Введение

Профессор Кип Стивен Торн



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

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

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

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

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

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

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

Эта «температура Хокинга» черной дыры и ее «излучение Хокинга»[2] (как их стали называть позже) – поистине радикальные открытия; возможно, самые радикальные в теоретической физике второй половины ХХ века. Мы увидели глубокую связь между общей теорией относительности (черные дыры), термодинамикой (физика тепла) и квантовой физикой (создание частиц там, где их не существовало). Например, это навело Стивена на мысль, что черная дыра обладает энтропией, а это означает, что где-то внутри или вокруг черной дыры существует огромная хаотичность. Он пришел к выводу, что количество энтропии (логарифм степени хаотичности дыры) пропорционально площади поверхности дыры. Формула энтропии[3] выгравирована на памятнике Стивену перед колледжем Гонвиль и Киз в Кембридже, где он работал.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Четырнадцатого сентября 2015 года гравитационно-волновой детектор в обсерватории LIGO зарегистрировал первые гравитационные волны (сооснователями проекта, в котором было задействовано 1000 человек, являются Рай, я и Рональд Древер, а организатором и руководителем процесса был Барри Бариш)[4]. Сравнив волновые характеристики с полученными на компьютерном симуляторе, наша команда пришла к выводу, что волны возникли от столкновения двух массивных черных дыр, которое произошло в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Это стало началом гравитационно-волновой астрономии. Наша команда достигла с гравитационными волнами того, что Галилей достиг с электромагнитными.

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

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

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

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

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

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

* * *

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

Это серьезные вопросы. Очень серьезные.

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

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

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

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

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


Кип Стивен Торн

Июль 2018 года