Краткие ответы на большие вопросы

Стивен Хокинг

Предисловие
Эдди Редмэйн

Впервые встретив Стивена Хокинга, я был поражен его необычайной силой и его уязвимостью. Решительный взгляд в его глазах в сочетании с неподвижным телом были мне знакомы по моим исследованиям — я недавно был нанят на роль Стивена в «Теории всего» и провел несколько месяцев, изучая его работу и природу его инвалидности, пытаясь понять, как использовать свое тело, чтобы выразить течение болезни двигательных нейронов с течением времени.
И все же, когда я наконец встретил Стивена, икону, этого ученого феноменального таланта, чье основное общение осуществлялось посредством компьютерного голоса и пары исключительно выразительных бровей, я был сражен. Я, как правило, нервничаю в тишине и говорю слишком много, тогда как Стивен абсолютно понимал силу тишины, силу ощущения, что тебя изучают. Взволнованный, я решил поговорить с ним о том, что наши дни рождения разделяют всего несколько дней, помещая нас в один и тот же знак зодиака. Через несколько минут Стивен ответил: «Я астроном. А не астролог». Он также настоял, чтобы я называл его Стивеном и перестал называть его профессором. Мне сказали...
Возможность изобразить Стивена была необычной. Меня привлекла эта роль из-за двойственности внешнего триумфа Стивена в его научной работе и внутренней борьбы с болезнью двигательных нейронов, начавшейся в начале двадцатилетия. Это была уникальная, сложная, насыщенная история человеческих усилий, семейной жизни, огромных академических достижений и явного неповиновения перед лицом всех препятствий. Хотя мы хотели изобразить вдохновение, мы также хотели показать упорство и мужество, которые были присущи жизни Стивена, проявленные как им самим, так и теми, кто заботился о нем.
Но было не менее важно изобразить ту сторону Стивена, которая была чистым шоуменом. В моем трейлере в итоге оказалось три образа, на которые я ссылался. Один был Эйнштейном с высунутым языком, потому что есть похожее игривое остроумие с Хокингом. Другой был Джокером в колоде карт, который был кукловодом, потому что я чувствую, что Стивен всегда держал людей в своих руках. И третий был Джеймс Дин. И это то, что я получил, увидев его, — блеск и юмор.
Самое большое давление в игре живого человека заключается в том, что вам придется отчитываться за свою игру перед человеком, которого вы изображали. В случае Стивена, отчет был также и перед его семьей, которая была так щедра ко мне во время моей подготовки к фильму. Перед тем, как Стивен пошел на просмотр, он сказал мне: «Я скажу вам, что я думаю. Хорошо. Или иначе». Я ответил, что если это «иначе», возможно, он мог бы просто сказать «иначе» и избавить меня от раздражающих подробностей. Стивен великодушно сказал, что ему понравился фильм. Он был тронут им, но, как известно, он также заявил, что, по его мнению, должно было быть больше физики и меньше чувств. С этим невозможно спорить.
После «Теории всего» я ;;поддерживал связь с семьей Хокингов. Я был тронут, когда меня попросили выступить с чтением на похоронах Стивена. Это был невероятно грустный, но блестящий день, полный любви и радостных воспоминаний и размышлений об этом самом мужественном из людей, который был лидером мира в своей науке и в своем стремлении к признанию инвалидов и предоставлению им надлежащих возможностей для процветания.
Мы потеряли поистине прекрасный ум, удивительного ученого и самого забавного человека, с которым мне когда-либо доводилось встречаться. Но как сказала его семья во время смерти Стивена, его работа и наследие будут жить, и поэтому с грустью, но и с большим удовольствием я представляю вам эту коллекцию сочинений Стивена на разнообразные и увлекательные темы. Надеюсь, вам понравятся его сочинения, и, как сказал Барак Обама, надеюсь, Стивену весело там, среди звезд.
С любовью
Эдди

Введение
Профессор Кип С. Торн

Впервые я встретил Стивена Хокинга в июле 1965 года в Лондоне, Англия, на конференции по общей теории относительности и гравитации. Стивен был в самом разгаре своей докторской диссертации в Кембриджском университете; я только что закончил свою в Принстонском университете. По конференц-залам ходили слухи, что Стивен придумал убедительный аргумент в пользу того, что наша Вселенная должна была родиться в какой-то конечный момент в прошлом. Она не может быть бесконечно старой.
Итак, вместе с сотней человек я втиснулся в комнату, рассчитанную на сорок человек, чтобы послушать Стивена. Он ходил с тростью, и его речь была немного невнятной, но в остальном он демонстрировал лишь скромные признаки заболевания двигательных нейронов, которое у него диагностировали всего два года назад. Его разум был явно не затронут. Его ясные рассуждения основывались на уравнениях общей теории относительности Эйнштейна и на наблюдениях астрономов о том, что наша вселенная расширяется, и на нескольких простых предположениях, которые, по всей вероятности, были верны, и он использовал некоторые новые математические методы, которые недавно разработал Роджер Пенроуз. Объединив все это способами, которые были умными, мощными и убедительными, Стивен вывел свой результат: наша вселенная, должно быть, началась в каком-то сингулярном состоянии примерно десять миллиардов лет назад. (В течение следующего десятилетия Стивен и Роджер, объединив усилия, продолжали все более убедительно доказывать это единичное начало времени, а также доказывать все более убедительно, что ядро ;;каждой черной дыры населено сингулярностью, где время заканчивается.)
Я вышел из лекции Стивена 1965 года под огромным впечатлением. Не только его аргументами и выводами, но, что еще важнее, его проницательностью и креативностью. Поэтому я разыскал его и провел с ним час, беседуя с глазу на глаз. Это было началом дружбы на всю жизнь, дружбы, основанной не только на общих научных интересах, но и на замечательной взаимной симпатии, сверхъестественной способности понимать друг друга как людей. Вскоре мы стали больше времени проводить, говоря о нашей жизни, нашей любви и даже смерти, чем о науке, хотя наша наука все еще была тем клеем, который связывал нас вместе.
В сентябре 1973 года я отвез Стивена и его жену Джейн в Москву, Россия. Несмотря на бушующую Холодную войну, я проводил в Москве месяц или около того раз в два года с 1968 года, сотрудничая в исследованиях с членами группы под руководством Якова Борисовича Зельдовича. Зельдович был превосходным астрофизиком, а также отцом советской водородной бомбы. Из-за его ядерных секретов ему было запрещено ездить в Западную Европу или Америку. Он жаждал дискуссий со Стивеном; он не мог приехать к Стивену; поэтому мы отправились к нему.
В Москве Стивен поразил Зельдовича и сотни других ученых своими идеями, а в ответ Стивен узнал кое-что от Зельдовича. Самым памятным был день, который Стивен и я провели с Зельдовичем и его аспирантом Алексеем Старобинским в номере Стивена в гостинице «Россия». Зельдович интуитивно объяснил замечательное открытие, которое они сделали, а Старобинский объяснил его математически.
Чтобы заставить черную дыру вращаться, требуется энергия. Мы уже знали это. Черная дыра, объяснили они, может использовать свою энергию спина для создания частиц, и частицы улетят, унося с собой энергию спина. Это было новым и удивительным, но не слишком удивительным. Когда у объекта есть энергия движения, природа обычно находит способ извлечь ее. Мы уже знали другие способы извлечения энергии спина черной дыры; это был просто новый, хотя и неожиданный способ.
Теперь, большая ценность таких разговоров в том, что они могут запустить новые направления мысли. Так было и со Стивеном. Он размышлял над открытием Зельдовича/Старобинского несколько месяцев, рассматривая его сначала с одной стороны, потом с другой, пока однажды оно не вызвало в уме Стивена поистине радикальное озарение: после того, как черная дыра перестает вращаться, она все еще может испускать частицы. Она может излучать — и излучает так, как будто черная дыра горячая, как Солнце, хотя и не очень горячая, просто слегка теплая. Чем тяжелее дыра, тем ниже ее температура. Дыра, которая весит столько же, сколько Солнце, имеет температуру 0,00000006 Кельвина, на 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 прахами Исаака Ньютона и Чарльза Дарвина.
Эта «температура Хокинга» черной дыры и ее «излучение Хокинга» (как их стали называть) были поистине радикальными — возможно, самым радикальным открытием теоретической физики во второй половине двадцатого века. Они открыли нам глаза на глубокие связи между общей теорией относительности (черные дыры), термодинамикой (физикой тепла) и квантовой физикой (созданием частиц там, где их раньше не было). Например, они привели Стивена к доказательству того, что черная дыра имеет энтропию, что означает, что где-то внутри или вокруг черной дыры существует огромная случайность. Он вывел, что количество энтропии (логарифм количества случайности дыры) пропорционально площади поверхности дыры. Его формула для энтропии выгравирована на мемориальном камне Стивена в колледже Гонвилля и Кая в Кембридже, где он работал.
В течение последних сорока пяти лет Стивен и сотни других физиков пытались понять точную природу случайности черной дыры. Это вопрос, который продолжает генерировать новые идеи о союзе квантовой теории с общей теорией относительности — то есть о плохо понятых законах квантовой гравитации.
Осенью 1974 года Стивен привез своих аспирантов и свою семью (жену Джейн и двух детей Роберта и Люси) в Пасадену, Калифорния, на год, чтобы он и его студенты могли принять участие в интеллектуальной жизни моего университета, Калтеха, и временно объединиться с моей собственной исследовательской группой. Это был славный год, на пике того, что стало называться «золотым веком исследований черных дыр».
В течение того года Стивен и его студенты, а также некоторые из моих пытались глубже понять черные дыры, как и я в какой-то степени. Но присутствие Стивена и его руководство в исследовании черных дыр нашей совместной группой дали мне свободу заняться новым направлением, которое я обдумывал несколько лет: гравитационные волны.
Существует только два типа волн, которые могут путешествовать по Вселенной, передавая нам информацию о далеких объектах: электромагнитные волны (включая свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи, микроволны, радиоволны…) и гравитационные волны.
Электромагнитные волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных сил, которые движутся со скоростью света. Когда они сталкиваются с заряженными частицами, такими как электроны в радио- или телевизионной антенне, они трясут частицы взад и вперед, передавая им информацию, которую несут волны. Затем эту информацию можно усилить и передать в громкоговоритель или на экран телевизора, чтобы люди могли ее понять.
Гравитационные волны, по Эйнштейну, состоят из колебательного искривления пространства: колебательного растяжения и сжатия пространства. В 1972 году Райнер (Рай) Вайс из Массачусетского технологического института изобрел детектор гравитационных волн, в котором зеркала, висящие внутри угла и концов L-образной вакуумной трубы, раздвигаются вдоль одной стороны L растяжением пространства и сжимаются вдоль другой стороны сжатием пространства. Рай предложил использовать лазерные лучи для измерения колебательного рисунка этого растяжения и сжатия. Лазерный свет мог извлекать информацию гравитационной волны, а затем сигнал мог усиливаться и подаваться в компьютер для человеческого понимания.
Изучение Вселенной с помощью электромагнитных телескопов (электромагнитная астрономия) было начато Галилеем, когда он построил небольшой оптический телескоп, направил его на Юпитер и открыл четыре крупнейших спутника Юпитера. За 400 лет, прошедших с тех пор, электромагнитная астрономия полностью изменила наше понимание Вселенной.
В 1972 году мы с моими студентами начали думать о том, что мы могли бы узнать о Вселенной с помощью гравитационных волн: мы начали разрабатывать видение гравитационно-волновой астрономии. Поскольку гравитационные волны являются формой искривления пространства, они производятся сильнее всего объектами, которые сами полностью или частично состоят из искривленного пространства-времени, что означает, в частности, черные дыры. Гравитационные волны, как мы пришли к выводу, являются идеальным инструментом для исследования и проверки идей Стивена о черных дырах.
В более общем плане, как нам казалось, гравитационные волны настолько радикально отличаются от электромагнитных волн, что они почти гарантированно создадут свою собственную, новую революцию в нашем понимании вселенной, возможно, сравнимую с колоссальной электромагнитной революцией, последовавшей за Галилеем, — если бы эти неуловимые волны можно было обнаружить и отслеживать. Но это было большое «если»: мы подсчитали, что гравитационные волны, омывающие Землю, настолько слабы, что зеркала на концах L-образного устройства Рэя Вайса будут перемещаться вперед и назад относительно друг друга не более чем на 1/100 диаметра протона (что означает 1/10 000 000 размера атома), даже если расстояние между зеркалами составляло несколько километров. Задача измерения таких крошечных движений была колоссальной.
Итак, в тот славный год, когда исследовательские группы Стивена и мои объединились в Калтехе, я провел большую часть своего времени, изучая перспективы успеха гравитационных волн. Стивен был полезен в этом, поскольку несколькими годами ранее он и его студент Гэри Гиббонс спроектировали свой собственный детектор гравитационных волн (который они так и не построили).
Вскоре после возвращения Стивена в Кембридж мои изыскания достигли своего апогея в напряженной дискуссии, которая длилась всю ночь между мной и Раем Вайсом в гостиничном номере Раем в Вашингтоне, округ Колумбия. Я убедился, что перспективы успеха достаточно велики, чтобы посвятить большую часть своей карьеры и исследований моих будущих студентов тому, чтобы помочь Раю и другим экспериментаторам достичь нашего гравитационно-волнового видения. А остальное, как говорится, уже история.
14 сентября 2015 года детекторы гравитационных волн LIGO (созданные в рамках проекта из 1000 человек, который Рай, я и Рональд Древер основали совместно, а Барри Бариш организовал, собрал и возглавил) зарегистрировали свои первые гравитационные волны. Сравнив волновые паттерны с предсказаниями компьютерного моделирования, наша команда пришла к выводу, что волны были созданы при столкновении двух тяжелых черных дыр в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Это было началом гравитационно-волновой астрономии. Наша команда достигла для гравитационных волн того, чего Галилей достиг для электромагнитных волн.
Я уверен, что в течение следующих нескольких десятилетий следующее поколение астрономов, занимающихся гравитационно-волновыми исследованиями, будет использовать эти волны не только для проверки законов физики черных дыр Стивена, но и для обнаружения и мониторинга гравитационных волн, возникших в результате сингулярного рождения нашей Вселенной, и тем самым для проверки идей Стивена и других о том, как возникла наша Вселенная.
В течение нашего славного года 1974–1975, пока я колебался над гравитационными волнами, а Стивен руководил нашей объединенной группой по исследованию черных дыр, у самого Стивена было озарение, еще более радикальное, чем его открытие излучения Хокинга. Он дал убедительное, почти герметичное доказательство того, что когда черная дыра образуется, а затем полностью испаряется, испуская излучение, информация, которая попала в черную дыру, не может вернуться обратно. Информация неизбежно теряется.
Это радикально, потому что законы квантовой физики однозначно утверждают, что информация никогда не может быть полностью утеряна. Так что, если Стивен был прав, черные дыры нарушают самый фундаментальный закон квантовой механики.
Как это может быть? Испарение черной дыры регулируется объединенными законами квантовой механики и общей теории относительности — плохо понятыми законами квантовой гравитации; и поэтому, рассуждал Стивен, огненный брак теории относительности и квантовой физики должен привести к уничтожению информации.
Подавляющее большинство физиков-теоретиков считают этот вывод отвратительным. Они настроены крайне скептически. И вот уже сорок четыре года они борются с этим так называемым парадоксом потери информации. Это борьба, которая стоит усилий и мучений, вложенных в нее, поскольку этот парадокс является мощным ключом к пониманию законов квантовой гравитации. Сам Стивен в 2003 году нашел способ, которым информация может ускользать во время испарения дыры, но это не утихомирило борьбу теоретиков. Стивен не доказал, что информация ускользает, поэтому борьба продолжается.
В своей хвалебной речи Стивену на погребении его праха в Вестминстерском аббатстве я увековечил эту борьбу следующими словами: «Ньютон дал нам ответы. Хокинг задал нам вопросы. И вопросы Хокинга сами по себе продолжают давать, порождая прорывы десятилетия спустя. Когда мы в конечном итоге овладеем законами квантовой гравитации и полностью поймем рождение нашей Вселенной, это может произойти во многом благодаря тому, что мы встанем на плечи Хокинга».
Так же, как наш славный год 1974–1975 годов был только началом моих поисков гравитационных волн, так и для Стивена он был только началом поисков подробного понимания законов квантовой гравитации и того, что эти законы говорят об истинной природе информации и случайности черной дыры, а также об истинной природе сингулярного рождения нашей Вселенной и истинной природе сингулярностей внутри черных дыр — истинной природе рождения и смерти времени.
Это большие вопросы. Очень большие.
Я избегал больших вопросов. У меня не было достаточно навыков, мудрости или уверенности в себе, чтобы взяться за них. Стивена, напротив, всегда привлекали большие вопросы, были ли они глубоко укоренены в его науке или нет. У него были необходимые навыки, мудрость и уверенность в себе.
Эта книга представляет собой сборник его ответов на важные вопросы, над которыми он все еще работал на момент своей смерти.
Ответы Стивена на шесть вопросов глубоко укоренены в его науке. (Есть ли Бог? Как все началось? Можем ли мы предсказать будущее? Что находится внутри черной дыры? Возможны ли путешествия во времени? Как мы формируем будущее?). Здесь вы найдете его, подробно обсуждающего вопросы, которые я кратко описал во введении, а также многое, многое другое.
Его ответы на четыре других больших вопроса, вероятно, не могут быть прочно основаны на его науке. (Выживем ли мы на Земле? Есть ли другая разумная жизнь во Вселенной? Стоит ли нам колонизировать космос? Превзойдет ли нас искусственный интеллект?) Тем не менее, его ответы демонстрируют глубокую мудрость и креативность, как и следовало ожидать.
Надеюсь, его ответы покажутся вам столь же вдохновляющими и содержательными, как и мне. Приятного чтения!
Кип С. Торн
Июль 2018 г.


ПОЧЕМУ МЫ ДОЛЖНЫ ЗАДАВАТЬ БОЛЬШИЕ ВОПРОСЫ?














(*-13-*)
~