Стивен Хокинг «Теория всего»

Укорот в изложении Владимира Губайловского

Парадокс — двигатель науки

Автор книги «Теория всего» настолько знаменит своими научно-популярными книгами, что случается встречать такой вопрос: «Хокинг? Но он же не настоящий ученый, он ведь популяризатор». Слышать такое обидно не только за Хокинга, но и за физику, для которой этот выдающийся космолог столько сделал. Книга «Теория всего» отлично подходит для того, чтобы увидеть, что же сделал сам Хокинг, и оценить его вклад в современную космологию.

Книга состоит из семи лекций — так уж назвал главы этой книги Стивен Хокинг. Первая лекция — это своего рода предыстория современной космологии, когда она была еще областью, которой больше интересовались философы, чем физики. Но начиная со второй лекции и до конца книги излагаются современные исследования, посвященные развитию Вселенной. В каждой лекции с мягкой иронией и самоиронией Хокинг рассказывает и о том, что же сделал он сам. И мы понимаем, что всю историю современной космологии получаем из первых рук.

Хокинг находит элегантную форму изложения: каждая лекция отталкивается от парадокса. Это либо противоречие между наблюдаемыми явлениями и объясняющей теорией, либо противоречия между разными теориями.

Космология до Эйнштейна

Еще в IV веке до н.э. Аристотель на основе наблюдений показал, что Земля имеет шарообразную форму. Философ приводит целый набор аргументов в пользу этой гипотезы. Угол, под которым Полярная звезда видна над горизонтом, непрерывно изменяется при движении на север. Тень от Земли на Луне во время лунного затмения имеет форму круга. Корабль уходит за горизонт не сразу, и мы еще видим мачту, когда корпус уже скрылся. Этих наблюдений Аристотелю достаточно, чтобы сделать вывод о шарообразности Земли. Но эти оценки носят в основном качественный характер, который, конечно, астрономов не устраивал. Им нужны точные расчеты.

За дело взялся Птолемей. Во II веке н.э. он разработал теорию движения планет. Он смог объяснить движение планет по небу,  но столкнулся с парадоксом. Согласно теории Птолемея, расстояние между Луной и Землей периодически меняется в два раза. Но тогда Луна должна резко менять свой угловой размер при наблюдении с Земли. А этого как раз мы и не наблюдаем. Птолемей не знал, как справиться с этой трудностью. И его теория осталась с такой «дырой» на целых полторы тысячи лет.

Коперник, Кеплер и Галилей отказались от геоцентрической системы Птолемея и построили новую, подкрепленную многими наблюдениями. А физическое обоснование этой новой теории дал Ньютон. Но и он столкнулся с парадоксами, даже более серьезными, чем птолемеевская Луна.

Ньютон сделал Вселенную вечной и бесконечной. В таком мире закон всемирного тяготения хорошо объяснял движение планет в Солнечной системе, но при описании всего универсума возникли новые парадоксы. В бесконечной и вечной Вселенной сила тяготения действует бесконечное время. Но тогда почему все звезды и планеты до сих пор не слиплись в один огромный комок? Ньютон предположил, что материя распределена по бесконечной Вселенной настолько равномерно, что каждую звезду «тянет» в разные стороны с равной силой, и поэтому она остается на месте. Довольно скоро было показано, что это объяснение не проходит: такая система «растяжек» неустойчива, и даже при малом случайном возбуждении равновесие будет нарушено. И все «слипнется». Другой парадокс: если время бесконечно, то до Земли должен дойти свет от самых далеких звезд. Но тогда все небо будет сиять, как Солнце, и днем, и ночью. Это противоречие было отмечено еще в XVIII веке и получило название «фотометрический парадокс».

Большой взрыв

Современной космологии удалось разрешить эти парадоксы. Это сделал Альберт Эйнштейн с помощью общей теории относительности. Однако Хокинг указывает на новые парадоксы, которые Эйнштейну разрешить не удалось. Они возникли как прямые следствия из его теории. Российский космолог Александр Фридман дал решение уравнений Эйнштейна, из которого следовало, что Вселенная должна расширяться. Эйнштейн попытался спасти «стабильность мира», но это ему так и не удалось. По крайней мере, он сам не был удовлетворен найденным объяснением. А решение Фридмана получило экспериментальное подтверждение: американский астроном Эдвин Хаббл в 1930-е годы показал, что Вселенная действительно расширяется.

30 лет спустя Роджер Пенроуз сделал вывод, что если теория Эйнштейна верна, то во Вселенной неизбежно должны возникать черные дыры. А Хокинг обобщил теорему Пенроуза о черных дырах на всю Вселенную. Он показал, что, если распределение материи во Вселенной такое, как мы и наблюдаем, — Вселенная должна начинаться Большим взрывом. То есть она должна возникать из точки сингулярности, где кривизна пространства и плотность материи бесконечны. Фактически в 1960-е годы Хокинг и Пенроуз показали, что Вселенная родилась не просто из горячей области небольшого размера, а из точки, где известные нам законы физики не работают. Из теории Хокинга прямо следовало, что у пространства-времени было начало.

Но у этой теории были сильные оппоненты. Хокинг называет среди них советских физиков Евгения Лифшица и Исаака Халатникова. Хокинг пишет, что советские физики отчаянно пытались доказать, что Большого взрыва не было, потому что отстаивали «линию партии». В книге британского физика это выглядит как ирония, а между тем это не только ирония, но и констатация положения дел в советской науке. Хокинг об этом не пишет, но нужно отметить, что в советском учебнике «Астрономия», переиздававшемся с начала 50-х до конца 80-х, говорилось: «Вселенная безгранична во времени и пространстве. Она не имела начала и никогда не будет иметь конца». После публикации теоремы Хокинга о сингулярности и долгих обсуждений советские астрофизики все же согласились, что развитие Вселенной из точки сингулярности — это наиболее вероятный сценарий.

Как излучают черные дыры, которые не могут ничего излучать

Третья и четвертая лекции посвящены любимой теме Хокинга — черным дырам. Это странные объекты, про которые почти ничего не известно, поскольку они ничего не излучают (или почти ничего). Черная дыра — это проблема для астронома-наблюдателя: ее просто не видно. Но это удобный объект для астрофизика и космолога. Она в основном характеризуется всего двумя параметрами — массой и моментом вращения. На примере черных дыр удобно исследовать законы Вселенной, в первую очередь уравнения общей теории относительности.

Хокинг пишет: «...общая теория относительности — это теория классическая, то есть в ней не учитывается квантовомеханический принцип неопределенности».  А черная дыра — это, с одной стороны, такой же классический объект, как, например, звезда или галактика. С другой стороны, граница черной дыры — объект квантовый. 

Границу черной дыры называют горизонтом событий. Вернуться оттуда не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. С точки зрения классической теории горизонт событий — бесконечно тонкая поверхность в трехмерном пространстве. Но с точки зрения квантовой механики таких поверхностей не существует: они определены только с некоторой точностью, которую и задает принцип неопределенности. 

Вакуум — квантовый объект, в нем непрерывно образуются и аннигилируют пары виртуальных частиц. И вот на горизонте событий классическая черная дыра «сталкивается» с квантовым вакуумом. Хокинг пришел к выводу, что в этом случае черные дыры, вопреки общей теории относительности, должны излучать. В книге он излагает свою теорию «излучения черных дыр». Излучение Хокинга — это одна из первых попыток объединения классического и квантового взглядов на мир. И выполнено это объединение убедительно. Конечно, это еще не «теория всего», но продуктивность такого подхода показана.

Хокинг доказал, что в начале был Большой взрыв, но сказать, что его удовлетворило это доказательство, никак нельзя. В точке рождения пространства-времени законы Вселенной, которые мы можем наблюдать и исследовать, не работают. Теория Большого взрыва «спасает» от бесконечностей времени и пространства, но дорогой ценой: приходится согласиться, что при рождении Вселенной бесконечными были кривизна пространства и плотность материи. Опять мы сталкиваемся с парадоксом, который требует разрешения. 

Парадоксы роста

В пятой и шестой лекциях Хокинг рассматривает процесс развития нашего мира. Начиная с самых первых долей секунды и до нашего времени, и даже дальше — до конца Вселенной. 

Как из точки Большого взрыва Вселенная пришла к тому устройству мира, которое мы наблюдаем сегодня? К тому миру, в котором возможно существование галактик, звезд и в конечном счете человека? Оказывается, чтобы это стало возможным, сила первоначального взрыва должна быть «рассчитана» настолько точно, что, кажется, без божественного вмешательства не обошлось. Эта сила очень близка к критической: чуть слабее — и под действием гравитации мир должен схлопнуться обратно в точку сразу после Большого взрыва, чуть сильнее — и скорость расширения не позволит сформироваться не только той Вселенной, которую мы видим, но даже атомам. Хокинг формулирует целую серию вопросов. Почему Вселенная первоначально была настолько горячей, насколько нужно? Почему Вселенная однородна в больших масштабах, но в ней есть слабые неоднородности, которые позволяют сформироваться атомам и галактикам? 

Эти парадоксы удается разрешить, если мы допустим, что скорость расширения после Большого взрыва была непостоянной. Сначала Вселенная прошла фазу очень быстрого расширения, а потом оно замедлилось. Тогда развитие от Большого взрыва до нашей Вселенной становится гораздо более вероятным. И переход к той Вселенной, которую мы наблюдаем, оказывается возможен не только из идеально «настроенного взрыва», но и из гораздо большего числа состояний. Фаза очень быстрого расширения называется «инфляцией». Во время инфляционного раздувания первичные неоднородности выравниваются, и в результате образуется почти идеальная сфера. Такая сфера дает однородность в больших масштабах. А сохранившихся легких возмущений достаточно, чтобы образовались галактики.

Вопросов остается много, но обойтись без «божественного вмешательства» все-таки удается.  

Теория всего

По мере чтения книги возникает стойкое ощущение: чем лучше мы понимаем, как устроена Вселенная, тем больше перед нами вопросов и парадоксов. Но среди них есть главный: как же все-таки объединить квантовую неопределенность и классическую строгость общей теории относительности?      

Ни от первой, ни от второй мы отказаться не можем. Хокинг пишет: «Принцип неопределенности, по-видимому, является фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем». Но ведь и исследованию общей теории относительности он посвятил много времени и сил. Это одна из самых надежно проверенных теорий. А «примирить» ее с квантовой механикой и свести в единой теории — трудно.   

Одному из возможных решений посвящена седьмая лекция — это та самая «Теория всего», которая и дала название книге. 

«Теорией всего» обычно называют объединительную теорию, которая на малых масштабах — квантовая механика, а на больших — теория относительности. Одна из таких теорий — это теория струн. В этой теории мы рассматриваем не элементарную частицу, которая подобна геометрической точке, а одномерную линию, по которой распространяется волна. Хокинг с присущим ему юмором пишет, что теория струн похожа на «водопроводное дело». Например, взаимодействие Солнца и Земли похоже на трубы в виде буквы «Н». Вертикальные линии — это Солнце и Земля, а горизонтальная — их взаимодействие. Теория струн позволяет описать гравитационные силы и электромагнитные взаимодействия и устранить большинство возникающих в теории бесконечностей.

Однако за объединение приходится дорого заплатить. Теория струн утверждает, что все нормально сойдется, если в нашем пространстве-времени будет не 4 измерения, а 10. Или даже 26. Но тогда почему же мы их не видим? «Они компактифицированы», — отвечают струнные теоретики, то есть свернуты до микроразмеров. Хокинга этот ответ не слишком устраивает, но возражать трудно. Одной математически обоснованной теории можно противопоставить только другую математически обоснованную. Но такую теорию еще нужно построить.

Можно сказать, Хокинг в своей книге «Теория всего» на примере развития космологии показал, как работает наука. Мы разрешаем одни парадоксы. Возникают другие. Но, опираясь на противоречия, мы продолжаем движение. И по-другому, видимо, нельзя.

Нобелевская премия

Читать «Теорию всего» можно по-разному. Можно читать ее, как величественную сагу, рассказанную великим сказителем: «Сначала был Большой взрыв...». Читать и бескорыстно восхищаться Вселенной и силой человеческого разума, ее познающего. Но если приложить определенные усилия, можно погрузиться в суть излагаемых теорий и экспериментов, о которых говорит автор. И спорить с Хокингом, и приводить контраргументы. Вполне возможно, что, начав с чтения великой саги, читатель и перейдет к такому спору. Хокинг ведь не слагает новую Библию и не изрекает абсолютных истин.

Хокинг пишет: если астрономы откроют первичную черную дыру, я получу Нобелевскую премию. Он получил множество премий и наград, но до Нобелевской премии так и не дожил. Ее получил в 2020 году многолетний соавтор и оппонент Хокинга Роджер Пенроуз. Формулировка Нобелевского комитета была такая: «за открытие того, что образование черных дыр с необходимостью следует из общей теории относительности». Премию вместе с Пенроузом получили Райнхард Генцель и Андреа Гез, которым она была присуждена «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики». Нобелевский комитет все еще осторожничает и не говорит о подтвержденном открытии черной дыры в центре Млечного пути. Но именно благодаря Хокингу, хотя, конечно, не только ему, общественное сознание уже свыклось с такими объектами, как черные дыры, и готово их принять. Та система мира, которую мы сегодня считаем научно обоснованной, сформировалась во многом благодаря Стивену Хокингу. Его научным работам, его научно-популярным книгам, в том числе «Теории всего».

Заинтересовались книгой и хотите прочесть целиком? Скачайте бесплатно на Всенауке.