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.

---

Например, теория всемирного тяготения Ньютона охватывает огромный класс наблюдений. Она предсказывает как поведение объектов, падающих на Землю, так и движение планет по их орбитам.

Однако следует учесть, что хорошая теория рождается не только из наблюдения – это может быть шальная догадка, подвиг воображения. “Способность к скачкам воображения – дар, необходимый физику-теоретику”, – утверждает Хокинг[5]. Тем не менее хорошая теория не должна противоречить уже известным данным наблюдений, разве что к ней прилагается убедительное объяснение, почему этими наблюдениями можно пренебречь. Так, теория суперструн, одна из самых интересных современных теорий, предсказывает существование более трех пространственных измерений, и это со всей очевидностью противоречит тому, что мы видим собственными глазами. Теоретики предлагают объяснение: дополнительные измерения свернуты и потому недоступны нашему зрению.

Что подразумевает второе требование Хокинга – ограничить число произвольных элементов в теории, – нам уже известно.

И последнее требование: хорошая теория должна предсказывать результаты будущих наблюдений. Она бросает ученым вызов: проверьте меня в эксперименте! Она говорит нам, что́ мы увидим, если эта теория верна. Она также подскажет нам, какие наблюдения смогут опровергнуть эту теорию, если она окажется неверной. Например, общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывает искривление световых лучей дальних звезд при прохождении мимо тел, обладающих большой массой, – например, мимо Солнца. Это предсказание можно проверить, и проверка подтвердила правоту Эйнштейна.

Некоторые теории, в том числе большинство теорий Стивена Хокинга, не поддаются проверке с помощью современных технологий. Может быть, подходящих технологий не создадут и в будущем. Тем не менее эти теории проверяются – математически. Они должны математически соответствовать тому, что нам известно и что мы наблюдаем. Однако ранние стадии формирования вселенной нам наблюдать не дано, и нет прямых данных за или против гипотезы об отсутствии граничных условий (о ней мы поговорим в дальнейшем). Кое-какие тесты для доказательства или опровержения существования “кротовых нор” предлагались, но сам Хокинг сомневался в результативности этих проверок. Зато он поведал нам, что мы обнаружим, если когда-нибудь обзаведемся нужной технологией, и он убежден, что его теории не противоречат уже имеющимся данным. В некоторых случаях он отваживался предсказывать вполне конкретные результаты опытов и наблюдений, которые должны раздвинуть границы нынешних наших возможностей.

Если вселенная едина и гармонична, то граничные условия при возникновении вселенной, элементарные частицы и управляющие ими силы, физические константы – все взаимосвязано и полностью совпадает и подчиняется единому закону, неизбежному, абсолютному и самоочевидному. Достигни мы такого уровня понимания, мы бы действительно открыли теорию всего, абсолютно всего, вероятно, получили бы даже ответ на вопрос, почему вселенная устроена именно таким образом. Проникли бы в “замысел Бога”, как формулирует Хокинг в “Краткой истории времени”, в “Высший замысел”, как он выражается в недавней книге, именно так и озаглавленной.

Перчатка Брошена

А теперь перечислим задачи, стоявшие перед любым кандидатом на теорию всего в 1980 году, когда Хокинг читал вступительную лекцию в качестве Лукасовского профессора. С тех пор – об этом мы еще будем говорить – некоторые требования из этого списка слегка видоизменились. Итак, теория-кандидат должна:

• Объединять частицы и силы.

• Описывать граничные условия вселенной, ее состояние на момент “ноль”, когда все только началось и не прошло еще ни мгновения.

• Быть “ограничительной”, не допускать слишком много вариантов. (Например, она должна точно предсказать количество существующих видов частиц. Если теория допустит существование разных путей развития вселенной, ей придется объяснить, почему в итоге мы получили именно такую вселенную, а не какую-либо иную.)

• Содержать не слишком много произвольных элементов. (Она не должна вынуждать нас чересчур часто обращаться за ответами к вселенной как она есть. Парадокс: сама теория всего может оказаться произвольным элементом. Большинство ученых не рассчитывают, что теория всего разъяснит саму себя: почему она существует и почему именно в таком виде, а также почему существует все то, что она призвана описать. Вряд ли она ответит на вопрос Стивена Хокинга: “Почему вселенная [или в данном случае теория всего] вообще не погнушалась существовать?”[6])

• Предсказывать вселенную, похожую на ту, что нам известна, или убедительно объяснять, почему мы видим одно, а “на самом деле” тут другое. (Если теория предсказывает скорость света десять километров в час или не допускает существования пингвинов – или пульсаров, – возникает серьезная проблема. Теория всего должна выдержать проверку всем, что мы наблюдаем.)

• Быть простой и в то же время допускать невероятную сложность устройства мира. Принстонский физик Джон Арчибальд Уилер писал:

За этим всем
Скрыт замысел простой.
Он так прекрасен,
Так чист – познав его,
В другом десятилетье или веке,
А может, через десять тысяч лет,
Мы сразу все поймем,
Мы скажем дружно:
Иначе не могло и быть!
Как слепы были мы
все эти сотни лет[7].

Самые мощные теории – такие как теория всемирного тяготения Ньютона или теории относительности Эйнштейна – просты именно в том смысле, о котором пишет Уилер.

Всеохватывающая теория должна каким-то образом примирить общую теорию относительности Эйнштейна (которая объясняет явления гравитации) с квантовой механикой (которую мы успешно применяем, обсуждая остальные три силы). Стивен Хокинг ответил на этот вызов. Проблему мы обозначили, а суть ее вы лучше поймете, когда прочитаете в этой главе о принципе неопределенности в квантовой механике, а далее – об общей теории относительности.

Теории встречаются

Теория относительности Эйнштейна описывает самые крупные объекты во вселенной – звезды, планеты, галактики. Она замечательно объясняет работу гравитации на этом уровне.

Квантовая механика описывает самые малые объекты. В этой теории силы природы предстают в виде сообщений, которыми обмениваются фермионы, частицы материи. И еще в квантовой механике присутствует сводящий с ума принцип неопределенности: мы не можем одновременно с точностью установить позицию частицы и ее количество движения (как она движется). Несмотря на этот изъян, квантовая механика прекрасно справляется со своей задачей – объяснять явления на уровне бесконечно малых.

Объединить две великие теории ХХ века в одну можно было бы, например, объяснив гравитацию – более успешно, чем это удавалось до сих пор – как сообщения, которыми обмениваются фермионы (так мы объясняем остальные три силы). Другой вариант объединения – переосмыслить общую теорию относительности в свете принципа неопределенности.

Объяснить гравитацию как работу частиц-вестников не получается. Если попытаться описать силу, удерживающую нас на Земле, в виде обмена гравитонами (частицами-вестниками гравитации) между частицами вещества нашего тела и частицами вещества, из которого состоит Земля, то вроде бы получается квантово-механическая версия теории всемирного притяжения. Однако этим гравитонам тоже придется обмениваться гравитонами, и математически выйдет довольно неопрятно: мы уходим в бесконечность, в математическую бессмыслицу.

Бесконечность не вмещается в физическую теорию. Когда бесконечность все-таки пролезает в теорию, физики прибегают к “перенормировке”. Ричард Фейнман использовал перенормировку, создавая теорию для объяснения электромагнитных сил, но его это нисколько не радовало. “Словцо-то умное, – писал он, – но уловка безумная”[8]. Для перенормировки приходится добавлять в уравнения другие бесконечности, а потом сокращать старые и новые. Выглядит сомнительно, хотя на практике вроде бы работает: в результате складываются теории, вполне согласующиеся с практикой.

Перенормировка выручила при создании теории электромагнетизма, но с гравитацией она справиться не помогает. Бесконечности, пролезающие в теорию гравитации, куда упорнее и противнее, чем электромагнетические: раз появившись, они уже не уходят. В ХХ веке большие надежды были связаны с теорией супергравитации, которую Хокинг упоминал в своей Лукасовской лекции, и с теорией суперструн, представляющей основные объекты вселенной в виде не точек-частиц, но скорее струн или струнных петель. В этой книге мы расскажем о еще более многообещающих прорывах последних лет. Но полностью решить проблему так и не удалось.