может проникнуть в подобную фантастическую реальность — это сложнейшие математические формулы. Только с их помощью можно нарисовать картины новой Вселенной. Если писатели и художники-фантасты путешествует по мнимым мирам с помощью своего воображения, то математики и физики-теоретики используют для этого интеллектуальные приемы на основе математических законов и физических принципов. Конечно, мы не будем продираться сквозь частокол математических символов и воспользуемся уже готовыми результатами, стараясь понять их с помощью нестрогих, но зато наглядных аналогий.

Итак, какое же впечатление произведет на нас многомерный мир, существуй он в реальности? Вначале он должен показаться похожим на наш четырехмерный. Однако, внимательно приглядевшись, мы бы заметили, что некоторые тела движутся непривычно быстро, почти мгновенно перемещаясь в пространстве. Зная расстояние между точками и определив время движения по земному хронометру, мы бы обнаружили, что скорость некоторых тел превосходит световую.

Это настораживает, поскольку физики уже давно установили, что сверхсветовые тела, существуй они действительно в природе, можно было бы заставить двигаться вспять по времени — из настоящего в прошлое. Направление их движения зависит от точки зрения наблюдателя. Неподвижный наблюдатель увидит, что сверхсветовые осколки взорвавшегося снаряда, как им и положено, разлетаются в стороны и, замедлившись, падают на землю. А движущиеся увидят все в обратном порядке: лежавшие на земле осколки поднимаются в воздух, летят навстречу друг другу и собираются в целый снаряд, который стремительно втягивается в ствол орудия! Картина явно абсурдная, тут нарушено одно из основных свойств материального мира — причинно-следственная связь, а попросту говоря, — причина и следствие перепутали свои места.

Тут надо вспомнить, что одной из главных задач, стоящих перед современными физиками, является объединение в одной теории всех известных взаимодействий. Но, к сожалению, большинство современных попыток Великого объединения далеки от простоты и стройности. Если подход Евклида систематизировал и, в конечном счете, упрощал геометрию, то современные теории пространства-времени часто только все запутывают и усложняют.

Как любил подчеркивать выдающийся физик прошлого столетия Ричард Фейнман, главная причина в том, что мы пока не знаем всех законов природы, которые можно было бы свести в единую теорию.

Тут возникает законный вопрос: а есть ли вообще шансы хоть в очень далеком будущем, когда станут известны новые законы природы, создать математически стройную Теорию Всего, из которой бы следовали все известные физические теории? Ответ на него совсем не очевиден и его нельзя отдавать философам, которые могут все окончательно запутать. Большинство физиков скромно рассматривает свои любимые теории не более чем моделями реальности, не претендующими на полноту описания.

Согласно концепции одного из самых оригинальных физиков прошлого века Давида Бома, окружающий нас мир структурирован очень странным образом, когда каждое материальное тело напоминает верхушку айсберга над окружающей нас физической реальностью. Основная же часть каждого предмета как бы расплывается за гранью вещественного мира, образуя единую основу Вселенной. Свои рассуждения Бом основывал на понятии «неразрывного единства» микромира, проявляющегося в квантовой запутанности «сцепленных» частиц. Как мы знаем, эти микроскопические объекты ведут себя строго взаимосогласованно, так что изменение состояния одного приводит к мгновенной перемене у другого, пусть даже он находится на другом конце Метагалактики.

Размышляя над этой загадкой, противоречащей не только здравому смыслу, но и теории относительности, налагающей жесткие ограничения на скорость распространения взаимодействий, Бом пришел к выводу, что элементарные частицы взаимодействуют на любом расстоянии не потому, что они обмениваются таинственными сигналами между собой, а потому, что сама их «разделенность» во многом иллюзорна. Иными словами, на каком-то более глубоком уровне реальности сцепленные частицы — это вовсе не отдельные объекты, а фактически продолжения чего-то более фундаментального и цельного.

Распространяя свои идеи на мир элементарных частиц, Бом заключил, что сверхсветовое взаимодействие между ними свидетельствует о существовании более глубокого уровня реальности, не только скрытого от нас, но и имеющего более высокую размерность. А частицы мы видим раздельными по той причине, что способны наблюдать лишь часть действительности. Частицы — не отдельные «фрагменты», но грани, проекции более глубокого единства. И поскольку все в физической реальности содержится в этом «фантоме», наш Мир, воспринимаемый в ощущениях, предстает лишь как трехмерная проекция многомерной Вселенной.

В 80-х годах прошлого века уровень развития экспериментальной физики позволил опытным путем подтвердить парадоксальный феномен ЭПР, по иронии судьбы специально сформулированный в 1930-е годы Эйнштейном и его коллегами для демонстрации изъянов в построениях квантовой теории.

Успешные эксперименты возродили интерес к теории Бома, а открытая в те же годы Бенуа Мандельбротом фрактальная геометрия дополнила ее математический аппарат. Фрактальные структуры успешно описывали упорядоченный хаос природы, демонстрируя «голографический» принцип бесконечного вложения самоподобных структур друг в друга на основе весьма простых математических соотношений.

Некоторый математический фундамент удалось заложить в свою теорию и Дэвиду Бому, однако необъятность задачи, преклонные годы и переключение интересов на вопросы соотношения физики и сознания помешали ученому развить и дополнить свою концепцию голографической вселенной до объемной полноценной теории.

Наблюдения за Вселенной показывают, что и на самых больших масштабах она вовсе не неподвижна, а эволюционирует с течением времени. Если на основе современных теорий проследить эту эволюцию назад во времени, то окажется, что наблюдаемая ныне часть Вселенной была раньше горячее и компактнее, чем сейчас, а начало ей дал Большой взрыв — некий процесс возникновения Вселенной из сингулярности: особой ситуации, для которой современные законы физики неприменимы.

Физиков такое положение вещей не устраивает: им хочется понять и сам процесс Большого взрыва. Именно поэтому сейчас предпринимаются многочисленные попытки построить теорию, которая была бы применима и к этой ситуации. Поскольку в первые мгновения после Большого взрыва самой главной силой была гравитация, считается, что достичь этой цели возможно только в рамках пока гипотетической квантовой теории гравитации.

Заключение

Конечно, предсказывать будущее очень трудно. Мне как-то подумалось, не написать ли книгу под названием «Вчерашнее завтра: история будущего». Это была бы история предсказаний будущего, почти все из которых оказались весьма далеки от истины. Но, несмотря на эти неудачи, ученые по-прежнему думают, что могут предсказать будущее.

С. Хокинг. Происхождение и эволюция Вселенной

В последние свои годы профессор Хокинг увлекся эсхатологией — наукой о «конце света», и его прогнозы будущего нашей цивилизации приобрели мрачный оттенок. Чего только не предрекал «неразумному человечеству» теоретик — и климатический Апокалипсис, и восстание нанороботов, и порабощение внеземным разумом. При этом знаменитый ученый так блестяще обосновывал с научной точки зрения свои пророчества, что они вызвали панику не только у обывателей, но и у специалистов.

В общем Хокинг предлагал смотреть в будущее без всякого оптимизма. Так, он утверждал, что если сегодня по ряду «эсхатологических сценариев» шансы гибели человечества низки, то со временем они могут многократно возрасти.

В последние годы жизни профессор Хокинг сильно увлекся «климатической эсхатологией». Постепенно он пришел к выводу, что скорость начинающихся процессов глобального потепления может сильно возрасти в ходе «метановой катастрофы». Так климатологи называют катастрофическое выделение «тепличного газа» метана при таянии вечной мерзлоты. Здесь ученый видел проявление классического эффекта домино, когда один процесс с неизбежностью приводит к началу другого, а тот — третьего.

Возражая большинству климатологов, он выдвинул гипотезу, что опасность исходит не столько от самой промышленной революции, сколько от ее роли мощного катализатора природных процессов. Здесь Хокинг увидел еще один любопытный эффект бабочки, когда небольшое воздействие в критической точке может вызвать пугающие изменения в природе. Например, всего лишь через несколько тысячелетий климат Земли будет напоминать Венеру с 250-градусными температурами и кислотными дождями. Если человечество все же опомнится и начнет бороться не только с выбросами парниковых газов, но и непосредственно с таянием льдов, его ждет еще один «вызов нашего тысячелетия» — искусственный интеллект. О том, как по его мнению будут разворачиваться события, Хокинг подробно рассказал весной 2017 года на Глобальной конференции по мобильному интернету.

По мысли ученого, все начнется совсем не так и в совершенно иные сроки, чем показано в знаменитом фильме Джеймса Кэмерона «Терминатор». Восстанут вовсе не боевые роботы, которые всегда будут находиться под строгим контролем военных, а малозаметные бытовые приборы — гаджеты. Все будет происходить медленно и постепенно, пока искусственный интеллект не начнет буквально выживать человека с его «жизненного пространства».

При этом Хокинг подчеркивал, что ко времени начала «ползучей кибернетической революции» сам человек сильно деградирует из-за услуг своих электронных помощников. На основе анализа прогресса нейрокибернетики ученый предсказывал, что нейрокомпьютеры обгонят людей в интеллектуальном развитии уже в следующем столетии. И тогда вместо роботов-терминаторов Кэмерона человечество поработят нейросети из другого голливудского блокбастера — «Матрицы» братьев Вачовски….

Профессор Хокинг никогда не считал себя мизантропом, но любил повторять, что человечество давно обречено в силу законов эволюции жизни на Земле. В качестве примера он приводил широко известные факты об уничтожении целых животных царств гигантскими астероидами. По Хокингу, очередной астероидный Апокалипсис — лишь вопрос времени, и единственный выход у человечества, дабы избежать полной гибели — колонизировать Солнечную систему. Понятно, что среди «солнечных» планет ни одна не сможет заменить Землю, но космическая колонизация поможет в далеком будущем отправить экспедицию к ближайшим звездам, а когда-нибудь начать и «галактическую экспансию».

Возможно, что именно на удаленной космической базе остаткам землян удастся пережить инопланетное нашествие, которое ученый блестяще охарактеризовал в фильме «Во Вселенную со Стивеном Хокингом», вышедшем в 2010 году. Там было прямо сказано, что если экспедиция пришельцев наткнется на нашу планету, то история повторится. Конечный результат будет точно такой же, как и при колонизации Америки…

Впоследствии Хокинг построил аргументированную базу для своих рассуждений. Он полагал, что если исходить из гипотезы белково-углеродной жизни, планеты типа Земля, судя по астрономическим наблюдениям, являются большой редкостью. Следовательно, по словам ученого, «вероятность того, что инопланетяне окажутся кочевниками-завоевателями, колесящими по вселенным в поисках новых ресурсов, гораздо выше, чем то, что они будут добрыми и дружелюбными, какими их рисуют в своем воображении многие дилетанты».

После появления в Сети отрывков из посмертного издания научно-популярной книги Хокинга «Краткие ответы на большие вопросы» список его предсказаний касательно страшной судьбы человечества пополнился еще на один пункт. В этот раз речь зашла о генной инженерии, которая может необратимо изменить человеческую эволюцию.

«Мы вступаем в новую фазу, которую можно назвать самостоятельной эволюцией, в которой мы сможем менять и улучшать нашу ДНК, — писал Хокинг. — Мы уже составили карту ДНК, а это значит, что прочли книгу жизни и теперь можем вносить исправления».

Кембриджский пророк предполагал, что на ранних стадиях генная инженерия будет выглядеть достаточно безобидно, и генетические изменения сведутся лишь к устранению генетических дефектов. Затем наступит время более серьезного вмешательства в человеческую физиологию, и к концу нашего столетия начнутся попытки улучшить человеческий интеллект.

После этого начнется медленное, но неуклонное расслоение общества на киборгов, сигомов (искусственных личностей) и генномодифицированных людей. Все эти сверхлюди будут противостоять обычным землянам.

Хокинг предрекал: «Я уверен, что в течение этого века люди выяснят, как изменять интеллект и инстинкты, такие как агрессия. Возможно, будут изданы законы, запрещающие генную инженерию среди людей. Но некоторые не смогут устоять перед соблазном улучшить такие человеческие качества, как объем памяти, устойчивость к заболеваниям и продолжительность жизни».

Вполне естественно, что новая раса генетически оптимизированных сверхлюдей будет пытаться стать руководящей элитой. Начнется череда столкновений с «естественными» людьми, в результате которых выяснится, кто же будет править планетой.

«Как только появятся такие сверхлюди, возникнут серьезные политические проблемы с неулучшенными людьми, — продолжает Хокинг. — Предположительно, они либо вымрут, либо не будут ничего решать. Вместо них появится раса существ, самостоятельно проектирующих и улучшающих себя».

Хотя сегодня опасения Хокинга на этот счет многим генным инженерам кажутся сильно преувеличенными, ряд специалистов уверены, что в недалеком будущем стоит ожидать появления «дизайнерских детей». Этические споры на эту тему только разгораются, но уже ясно, что найдется немало желающих получить потомство с улучшенным генотипом. Сомнительно, что здесь помогут и разнообразные запреты.

Между тем «сверхлюди» — не самая страшная угроза цивилизации. По мнению Хокинга, наибольшую опасность представляет союз искусственных сверхрас со сверхразумными искинами (андроидами с ИИ). Тут уже речь может пойти не о превосходстве, а об элементарном выживании…

По прогнозам Хокинга, искины будут конкурировать с обычным человеком примерно через столетие, и как раз к этому времени возникнет сообщество сверхлюдей. Так что думать об этой угрозе нужно будет уже в скором будущем.

Свои прогнозы кембриджский мыслитель обосновывал с чисто научной точки зрения. Он писал, что в нестабильных хаотических системах, как правило, существует временной масштаб, малое изменение которого приводит к вдвое большему изменению начального состояния. На примере метеопрогнозов это означает, что прогностический потенциал земной атмосферы составляет порядка пяти дней — примерно столько, сколько нужно ветру, чтобы облететь вокруг Земли. На период до пяти дней предсказать погоду можно довольно точно, но чтобы предсказать ее дальше, нужно очень точно знать настоящее состояние атмосферы и произвести невероятно сложные вычисления. Нет способа предсказать погоду на шесть месяцев вперед точнее, чем дать среднее сезонное значение.

Мы также знаем основные законы химии и биологии и в принципе могли бы определить, как работает мозг. Но описывающие мозг уравнения почти наверняка имеют хаотический характер, и малейшее изменение начального состояния ведет к совершенно иному результату. Поэтому на практике мы не можем предсказать человеческое поведение, даже если бы знали уравнения, им управляющие. Наука не может предсказать будущее человечества, даже если это будущее есть. Опасность заключается в том, что наша способность разрушать и губить окружающую среду и друг друга возрастает гораздо быстрее, чем наша мудрость в использовании этой способности.

Хокинг подчеркивал, что любые катастрофы на нашей планете вряд ли окажут влияние на состояние Солнечной системы, а в Галактике их никто не заметит. Обосновывая неточность любых пророчеств, Хокинг говорил, что поскольку движение планет вокруг Солнца в конечном счете хаотично, то ошибки в предсказании становятся с течением времени все больше и критичнее. В качестве иллюстрации к своим рассуждениям он приводил научно-фантастический роман Айзека Азимова «Основание». В нем рассказывается, как в далеком будущем группа «психоисториков» создала математический аппарат, позволяющий предсказывать далекое будущее, но и он допускал большие ошибки при учете роли личности в истории.

Хокинг объяснял, что далее какого-то времени движение в деталях предсказать невозможно. Мы можем быть относительно уверены, что Земля очень долго не встретится с Венерой, но не можем гарантировать, что малые возмущения орбит не сложатся так, что через миллиард лет это столкновение случится. Движение Солнца и других звезд вокруг центра Галактики и движение Галактики вокруг центра группы галактик тоже хаотичны.

Профессор Хокинг считал, что мы часто из-за недостатка информации не замечаем, как разительно изменился мир за последнее столетие. Еще труднее осознать грядущие изменения, с которыми придется столкнуться нашим потомкам. Некоторым хотелось бы остановить эти перемены и вернуться к тому времени, которое им кажется более чистым и простым. Но, как показывает история, прошлое не было таким уж чудесным! Оно было не так плохо для привилегированного меньшинства, но даже этому меньшинству приходилось обходиться без современной медицины, транспорта и связи. А для подавляющего большинства населения жизнь была ужасна, жестока и коротка.

Как бы то ни было, при всем желании невозможно повернуть время вспять. Знания и научные достижения нельзя игнорировать. И нельзя остановить дальнейший прогресс. Даже если прекратить финансирование любых исследований, промышленная конкуренция все равно вызовет к жизни новые технологии. Точно так же нельзя запретить развивать фундаментальную науку, ведь всегда найдутся энтузиасты с огрызком карандаша и клочком бумаги, готовые исследовать основы Мироздания абсолютно бесплатно.

Единственный путь воспрепятствовать дальнейшему развитию — это полный запрет на умственную деятельность. Но, во-первых, такая цивилизация долго не просуществует, а во-вторых, человек настолько изобретателен, что наверняка и здесь найдет какие-то обходные пути. Подобные ретрограды могут достигнуть только временного успеха и как-то замедлить темп грядущих перемен.

Поэтому надо не мешать науке и технике изменить мир, а пытаться делать все возможное, чтобы эти изменения шли в правильном направлении. В свою очередь это означает, что общество должно иметь общее представление об основах наук. Тогда оно сможет выработать взвешенный подход при обсуждении решений о развитии того или иного научного направления.

Хокинга сильно настораживало, что в настоящий момент существует двойственное отношение к науке. С одной стороны, все вокруг ожидают, что новые достижения научно-технического прогресса приведут к дальнейшему улучшению жизненных условий. С другой стороны, многие совершенно не доверяют науке, не понимают ее и боятся, что какое-нибудь новое изобретение будет угрожать жизни на нашей планете. Что же нужно сделать, чтобы большинство смогло принимать правильные решения при обсуждении атомной энергетики, глобального потепления и генномодифицированных продуктов?

Отвечая на этот вопрос, Хокинг объяснял, что ученые и инженеры стремятся выразить свои мысли в виде формул, потому что им нужно знать точные количественные значения величин. Но для всех остальных достаточно лишь общего понимания проблемы с помощью понятных слов и простых диаграмм.

Научно-популярные книги и статьи в журналах могут помочь в объяснении новых достижений науки, но даже самые популярные из них попадают в руки совсем незначительной части общества. Только телевидение может собрать поистине массовую аудиторию. Тележурналисты вместе с учеными могут создавать очень хорошие научно-популярные программы, вроде циклов «Космос» Карла Сагана и «Как работает Вселенная» Мичио Каку. Однако в подавляющем большинстве передач чудеса науки выглядят просто как волшебство, без каких-либо объяснений. Хокинг считал, что авторы подобных программ должны понять, что они обязаны в первую очередь просвещать народ, а не думать лишь о привлечении любым способом телезрителей к экрану.

Надо заметить, что вокруг яркой и глубоко неординарной личности кембриджского физика-теоретика всегда ходило много легенд. Мифология Хокинга связана и с его научными исследованиями черных дыр Мультиверса, и с удивительным успехом его популярных книг, и с невероятным относительным долголетием их автора.

Некий Майлз Матис даже утверждает, что настоящий Хокинг скончался еще в начале 80-х годов прошлого столетия, а затем его роль играли двойники. Свой миф криптоисторик громко назвал «синдромом Хокинга». Он обосновывает свои доводы медицинским заключением кембриджских медиков, сделанным в 1963 году. Тогда врачи отвели молодому аспиранту не более пяти лет жизни. Как только Матис рискнул обнародовать свои домыслы на просторах интернета, он прежде всего попал под огонь критики близких ученого. Весьма нелицеприятно высказались обе жены Хокинга. В ответ «виртуальный детектив» обвинил их в продажности, утверждая, что заговор молчания вокруг личности Хокинга оплачен очень большими деньгами.

В качестве главного подозреваемого Матис приводит главу известного американского благотворительного фонда. Якобы еще с начала 80-х годов прошлого века Фонд Макартуров оказывал финансовую помощь Хокингу в ответ на поддержку филантропических проектов. Однако данная версия не выдерживает критики. Ведь все свои наиболее значимые проекты, включающие поиск иноземных сигналов и запуск минизондов в звездную систему Альфа Центавра, Хокинг выполнял с другими инвесторами. В разные годы это были Стив Джобс, Билл Гейтс, Марк Цукерберг, Юрий Мильнер. Любопытно, но все эти ученые и предприниматели воспринимали политизированные организации типа фонда Макартуров с большим предубеждением.

Как последнее доказательство подмены, Матис предлагает изучить творческую деятельность физика-теоретика, которая, по его мнению, с 80-х годов являлась исключительно «легковесной» популяризацией в соавторстве с профессиональными литераторами.

В качестве доказательства абсурдности подобных измышлений можно привести работу Хокинга, написанную незадолго до кончины. В ней Хокинг предложил удивительную модель вечно расширяющегося Мультиверса в виде двумерной голограммы. Весьма приблизительно это можно представить, как бесконечную расширяющуюся спираль из «лазерных бусинок», каждая из которых создает двумерную проекцию своей вселенной. Подобным образом британский теоретик попытался не только представить «параллельное иномирье», но и понять, как соседние миры Мультиверса влияют на нашу Вселенную.

Своеобразным ответом на всяческие инсинуации, касающиеся личности выдающегося физика, стало посвящение ему черной дыры, открытой московскими астрономами. Руководитель творческого коллектива профессор МГУ Владимир Липунов заметил, что все участники открытия почитают за большую честь увековечить память властителя черных дыр.

Краткая биография Стивена Хокинга

Британский физик-теоретик, астрофизик и космолог Стивен Уильям Хокинг родился 8 января 1942 года в Оксфорде, Великобритания.

В 1962 году окончил Оксфордский университет со степенью бакалавра по математике и физике, в 1966 году получил степень доктора философии в колледже Тринити-холл Кембриджского университета.

В 1963 году у Хокинга был диагностирован боковой амиотрофический склероз (БАС) — неизлечимое дегенеративное нервно-мышечное заболевание. По мнению врачей, жить ему оставалось около двух лет. Однако он продолжил работать несмотря на прогрессирующую болезнь.

В 1965 году Стивен Хокинг начал заниматься научными исследованиями в Кембриджском университете в колледже Гонвилль и Киз. В 1968–1972 годах работал в Институте теоретической астрономии, в 1972–1973 годах — в Институте астрономии, в 1973–1975 годах — на кафедре прикладной математики и теоретической физики, в 1975–1977 годах преподавал теорию гравитации, в 1977–1979 годах был профессором физики.

В 1979 году Стивен Хокинг стал профессором математики и Лукасовским профессором Кембриджского университета (именная профессура в Кембриджском университете, одна из самых престижных академических должностей в мире), занимал эту должность до 2009 года.

В 2009–2014 годах — научный руководитель кафедры прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета.

С 2014 года — директор исследовательских программ Дэнниса Стэнтона Эйвери и Салли Цуй Вонг-Эйвери в Кембриджском университете.

Хокинг является одним из основоположников квантовой космологии, занимался изучением проблемы возникновения космологической сингулярности — первичного состояния Вселенной, из которого она, согласно теории Большого взрыва, непрерывно расширяется.

Ученый сделал много открытий в теории черных дыр. В частности, он открыл, что черные дыры определенных размеров теряют энергию, испуская «излучение Хокинга», и постепенно «испаряются».

В 1988 году за исследования черных дыр (совместно с физиком-теоретиком Роджером Пенроузом) получил премию Фонда Вольфа.

Профессор Хокинг являлся обладателем множества наград, имел 12 почетных званий, среди которых — член Лондонского королевского общества (1974), член Папской академии наук (1986), член Национальной академии наук США (1992).

Стивен Хокинг занимался популяризацией науки. В 1988 году он опубликовал популярное изложение своих исследований в книге «Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр» (A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes), ставшей мировым бестселлером.

Хокинг — автор ряда других популярных книг по космологии, в числе которых «Черные дыры и молодые вселенные, и другие эссе» (Black Holes and Baby Universes and Other Essays, 1993), «Мир в ореховой скорлупке» (Te Universe in a Nutshell, 2001), «Великий замысел и моя краткая история» (Te Grand Design and My Brief History, 2010, в соавторстве с американским физиком Леонардом Млодиновым).

На телевидении выходили научно-популярные фильмы с его участием: «Вселенная Стивена Хокинга» (Stephen Hawking's Universe, 1997), «Во Вселенную со Стивеном Хокингом» (Into the Universe with Stephen Hawking, 2010), «Великий замысел по Стивену Хокингу» (Stephen Hawking's Grand Design, 2012) и др.

Хокинг озвучивал сам себя в популярных мультсериалах «Симпсоны» и «Футурама», снимался в эпизодах популярных сериалов, таких как «Теория Большого взрыва».

О жизненном пути ученого снято несколько документальных фильмов.

В 2015 году была учреждена медаль имени профессора Стивена Хокинга, которая будет вручаться ежегодно за популяризацию науки.

В том же году Хокинг поддержал проект IT-миллиардера Юрия Мильнера Breakthrough Listen по поиску сигналов от инопланетной жизни. В апреле 2016 года Стивен Хокинг и Юрий Мильнер объявили о запуске проекта Breakthrough Starshot, целью которого стала отправка миниатюрных зондов-роботов в звездную систему Альфа Центавра.

С конца 1960-х годов Хокинг пользовался инвалидной коляской. С развитием болезни подвижность осталась лишь в мимической мышце щеки, напротив которой закрепили специальный датчик. С его помощью Хокинг управлял компьютером, что позволяло ему писать книги, отвечать на письма, управлять системой «Умный дом».

Стивен Хокинг даже после полной парализации продолжал вести активную жизнь: занимался наукой, преподавал, выступал с докладами, общаясь с миром с помощью компьютерного синтезатора речи.

В 2007 году он на специальном самолете совершил полет в невесомости.

Стивен Хокинг был дважды женат, у него трое детей.

По мотивам мемуаров первой жены ученого Джейн Хокинг «Путешествие к бесконечности: Моя жизнь со Стивеном» (Travelling to Infnity: My life with Stephen, 2007) был снят художественный фильм «Вселенная Стивена Хокин-га» (The Theory of Everything, 2014). За роль знаменитого ученого-физика британский актер Эдди Редмэйн получил премию Американской киноакадемии «Оскар».

В соавторстве со своей дочерью Люси Хокинг написал книгу «Джордж и тайны Вселенной» (George's Secret Key to the Universe, 2006), положившую начало детской популяризации.

Утром 14 марта 2018 года Стивен Хокинг скончался на 77-м году жизни в своем доме в Кембридже.

Словарь

Анизотропная среда — среда, макроскопические свойства которой различны в различных направлениях, в противоположность среде изотропной, где они не зависят от направления. Формально анизотропия однородной безграничной среды означает неинвариантность ее свойств относительно группы вращений. Поскольку у реальной среды обычно есть границы, при строгом подходе к определению анизотропии необходимо иметь в виду не абстрактную безграничную среду, а сделанный из этой среды макроскопически однородный шар. Среду следует считать анизотропной, если существует экспериментально обнаруженный поворот вокруг центра указанного шара. Анизотропные свойства сплошной среды описывают тензорными величинами; в неоднородной анизотропной среде они меняются от точки к точке. Среды, анизотропные для одного класса явлений, могут вести себя как изотропные по отношению к другому классу. В изотропной среде соответствующие тензоры сводятся к единичным. Анизотропные среды обычно классифицируют по типу симметрии их структуры, которая характеризуется распределением частиц в пространстве и корреляцией между ними. По принципу Неймана симметрия любого физического свойства не может быть ниже симметрии структуры среды.

Большой взрыв — гипотетический космический катаклизм взрывного характера, из которого, согласно современным представлениям, возникла наблюдаемая Вселенная. В основу сценария Большого взрыва положена космологическая модель Вселенной, развивающаяся из первичной космологической сингулярности. Она предсказывается общей теорией относительности и состоит в однородном и изотропном расширении космического пространства в метагалактических масштабах. Экспериментально расширение Вселенной наблюдается в виде выполнения закона Хаббла. Теория Большого взрыва в настоящее время является общепризнанной парадигмой физической космологии, наилучшим образом объясняющей весь массив наблюдательной информации. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,2 миллиардов лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с гигантскими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Ранняя Вселенная представляла собой однородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Большой разрыв — гипотетический «конец» Вселенной при ее расширении и увеличении пространственной метрики. Выражается в распаде всех материальных элементарных частиц и исчезновении всех сил.

Большой хлопок — гипотетический всеобщий космологический коллапс нашей Вселенной в единую точку космологической сингулярности. Своеобразный обратный по времени аналог Большого взрыва.

Вакуум — в квантовой теории — основное состояние квантованных полей, обладающее минимальной энергией, нулевыми импульсом, угловым моментом, электрическим зарядом и другими квантовыми числами. Часто вакуум определяют также как состояние, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы, то есть состояние, действие на которое операторов уничтожения дает нулевой результат (так называемый математический вакуум). Возможность виртуальных процессов в вакууме приводит к ряду специфических эффектов при взаимодействии с ним реальных частиц. Для физического вакуума, в отличие от математического, вакуумное среднее от произведения двух операторов полей в одной точке пространства-времени может быть не равным нулю. Понятие «вакуум» является одним из основных в том смысле, что его свойства определяют свойства всех остальных состояний, так как любой вектор состояния в представлении вторичного квантования может быть получен из вакуумного действием на него оператора рождения частиц.

Векторное поле — физическое поле, состоящее из трех независимых компонент, преобразующихся при поворотах координатных осей или преобразованиях Лоренца как компоненты вектора или 4-вектора. Примером векторного поля может служить поле скоростей или электромагнитное поле (описываемое четырехмерным вектор-потенциалом). В квантовой теории поля квантами векторного поля являются векторные частицы с единичным спином. При этом действительному векторному полю соответствует электрически нейтральная частица, а комплексному — заряженная частица (и ее античастица с зарядом противоположного знака). По поведению относительно пространственной инверсии с заменой координат векторные поля делят на собственно векторные, меняющие знак при инверсии, и аксиальные, или аксиально-векторные, не меняющие знака.

Временноподобная бесконечность будущего — область пространства-времени в очень далеком будущем — области пространства-времени, куда идут мировые линии материальных объектов.

Временноподобная бесконечность прошлого — область пространства-времени в удаленном прошлом, откуда пришли все мировые линии частиц вещества.

Вселенная — вся окружающая нас объективная физическая реальность. Астрономы и физики обычно подразумевают под этим ту его часть, которая в принципе доступна изучению естественнонаучными методами. Астрономическая Вселенная, или Метагалактика — это часть Вселенной, доступная наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Возраст Вселенной — время, прошедшее от начала ее расширения.

Геодезическая линия — кривая определенного типа, обобщение понятия «прямая» в искривленных пространствах. Конкретное определение геодезической зависит от типа пространства. Например, на двумерной поверхности, вложенной в евклидово трехмерное пространство, геодезические линии — это линии, достаточно малые дуги которых являются на этой поверхности кратчайшими путями между их концами. На плоскости это будут прямые, на круговом цилиндре — винтовые линии, на сфере — большие круги. Геодезические линии активно используются в релятивистской физике. Так, например, траектория свободно падающего незаряженного пробного тела в общей теории относительности и вообще в метрических теориях гравитации является геодезической линией наибольшего собственного времени, то есть времени, измеряемого часами, движущимися вместе с телом. Часто физическую теорию, обладающую действием или выраженную в гамильтоновой форме, можно переформулировать как задачу отыскания геодезических линий на некотором римановом или псевдоримановом многообразии.

Гиперповерхность — срез четырехмерного пространства-времи.

Голая сингулярность — пространственно-временная сингулярность, не окруженная горизонтом событий.

Гомеоморфизм — топологическое взаимно-однозначное и непрерывное отображение, обратное к которому тоже непрерывно. Пространства, связанные гомеоморфизмом, топологически неразличимы.

Гомоморфный образ — образ математического объекта, имеющего структуру полугруппы, группы, кольца, алгебры при гомоморфном отображении. Иногда говорят и о гомоморфных образах других математических объектов, например, графов.

Гомология — одно из основных понятий алгебраической топологии. Она дает возможность строить алгебраический объект (группу или кольцо), который является топологическим инвариантом пространства. Простейший пример: на поверхности замкнутая линия гомологична нулю, если она ограничивает кусок поверхности, который отделяется от нее, если мы произведем разрез по этой линии. Например, на сфере любая замкнутая линия является таковой, а на торе, хотя и существуют гомологичные нулю замкнутые линии, но разрез по меридиану или параллели не приведет к отделению куска поверхности.

Гомоморфизм — морфизм в категории алгебраических систем. Это отображение алгебраической системы, сохраняющее основные операции и основные соотношения.

Горизонт событий — граница области пространства-времени, начиная с которой информация не может достичь наблюдателя из-за конечности скорости света, с которой может распространяться физический сигнал. Горизонт событий возникает в ходе гравитационного коллапса массивного облака пыли или звезды на поздних стадиях эволюции, при этом его образование для наблюдателя означает появление гравитационного коллапсара — черной дыры. С точки зрения стороннего наблюдателя это мнимая поверхность в пространстве-времени, окружающая черную дыру, где все процессы замирают, а время как бы останавливается.

Гравитационная волна — возмущение гравитационного поля, предположительно распространяющееся со скоростью света. Теоретически возникает в решениях волнового типа уравнений Эйнштейна общей теории относительности, где представляют собой движущееся со скоростью света возбуждение метрики пространства-времени. Слабая (линейная) гравитационная волна является поперечной и описывается двумя независимыми компонентами (поляризациями). Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или / и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна ускорению и массе генератора. Однако если некоторый объект движется ускоренно, это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь этот другой объект испытывает обратное действие по 3-му закону Ньютона. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причем в результате интерференции они существенно взаимно гасятся.

Гравитация (всемирное тяготение, притяжение) — дальнодействующее фундаментальное взаимодействие в природе, которому подвержены все материальные тела. По современным данным, является универсальным взаимодействием в том смысле, что в отличие от любых других сил, всем без исключения телам, независимо от их массы, придает одинаковое ускорение. Гравитационное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта сила всегда противоположна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел. Поле тяжести потенциально, и если ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, то эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжести влечет за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение. В рамках классической механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени. Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля. Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях и все массы положительны, это тем не менее очень важная сила во Вселенной. Для сравнения: полный электрический заряд этих тел равен нулю, так как вещество в целом электрически нейтрально. Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсально в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствует гравитация. Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабный эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падение тел.

Инвариант — величина, значение которой одинаково для всех наблюдателей независимо от их состояния движения.

Квантовая гравитация — направление исследований в теоретической физике, целью которого является самосогласованное квантовое описание гравитационного взаимодействия и объединение гравитации с остальными тремя фундаментальными силовыми полями: электромагнитным, сильным и слабым в построении «Теории Всего». Основные направления развития квантовой гравитации — теория струн и петлевая квантовая гравитация. В них вместо частиц и пространства-времени вводятся струны и их многомерные аналоги — браны. Построение квантовой гравитации тесно связано с формулировкой и развитием более общей концепции — так называемой мембранной теории, — которая в пределе сводится к классической теории тяготения, и квантовой теории поля.

Квантовая механика — область физики, изучающая свойства и поведение атомов и субатомных частиц. Квантовая (волновая) механика пытается объяснять как корпускулярные, так и волновые свойства вещества. Волна любой природы полностью описывается ее амплитудой и фазой, поэтому квантовая механика должна использовать именно такое описание. Функция волнового процесса представляет собой суперпозицию комплексных экспонент, взятых с определенными весами (амплитудами). Отсюда следует необходимость описания любой физической системы комплексной волновой функцией, амплитуда и фаза которой полностью определяют состояние такой системы. Это позволяет естественным образом описывать волновые явления, такие, как интерференцию элементарных частиц или, скажем, дифракцию электронов на кристаллической решетке. Вероятность обнаружить частицу в некотором состоянии равна квадрату модуля волновой функции, что следует из вещественности величины вероятности. (Формально это легко понять: такая вероятность не должна зависеть от фазы волнового процесса в данной точке и быть вещественной, поэтому может содержать волновую функцию только в комбинации ψ*ψ=|ψ|²). Одно из отличий квантовой механики от обычной заключается в том, что вероятность обнаружить электрон в данном месте еще не полностью определяет его состояние. Для описания состояния электрона используется комплексная вероятность. Волновая функция и есть значение этой комплексной вероятности. Плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке равна квадрату модуля комплексной вероятности. Комплексность приводит к эффекту интерференции: если комплексная вероятность электрона оказаться в точке A после прохождения через одну щель равна p, а комплексная вероятность электрона оказаться в точке A после прохождения через вторую щель равна — p, то если разрешить электрону проходить через обе щели, эта вероятность станет равна 0 — то есть в этой точке электрон оказаться не может. Обратите внимание, что вероятность ограниченного в возможностях электрона выражается ограниченным количеством волновых функций. В частности прохождение электрона через единственное отверстие достаточно малого радиуса описывается функцией аналогичной функции распространения точечного источника волны.

Квантовая запутанность — состояние неразрывной целостности, единства, и можно дать такое определение: Запутанное состояние — это состояние составной системы, которую нельзя разделить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части. Оно является несепарабельным (неразделимым). Запутанность и несепарабельность — это тождественные понятия. Несепарабельность состояний легко выражается математическим языком, и строгое определение запутанности формулируется следующим образом: несепарабельным или запутанным состоянием называется такое состояние составной системы, вектор состояния которой нельзя представить в виде тензорного произведения векторов состояний составляющих ее подсистем.

Коллапс (гравитационный) — явление быстрого катастрофического сжатия массивного тела под действием его собственного гравитационного поля. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационный коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Однако если радиус звезды уменьшился до некоторого критического значения гравитационного радиуса, то никакие силы не могут воспрепятствовать ее дальнейшему сжатию и превращению в черную дыру застывшей звезды коллапсара.

Коллапсар (застывшая звезда, черная дыра) — сильно искривленная область пространства-времени, включающая сингулярность, окруженную горизонтом событий. Гравитационное притяжение коллапсаров настолько велико, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее радиус — гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда. Существование коллапсаров следует из точных решений общей теории относительности, полученных Карлом Шварцшильдом.

Космология — физическое учение о Вселенной как целом, основанное на наблюдательных данных и теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной. Теоретический фундамент космологии составляют основные физические теории тяготения, электромагнетизма и квантов. Эмпирическая база данных космологии формируется на основе внегалактических астрономических наблюдений, а ее выводы и обобщения имеют большое общенаучное и философское значение. Важнейшую роль в космологических сценариях эволюции Вселенной играет тяготение, определяющее взаимодействие масс на больших метагалактических расстояниях, характерных для динамики космической материи.

Метрический тензор — симметричное тензорное поле второго ранга на гладком многообразии, посредством которого задаются скалярное произведение векторов в касательном пространстве, длины кривых, углы между кривыми и т. д. В частном случае поверхности метрика также называется первой квадратичной формой. В общей теории относительности метрика рассматривается в качестве фундаментального физического поля гравитации на четырехмерном многообразии физического пространства-времени. Широко используется и в других построениях теоретической физики, в частности, в биметрических теориях гравитации на пространстве-времени рассматривают сразу две метрики.

Многомировая интерпретация — интерпретация квантовой механики, в которой все возможности, содержащиеся в вероятностной волне, реализуются в отдельных вселенных.

М-теория — незавершенная теория объединения всех пяти версий теории струн, полностью квантовомеханическая теория всех сил и всей материи. В основе струнной теории и М-теории лежит идея о том, что разнообразие субатомных частиц, составляющих Вселенную, подобно нотам, по которым можно сыграть мелодию на скрипичной струне, или на мембране, натянутой, как кожа барабана. Это не совсем обычные струны и мембраны, они существуют в десяти- и одиннадцатимерном гиперпространстве. Если бы был супермикроскоп, который позволял бы заглянуть вглубь электрона, мы бы увидели, что это никакая не точечная частица, а крошечная вибрирующая струна. Эта струна вибрирует с различной частотой и различным резонансом. Согласно М-теории, струны являются не фундаментальными частицами, а примерами более общих объектов — бран.

Мультиверс (Мультивселенная, Метавселенная, Мультиуниверсум) — гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных. Представления о структуре такой мультивселенной, природе каждой вселенной, входящей в ее состав, и отношениях между этими вселенными зависят от выбранной гипотезы.

Общая теория относительности (ОТО) — теория гравитации, выражающая тяготение через геометрию пространства-времени, созданная Альбертом Эйнштейном в 1915–1916 годах. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО гравитация не является силовым взаимодействием, а кривизна пространства-времени связана с распределением материи. ОТО в настоящее время является общепризнанной теорией тяготения, хорошо подтвержденной наблюдениями. Первый успех ОТО состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем было зафиксировано отклонение света вблизи Солнца в момент полного затмения. С тех пор наблюдения и эксперименты подтвердили многие предсказания ОТО, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигналов в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, излучение волн тяготения. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний ОТО — гравитационных коллапсаров в виде черных дыр застывших звезд.

Позитивизм — философское учение и направление в методологии науки, определяющее единственным источником истинного, действительного знания эмпирические исследования и отрицающее познавательную ценность философского исследования. Как социально-философское направление, характеризуется стремлением исходить из данного, фактического, устойчивого, несомненного (позитивного), с тем чтобы создать социальную теорию, свободную от умозрительных метафизических объяснений, доказательную и общезначимую, основанную на методологии, свойственной естественным наукам.

Принцип причинности — утверждение, что следствия должны происходить после своих причин, а не до них.

Принцип эквивалентности — представление о том, что в малых областях пространства-времени тяготение невозможно отличить от ускорения. Формулируется также как утверждение о равенстве инертной и гравитационной масс. Принцип эквивалентности является одним из главных постулатов общей теории относительности. Он ограничивается рассмотрением эффектов гравитации и равноускоренного движения, однако каждое подтверждение принципа эквивалентности является одновременно и подтверждением общей теории относительности.

Причинно-с ледс твенные свя зи — объективная закономерность окружающего нас мира, состоящая в том, что сначала возникает причина какого-либо явления или события, а затем наступает следствие.

Пространство-время — непрерывное четырехмерное многообразие (континуум), в котором три измерения пространственные, а четвертое — временное. Физическая модель, дополняющая пространство временным измерением и, таким образом, создающая новую теоретико-физическую конструкцию, которая и называется пространственно-временным континуумом. Концепция пространства-времени допускает и классическую механику с независимым пространством и временем в нерелятивистском пределе. В контексте теории относительности время не отделимо от трех пространственных измерений и зависит от скорости наблюдателя. Количество измерений, необходимых для описания Вселенной, окончательно не определено. Например, современные теории струн и их обобщения требуют наличия свыше десяти измерений. Предполагается, что дополнительные ненаблюдаемые измерений свернуты до сверхмикроскопических (планковских) размеров, так что экспериментально они пока не могут быть обнаружены. Ожидается, тем не менее, что эти измерения каким-то образом проявляют себя в макроскопическом масштабе. Первый вариант модели естественного объединения пространства и времени, был создан Германом Минковским (Пространство Минковского) в 1908 г. на основе специальной теории относительности.

Симметрия — преобразование физической системы, которое оставляет проявление системы неизменным (например, вращение совершенной сферы относительно ее центра оставляет сферу неизменной); преобразование физической системы, которое не влияет на законы, описывающие систему.

Сингулярность — место, где кривизна пространства-времени обращается в бесконечность (например, в центре черной дыры или в изначальный момент Большого взрыва).

Система координат (СК) — плоская СК из двух сторон прямоугольника (квадрата) и объемная СК из трех ребер куба, помеченных буквами или цифрами, или же векторная СК из точки отсчета с исходящим вектором, заканчивающимся на движущейся материальной точке.

Система отсчета (СО) — набор математических и геометрических элементов, с помощью которого любое движущееся в пространстве тело можно «привязать к местности». В СО входит тело (точка) отсчета, часы — хронометр и система координат.

Специальная теория относительности (СТО, частная теория относительности) — теория, обобщающая классическую механику при описании движения тел со субсветовыми скоростями. При малых скоростях различия между результатами СТО и ньютоновской механикой становятся незначительными. СТО является ковариантной формулировкой механики и электродинамики в плоском пространстве-времени.

Струнная теория — теорфизические построения, основывающаяся на одномерных колеблющихся нитях энергии, но которая не обязательно включает суперсимметрию. Иногда используется как сокращение теории суперструн, в которой фундаментальные ингредиенты являются одномерными петлями (замкнутые струны) или обрывками (открытые струны) колеблющейся энергии. Теория суперструн объединяет общую теорию относительности (теорию гравитации Эйнштейна) и квантовую механику, на основе суперсимметрии, как симметрии, в которой законы не изменяются, когда частицы с целочисленным спином (частицы сил) взаимозаменяются на частицы с полуцелым (частицы материи).

Темная материя — невидимая субстанция, о наличии которой можно судить только по ее гравитационному воздействию. Согласно существующим теориям, на темную материю приходится около 25 % массы Вселенной, однако ученые не могут точно установить ее природу. Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки размером с галактику или скоп ление галактик, и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих ускорителях высокой энергии — коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100–1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих коллайдерах, для этого не хватает). Ближайшие перспективы здесь связаны с находящимся в международном центре ЦЕРН под Женевой Большим Адронным Коллайдером, на котором получают встречные пучки протонов с гигантской энергией. Согласно гипотезам, частицы темной материи являются представителями нового семейства элементарных частиц и космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается!

Темная энергия — субстанция неизвестной природы, составляющая около 70 % и равномерно распределенная по всей Вселенной. Темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию, следующую из современных астрономических методов измерения темпа расширения Вселенной и свидетельствующую о том, что около 7 миллиардов лет назад Вселенная стала расширяться с ускорением, так что темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, все наоборот. Это не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает ее от обычных форм материи и делает главной загадкой фундаментальной физики XXI века. Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную, для него употребляют термин «квинтэссенция». Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Из этого следует существование дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

Теоретическая физика — способ познания природы, при котором с тем или иным кругом природных явлений сопоставляется какая-либо математическая модель. В такой формулировке теоретическая физика не вытекает из «опыта», а является самостоятельным методом изучения природы. Однако область ее интересов, естественно, формируется с учетом результатов эксперимента и наблюдений. Теоретическая физика не рассматривает вопросы вида «почему математика должна описывать природу?». Она принимает за постулат то, что, в силу неких причин математическое описание природных явлений оказывается крайне эффективным, и изучает последствия этого постулата. Строго говоря, теоретическая физика изучает не свойства самой природы, а свойства предлагаемых математических моделей. Кроме того, часто теоретическая физика изучает какие-либо модели «сами по себе», без привязки к конкретным природным явлениям. Продуктом теоретической физики являются физические теории. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершенной физической теории. Вторым обязательным свойством, отличающим теоретическую физику от математики, является возможность получать предсказания для поведения природы в тех или иных условиях и в случаях, где результат эксперимента уже известен, давать согласие с экспериментом.

Топология — раздел математики, изучающий явление непрерывности, в частности свойства пространства, которые остаются неизменными при непрерывных деформациях, например связность, ориентируемость. В отличие от геометрии, в топологии не рассматриваются метрические свойства объектов (например, расстояние между парой точек). Весьма важными для топологии являются понятия гомеоморфизма и гомотопии. Грубо говоря, это типы деформации, происходящие без разрывов и склеиваний.

Трансляционная инвариантность (трансляционная симметрия) — свойство принятых законов природы, при котором законы применимы в любом месте пространства.

Эргосфера — область, окружающая керровскую черную дыру и расположенная между пределом статичности и внешним горизонтом событий, где находиться в состоянии покоя невозможно.

Эфир мировой, светоносный — исторический аналог физического вакуума. Первые модели некой всепроникающей универсальной среды возникли еще в рассуждениях античных метафизиков. В дальнейшем идея эфира получила дальнейшее развитие в трудах энциклопедистов эпохи Возрождения, считавших, что межзвездное пространство заполнено какой-то невидимой и неосязаемой тонкой субстанцией. Когда была получена система уравнений Максвелла, предсказывающая, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью, даже сам автор этой теории полагал, что электромагнитные волны распространяются в среде, подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские — в воде. В первой половине XIX столетия ученые даже тщательно проработали теоретическую модель эфира и механику распространения света, включая всевозможные рычаги и оси, якобы способствующие распространению колебательных световых волн в эфире.

Content

Олег Фейгин
Квантовые миры Стивена Хокинга

От автора

Введение

Глава 1. Лекции кембриджского киборга

Глава 2. Происхождение и судьба нашего мира

Глава 3. Тайны застывших звезд

Глава 4. Спор о космической цензуре

Глава 5. Темные стороны мироздания

Глава 6. Лабиринты мультиверса

Глава 7. Суперструнная симфония вселенной

Глава 8. Чудеса М-теории

Глава 9. Миры-частицы

Глава 10. Стрела мнимого времени

Глава 11. Ячейки пространства-времени

Глава 12. Инфляция новорожденного мира

Глава 13. Теория теорий

Заключение

Краткая биография Стивена Хокинга

Словарь