Китти Фергюсон - Стивен Хокинг. Непобедимый разум

• Название: Стивен Хокинг. Непобедимый разум
• Автор: Китти Фергюсон
• Жанр: Биографии
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-17-115613-8

Образ великого астрофизика Стивена Хокинга, давно стал культовым, его имя – синоним и гениальности, и мужества, и надежды. Когда-то кембриджскому студенту поставили страшный диагноз – БАС – и обещали не более двух лет жизни. Юноша бросился дописывать диссертацию – вдруг успеет. И успел: сделать огромный вклад в изучение загадок вселенной, прославиться на весь мир научно-популярными книгами для взрослых и детей, стать героем игровых и документальных фильмов, дважды жениться, обзавестись внуками… В теле инвалида, лишенном движения и речи, жило неукротимое существо, на всю планету излучавшее энергию, ум, юмор и обаяние. Американская писательница Китти Фергюсон много лет публикует книги и читает лекции о космологии для широкой аудитории. Международную известность ей принес “талант переводить с языка физиков на простой человеческий”. Биографию Хокинга она писала с одобрения и при помощи своего героя и в итоге смогла не только воссоздать его личную историю, но и увлекательно рассказать о его научной работе, нацеленной на постижение самых основ вселенной.

---

Куда бы мы ни бросили взгляд, мы видим, что реальность поразительно сложна и ускользает от понимания, порой она чужда нам и с ней трудно смириться, порой она совершенно непредсказуема. За пределами нашей вселенной может отыскаться бесконечное множество других. Конец ХХ века настал и прошел, и никто не открыл теорию всего. Так сбудется ли предсказание Стивена Хокинга? Сумеет ли какая бы то ни было научная теория объяснить всё?

Глава 2 Наша цель – полностью описать вселенную, в которой мы живем

Сама по себе мысль, что всю дивную сложность, все разнообразие мира можно свести к поразительно простому объяснению, не так уж нова или странна. В VI веке до н. э. мудрец Пифагор и его ученики на юге Италии исследовали соотношение длины лирной струны и издаваемого ею звука и обнаружили за внешним хаосом природных явлений повторяющийся узор, разумный порядок. И в последующие века наши предки убеждались – порой, как и пифагорейцы, к собственному изумлению и восторгу, – что природа устроена отнюдь не так сложно, как кажется.

Вообразите себя (если получится) умнейшим инопланетянином, ничего не знающим о нашей вселенной: существует ли некий исчерпывающий свод правил, который вы могли бы изучить и полностью разобраться во всем, что тут творится? И насколько этот свод правил объемист?

На протяжении десятилетий многие ученые верили, что “учебник вселенной” краток и содержит довольно простые принципы, а то и вовсе состоит из одного-единственного правила, которое лежит в основе всего, что случилось, случается и случится впредь в нашем мире. В 1980 году Стивен Хокинг отважно заявил, что к концу столетия мы будем держать в руках этот учебник.

В моей семье хранилась музейная копия антикварной настольной игры. При раскопках города Ура в Междуречье археологи наткнулись на изящно инкрустированную доску и несколько резных фигурок при ней. Очевидно, это была довольно сложная игра, но правила ее нам неизвестны. Создатели копии пытались вывести правила, исходя из дизайна доски и облика фигурок, но вместе с тем предлагали покупателям (и нам в том числе) самим придумывать и открывать правила этой игры.

Такова и наша вселенная: сложная, величественная, таинственная игра. Правила, конечно, должны быть, но к игре не прилагается никаких инструкций. И вселенная – отнюдь не археологическая находка, словно та игра из Ура. Это древняя игра, но она все еще продолжается. И мы сами, и все, что мы знаем (и все, нам неведомое), втянуты в эту игру. Если теория всего существует, значит, мы, как и вселенная, подчиняемся ее правилам – и в то же время пытаемся их постичь.

Казалось бы, полный свод правил вселенской игры должен заполнить обширную библиотеку, с трудом уместиться в суперкомпьютере. Нужны правила возникновения и движения галактик, причины, по которым функционирует или отказывается функционировать тело человека, почему замерзает вода, как живут растения, зачем лает собака – подробные правила внутри подробных правил внутри правил. Мыслимо ли свести все это к нескольким основополагающим принципам?

Ричард Фейнман, американский физик, лауреат Нобелевской премии, приводил замечательный пример того, как осуществляется редукция правил. Было время, напомнил он, когда мы различали “движение”, “тепло” и “звук”.

“Но затем выяснилось, – пишет Фейнман, – после того, как сэр Исаак Ньютон объяснил законы движения, что некоторые с виду различные явления представляют собой аспекты одного и того же. Например, звук удалось полностью объяснить движением атомов в воздухе, и тем самым звук перестал рассматриваться как отличающийся от движения феномен. Также обнаружилось, что из законов движения вполне объяснимо и тепло. Таким образом, целые глыбы теоретической физики сплавились в одну простую теорию”[2].

Жизнь среди мельчайших частиц

Материя, из которой, как мы себе представляем, строится все во вселенной – вы и я, воздух и лед, звезды, газы, микробы, эта книга, – состоит из крошечных “кирпичиков” – атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц, а также из пустот между ними.

Самые известные частицы – электрон, который вращается вокруг ядра атома, а также протоны и нейтроны, которые собраны в ядре. Протоны и нейтроны можно разделить на еще более крохотные частицы – кварки. Все частицы материи принадлежат к классу фермионов, названных в честь великого итальянского физика Энрико Ферми. У них есть своя система сообщений, которая побуждает их определенным образом действовать или меняться. Представьте себе группу знакомых, чья система передачи сообщений состоит из четырех разных видов: телефон, факс, электронная почта и обычная почта. Не все люди посылают или получают сообщения и влияют друг на друга с помощью всех четырех видов связи. Система сообщений между фермионами также состоит из четырех разных видов связи – мы называем их “силами”. Существует особый вид частиц, который передает сообщения между фермионами, а иногда и друг другу. Эти частицы-вестники именуются “бозонами”. По-видимому, любая частица во вселенной является либо фермионом, либо бозоном.

К числу четырех фундаментальных сил природы относится гравитация. Можно рассматривать гравитацию, которая удерживает нас на Земле, как “сообщения”, передаваемые бозонами-гравитонами между частицами атомов человеческого тела и частицами атомов Земли и побуждающие их притягиваться друг к другу. Гравитация – самая слабая из фундаментальных сил, но зато, как мы вскоре убедимся, она имеет огромный радиус действия и влияет на все во вселенной. В сумме гравитационные взаимодействия превосходят все остальные.

Вторая сила – электромагнетизм. Это сведения, передаваемые бозонами-фотонами между протонами и находящимися поблизости от них электронами, а также между электронами. Электромагнетизм вынуждает электроны вращаться вокруг ядра. В повседневной жизни фотоны проявляют себя как свет и тепло, радиоволны, микроволны и другие виды волн. Сила электромагнетизма тоже действует на больших расстояниях, и она сильнее гравитации, но ей подчинены лишь частицы, имеющие заряд.

Третья служба сообщений – сильные ядерные взаимодействия. Этой силой удерживается воедино ядро атома.

Четвертая служба – слабые ядерные взаимодействия. Они обуславливают явления радиоактивности, играют ключевую роль в начале жизни вселенной и звезд, в формировании элементов.

Гравитация, электромагнетизм, сильные ядерные взаимодействия, слабые ядерные взаимодействия – эти четыре силы отвечают за все сообщения, передаваемые между всеми фермионами вселенной, за любое взаимодействие между ними. Без этих сил каждый фермион существовал бы (если бы вообще существовал) в изоляции, не имея возможности сообщаться с другими и влиять на них, не замечая существования других. Проще говоря, без действия этих сил не происходит ничего. Если так, то, полностью поняв эти силы, мы постигнем и принципы, лежащие в основе всего, что происходит во вселенной. И мы уже получили весьма лаконичную книгу правил.

В ХХ веке усилия физиков в значительной мере сосредотачивались на том, чтобы лучше понять действие этих четырех сил и взаимоотношения между ними. Как мы в своей жизни убеждаемся, что телефон, факс и электронная почта не противопоставлены друг другу, а представляют собой разные проявления одной и той же сути, так и физики с немалым успехом старались объединить известные силы в единую “систему сообщений”. Они стремятся обнаружить в итоге теорию, которая сумеет объяснить все четыре силы как одну, хотя и проявляющую себя по-разному, и, быть может, эта теория сумеет “примирить” и бозоны с фермионами. Сложится, как они это называют, “единая теория”.

Но теория, полностью объясняющая вселенную, теория всего, должна зайти еще дальше. Стивена Хокинга в особенности интересовал ответ на вопрос: как выглядела вселенная в миг начала, когда еще ничего не произошло? Говоря языком физиков, каковы были “начальные условия”, или “граничные условия начала вселенной”? Поскольку вопрос о граничных условиях всегда составлял самую суть исследований Хокинга, мы должны посвятить ему отдельную подглавку.

Проблема граничных условий

Представьте себе, что вы построили модель железной дороги, поставили на рельсы поезда, предусмотрели переключатели, с помощью которых будете регулировать скорость поездов. Пока вы еще не начали игру – вы задали граничные условия. Для вашей железной дороги бытие и реальность начнутся именно с такого, а не с иного состояния. Где окажется каждый поезд через пять минут после включения тока, столкнутся какие-то поезда или нет – все это определяется граничными условиями.

Допустим, вы позволили поездам покататься десять минут, ни разу не вмешавшись в их движение. И тут в комнату входит ваш приятель, и вы отключаете ток. Теперь появился новый набор граничных условий: точное положение каждой детали на момент, когда дорога остановилась. Предложите другу установить точное положение каждой детали на момент, когда вы впервые запустили игру. Казалось бы, простая картина: поезда стоят там-то и там-то, включены такие-то стрелки и переключатели, но для решения этой задачи придется задать множество вопросов. До какой скорости разгоняются и как быстро тормозят поезда? Одинаково ли сопротивление на всех участках пути? Каков угол наклона там, где дорога идет под горку? Обеспечена ли бесперебойная подача тока? Точно ли не было никаких вмешательств в работу железной дороги – может быть, участвовала какая-то сила со стороны, а теперь следов этого вмешательства не сохранилось? Огромная, непосильная задача. Ваш друг сполна ощутит проблемы современных ученых, которые пытаются восстановить исходное состояние – граничные условия в начале времени.