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.

---

А что произойдет, если допустить квантовую механику в область крупных объектов, туда, где безраздельно царит сила всемирного притяжения? Что получится, если пересмотреть объяснение гравитации, предлагаемое общей теорией относительности, в свете того, что нам известно о принципе неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно замерить и положение частицы, и ее движение? Хокинг подошел к проблеме именно с этой стороны и получил парадоксальные результаты: черные дыры оказались белыми, а основным граничным условием оказалось отсутствие граничных условий.

И раз мы взялись перечислять парадоксы, вот еще один: пустое пространство не пусто. Позднее мы обсудим, как ученые пришли к такому выводу, а пока лишь скажем, что из принципа неопределенности следует: пустое якобы пространство кишит частицами и античастицами. (Полагаю, по научной фантастике всем знакомы понятия материи и антиматерии.)

Общая теория относительности предсказывает искривление пространства-времени в присутствии материи или энергии. Один из примеров такого искривления мы уже приводили: лучи света далеких звезд отклоняются от своего пути, когда проходят мимо массивных объектов вроде Солнца.

Обратите внимание на эти два пункта: 1) “пустое” пространство заполнено частицами и античастицами, а значит, и огромным количеством энергии; 2) присутствие этой энергии вызывает искривление пространства-времени.

Если оба пункта верны, вселенная должна была свернуться в крошечный мячик. Такого не произошло. То есть при одновременном использовании общей теории относительности и квантовой механики их предсказания, по-видимому, оказываются совершенно неправильными. Обе эти теории сами по себе очень удачны, каждая из них стала плодом замечательных научных достижений ХХ века. Они годятся не только для умозрительных построений, но и для решения многих практических задач. И тем не менее в совокупности они порождают бесконечности и бессмыслицу. Теория всего должна каким-то образом извлечь из этой бессмыслицы смысл.

Предсказание в подробностях

Вообразите себя вновь инопланетянином, незнакомым с нашей вселенной. Теория всего позволит вам предсказывать любые события в ней… так или не так? Понятно, что вы сможете предсказать существование солнц и планет, галактик и черных дыр. Но сможете ли вы предсказать победителя на следующем Дерби? Насколько подробным будет предсказание? Скорее всего, не очень подробным.

Чтобы обработать все данные вселенной, понадобился бы компьютер, во много раз превосходящий мощностью все те, что мы в состоянии хотя бы представить. Хокинг напоминал, что, пусть мы и умеем решать уравнения движения двух тел согласно теории всемирного притяжения, уже уравнение с тремя телами не поддается точному решению – не потому, что для трех тел перестает действовать теория Ньютона, а потому, что слишком усложняются сами вычисления. А в реальной вселенной тел несколько больше трех.

Мы не можем предсказать состояние своего здоровья, хотя и понимаем основные принципы медицины, химии и биологии. И здесь тоже проблема в том, что в реальной системе – даже если это всего-навсего система одного человеческого тела – чересчур много элементов, миллиарды и миллиарды.

Даже создав теорию всего, мы не научимся делать всеохватывающие прогнозы. Даже если основные принципы окажутся простыми и понятными, работают они весьма сложным образом. “Выучишь за минуту, совершенствуешься всю жизнь вселенной”, перефразируя слоган очередной игры. Но эту игру не осилить и за множество жизней вселенной[9].

Что из этого следует? Теория всего могла бы предсказать, какая лошадь выиграет кубок в следующем году, но ни один компьютер не вместит данные и не осилит вычисления, которые необходимы для такого предсказания. Так, что ли?

Есть и другая проблема. Вернемся вновь к принципу неопределенности в квантовой механике.

Беспорядок бесконечно малых

В царстве бесконечно малых, на квантовом уровне вселенной, нашу способность предсказывать ограничивает принцип неопределенности.

Подумайте о странных, вечно занятых обитателях квантового мира – фермионах и бозонах. Прямо-таки зоопарк частиц. Среди фермионов значатся электроны, протоны, нейтроны, каждый протон и каждый нейтрон состоит из трех кварков-фермионов. А еще бозоны: фотоны (вестники электромагнитных сил), гравитоны (представители силы всемирного тяготения), глюоны (сильные взаимодействия), W и Z (слабые взаимодействия). Хотелось бы знать, где все эти господа и другие им подобные находятся, куда несутся и с какой скоростью. Возможно ли это установить?

Рис. 2.1. В резерфордовской модели ядра гелия электроны вращались вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Теперь мы знаем, что в силу принципа неопределенности орбиты планет нельзя прочертить так отчетливо, как в этой схеме.

На рисунке 2.1 изображен атом, каким его представил Эрнест Резерфорд в Лаборатории Кавендиша в начале ХХ века. На этом рисунке электроны кружат вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Теперь нам известно, что на квантовом уровне все происходит несколько иначе. Орбиты электронов нельзя представлять себе в виде планетарных орбит. Точнее было бы сказать, что они окружают ядро облаком или ульем. Почему эта картинка размыта?

Принцип неопределенности превращает жизнь на квантовом уровне в беспорядок и неопределенность – так живут не только электроны, но и все остальные частицы. Как бы внимательно мы ни наблюдали за ними, невозможно одновременно зафиксировать и положение частицы, и характер ее движения. Чем точнее мы измеряем движение, тем менее точно знаем положение частицы, и наоборот. Словно дети на качелях: когда точность одного параметра взмывает вверх, точность другого параметра идет на понижение. Чтобы сделать одно точное измерение, придется соглашаться с возрастающей неопределенностью другого.

Чтобы описать движение частицы, приходится рассмотреть все возможные варианты ее движения, а затем вычислить вероятность каждого из этих вариантов. Так мы вступаем в область вероятностей. С такой-то вероятностью частица движется туда, с такой-то вероятностью – сюда. И все же это весьма ценная информация.

Немного смахивает на попытки предсказать результаты выборов. Эксперты виртуозно работают с данными опросов. Обрабатывая достаточно большие числа, они получают статистические таблицы, позволяющие предсказать, кто и с каким отрывом победит на выборах, – при этом вовсе не требуется знать, как именно проголосует каждый избиратель. Так и квантовая физика: если рассмотреть множество вариантов движения частиц, то вероятность, что они движутся так-то и так или что находятся скорее в том месте, чем в этом, превращается в конкретную информацию.

Эксперты по выборам учитывают, что опрос может повлиять на голосование: отвечая на вопросы, избиратель начинает задумываться над последствиями своего решения. Такая же дилемма стоит и перед физиками, когда они проникают на квантовый уровень: их вмешательство отражается на полученных ими результатах.

До сих пор сравнение результатов выборов и жизни частиц работало, но дальше придется от него отказаться: в день выборов каждый гражданин подаст свой голос либо “за”, либо “против”. Его голос будет сохранен в тайне, и тем не менее это вполне конкретное решение. Если бы эксперты разместили в кабинках для голосования скрытые камеры (чудом избежав при этом ареста), они смогли бы узнать, как проголосовал каждый. В квантовой физике подобное невозможно. Физики изобретают хитроумнейшие способы проследить за частицами, но все напрасно. Мир элементарных частиц не просто кажется неопределенным, потому что мы не сумели придумать эффективный метод наблюдения, – этот мир действительно полон неопределенности. Не зря Хокинг в Лукасовской лекции назвал квантовую механику “теорией того, чего мы не знаем и не умеем предсказывать”[10].

Учтя это ограничение, физики по-новому сформулировали задачу науки: теория всего должна представлять собой набор законов, которые позволят предсказывать события в пределах, заданных принципом неопределенности, то есть в большинстве случаев нам придется удовлетвориться статистической вероятностью, без конкретных подробностей.

Об этой проблеме и ведет разговор Стивен Хокинг. На вопрос, предопределено ли все теорией всего (или Богом), он отвечает утвердительно: по его мнению, это так. “Но может быть, и не так, потому что мы никогда не сможем узнать, что предопределено. Если теория предопределяет кому-то смерть на виселице, значит, он не утонет, но до какой же степени нужно быть уверенным в судьбе, чтобы отважиться выйти в шторм в море на хлипкой лодчонке”[11]. По этой причине Хокинг считает концепцию свободной воли “вполне удачной теорией, приблизительно описывающей поведение человека”[12].