Учебное пособие: Черные дыры и молодые вселенные Стивен Хокинг
Когда мне исполнилось тринадцать, отец решил попробовать отдать меня в Вестминстерскую школу, одну из самых привилегированных, то есть частных, школ. В то время образование четко разделялось по классовому принципу. Отец считал, что его неумение вести себя и отсутствие связей не позволили ему взять верх над людьми не такими одаренными, но стоящими на более высокой ступени в обществе. Поскольку мои родители были не очень богаты, мне приходилось бороться за свое образование. Однако экзамены я проболел и потому остался в сент‑олбансской школе, где получил образование не хуже, если не лучше, чем получил бы в Вестминстере. Отсутствие же светскости меня никогда не затрудняло.
Английское образование в то время имело строгую иерархическую структуру. Школы не только разделялись на академические и неакадемические, но и академические делились на потоки А, В и С. Это давало преимущество учащимся потока А над учащимися потока В, а те, кто учился на С, вообще чувствовали себя ущемленными. По результатам экзамена «одиннадцать‑плюс» меня приняли на поток А, но по истечении года всех в классе, кто не вошел в первую двадцатку, перевели на поток В. Это был страшный удар по самолюбию, от которого некоторые так и не оправились. В мои первые два семестра в Сент‑Олбансе я был по успеваемости двадцать четвертым и двадцать третьим, но в третьем семестре оказался восемнадцатым и избежал этой участи.
В классе я всегда был середнячком (это был очень способный класс). Тетради у меня были страшно неаккуратными, а почерк приводил учителей в отчаяние. Но одноклассники прозвали меня Эйнштейном – наверное, чувствовали какие‑то задатки. Когда мне исполнилось двенадцать, один из моих друзей поспорил с другим на мешок конфет, что из меня ничего не выйдет. Не знаю, разрешился ли когда‑нибудь этот спор и в чью пользу.
У меня было шесть‑семь близких друзей, и с большинством из них я по‑прежнему поддерживаю контакт. Мы часто подолгу спорили на самые разные темы – от радиоуправляемых моделей до религии и от парапсихологии до физики. Одна из тем касалась природы Вселенной и вопроса о том, нужен ли был Бог для ее создания и приведения в движение. Я слышал, что свет от удаленных галактик смещается к красному краю спектра, и это якобы означало; что Вселенная расширяется (а смещение к синему краю свидетельствовало бы о ее сжатии). Но я не сомневался, что для смещения к красному краю существует другая причина. Может быть, свет просто уставал и оттого краснел по пути к нам. Неизменность и вечность основ Вселенной казались гораздо более естественными. Только через пару лет работы над диссертацией я понял свое заблуждение.
В последние два года моей учебы в школе я решил специализироваться в математике и физике. У нас был просто одержимый учитель математики, мистер Тахта, а в школе только что отстроили новый кабинет математики, где мы и размещались. Мой отец был против. Он думал, что математик сможет работать только учителем. А ему очень хотелось, чтобы я занялся медициной. Я же не проявлял к биологии ни малейшего интереса. Она казалась мне слишком описательной и недостаточно фундаментальной. К тому же в школе биология не считалась престижной. Самые способные ребята занимались физикой и математикой, а биологией – менее одаренные. Отец знал, что биолога из меня не выйдет, но заставлял серьезно учить химию, а математику лишь чуть‑чуть. Он считал, что с выбором научных предпочтений не нужно торопиться. Теперь я профессор математики, но так и не получил никакого формального математического образования с тех пор, как в семнадцать лет окончил сент‑олбансскую школу. Все мои математические знания я нахватал между делом. Я частенько курировал кембриджских студентов последнего курса и осваивал лекции всего за неделю до них.
Отец по долгу службы исследовал тропические болезни и часто брал меня с собой в лабораторию в Милл‑Хилле. Мне это нравилось – особенно смотреть в микроскоп. Он часто водил меня в помещение с насекомыми, где держал москитов, инфицированных тропическими болезнями. Там мне всегда было тревожно, так как казалось, что несколько москитов летают на свободе. Отец был очень трудолюбив и предан своим исследованиям, но всегда был готов повздорить, так как ему казалось, что другие, менее подготовленные, но имевшие соответствующее родство и связи, могут обойти его. Он предостерегал меня от таких людей, но я думал, что физика несколько отличается от медицины. Не важно, в какую школу ты ходил или чей ты родственник, – важно, что ты делаешь.
Меня всегда очень интересовало, как что работает, и я часто разбирал всякие механизмы, чтобы посмотреть, как они устроены, но собрать их снова уже не мог. Практические способности у меня всегда отставали от теоретических. Отец поощрял мой интерес к науке и даже натаскивал меня по математике, пока я не превзошел его. Вот с таким багажом, да еще учитывая работу отца, мне казалось естественным заняться научными исследованиями. В детстве я не видел разницы между науками, но в тринадцать‑четырнадцать лет понял, что хочу заниматься физикой, поскольку из всех наук это самая фундаментальная. И это несмотря на то, что в школе физика была самым скучным предметом, поскольку все в ней казалось легким и очевидным. Химия представлялась куда веселее, так как предполагала всякие происшествия, вроде взрывов. Но физика и астрономия давали надежду понять, откуда мы взялись и почему мы здесь. Мне хотелось погрузиться в отдаленные глубины Вселенной. Возможно, до какой‑то степени мне это удалось, но еще так много всего хочется узнать.
2. Оксфорд и Кембридж
Мой отец очень хотел, чтобы я поступил в Оксфорд или Кембридж. Сам он учился в Юниверсити‑колледже в Оксфорде и потому думал, что мне тоже стоит пойти туда, так как у меня больше шансов поступить. В то время в совете Юниверсити‑колледжа не было ни одного математика, и это явилось второй причиной, по которой, как он полагал, я должен был заняться химией и попытаться получить естественно‑научное образование, а не математическое.
Остальные члены семьи уехали на год в Индию, но мне пришлось остаться, чтобы закончить школу и поступить в университет. Директор школы считал меня слишком молодым для Оксфорда, но в марте 1959 года я поехал туда держать экзамен вместе с двумя ребятами, закончившими школу на год раньше. Я был убежден, что подготовлен плохо, и меня угнетало, что во время практического экзамена университетские преподаватели подходили говорить с другими, а не со мной. Однако через несколько дней после возвращения из Оксфорда я получил телеграмму с сообщением, что поступил.
Мне было семнадцать, а большинство других студентов на курсе уже прошли службу в армии и были много старше. Весь первый курс и часть второго я чувствовал себя довольно одиноко и только на третьем ощутил себя действительно счастливым. В то время в Оксфорде преобладало враждебное отношение к труду. Предполагалось, что или твои способности позволяют не прикладывать никаких усилий, или же ты признаешь свою ограниченность и получаешь «неуды». Усердно же работать, чтобы получить более высокую оценку, считалось признаком серости – страшнейший эпитет в оксфордском лексиконе.
В то время курс физики в Оксфорде был построен так, что избежать работы не представляло большой сложности. Я сдал один экзамен до приезда туда, а потом за три года пришлось сдать лишь выпускной экзамен. Однажды я подсчитал, что за три года пребывания в Оксфорде выполнил работ примерно на тысячу часов – в среднем час в день. Я не горжусь тем, что мало работал, а просто описываю свои воззрения того времени, и такие же взгляды были у большинства моих товарищей; они чувствовали только скуку и считали, что нет такой цели, для достижения которой стоит прилагать усилия. Одним из результатов моей болезни является полная перемена воззрений: зная, что можешь рано умереть, понимаешь – жизнь стоит того, чтобы ее прожить, и есть множество вещей, которые надо сделать.
Поскольку занимался я мало, то планировал сдать выпускной экзамен, рассматривая проблемы теоретической физики и избегая вопросов, требующих фактических знаний. Однако в ночь перед экзаменом из‑за нервного напряжения я не мог уснуть и отвечал не блестяще. Моя оценка оказалась на грани между «хорошо» и «отлично», и, чтобы окончательно определиться, экзаменаторы задавали дополнительные вопросы. Они спросили о моих планах на будущее, и я ответил, что хотел бы заняться исследовательской работой. Если бы мне поставили «отлично», я бы отправился в Кембридж, если всего лишь «хорошо» – остался бы в Оксфорде. Мне поставили «отлично».
Я видел для себя две фундаментальные области теоретической физики, которыми мог бы заняться: одна – космология, изучение необъятного, другая – элементарные частицы, изучение бесконечно малого. Элементарные частицы казались мне менее привлекательными, потому что для них не было соответствующей теории, несмотря на то что ученые все время находили множество новых частиц. Исследователи просто разбивали их на семейства, как в ботанике. А в космологии существовала хорошо проработанная теория – общая теория относительности Эйнштейна.
Но в Оксфорде тогда никто не занимался космологией, а в Кембридже работал Фред Хойл – выдающийся астроном того времени. Я подал заявку, чтобы работать над диссертацией у Хойла. Заявка была принята, так как я получил «отлично», но меня опечалило, что моим руководителем стал не Хойл, а некто по имени Денис Сиама, о котором я ничего не слышал. Однако потом оказалось, что это было и к лучшему: Хойл проводил много времени за границей, и, вероятно, я бы не часто с ним виделся, а Сиама был на месте и всегда подстегивал меня, хотя зачастую я и не разделял его идей.
Поскольку и в школе, и в Оксфорде я мало занимался математикой, общая теория относительности показалась мне сначала трудной, и я не сильно в ней продвинулся. К тому же в последний год своего пребывания в Оксфорде я заметил, что становлюсь все более неуклюжим в движениях. Вскоре по приезде в Кембридж мне поставили диагноз АБС – амиотрофический боковой склероз, или нейромоторное заболевание, как его называют в Англии (в Соединенных Штатах его называют также болезнью Лу Герига). Врачи не могли предложить никакого лечения и не давали гарантий, что мое состояние не ухудшится.
Сначала болезнь как будто прогрессировала довольно быстро. В своих исследованиях я не видел большого смысла, поскольку не предполагал дожить до получения докторской степени. Однако время шло, а развитие болезни словно замедлилось. К тому же я начал постигать общую теорию относительности и продвинулся в своей работе. Но по‑настоящему все изменила моя помолвка с девушкой по имени Джейн Уайлд, с которой я познакомился примерно в то же время, когда мне поставили диагноз. Это дало мне стимул к жизни.
Раз мы собирались пожениться, я должен был получить место, а для получения места нужно было закончить диссертацию. Поэтому я впервые в жизни принялся за работу. К моему удивлению, мне это понравилось. Возможно, не совсем правильно называть это работой. Кто‑то однажды сказал: ученые и проститутки берут деньги за то, что им самим доставляет удовольствие.
Я решил подать заявку на должность научного сотрудника в Гонвилл‑энд‑Кейс‑колледже и надеялся, что Джейн напечатает ее, но, когда она приехала ко мне в Кембридж, ее рука была в гипсе – перелом. Должен признать, я проявил меньше сочувствия, чем следовало бы. Сломана была левая рука, и Джейн смогла под мою диктовку написать заявку, а я нашел того, кто ее напечатал.
В заявке нужно было назвать двух людей, которые могли бы дать отзыв о моих работах. Мой руководитель предложил попросить отзыв у Германа Бонди. Бонда был профессором математики в лондонском Кингс‑колледже, специалистом но общей теории относительности. Я встречался с ним пару раз, он видел одну мою статью в журнале «Просидингс оф зе Ройял Сосаети», и после лекции, которую Бонди читал в Кембридже, я попросил его дать отзыв. Он взглянул на меня и сказал, что даст, но, очевидно, меня не вспомнил, поскольку, когда к нему обратились по этому поводу из колледжа, Бонди ответил, что никогда обо мне не слышал. Сейчас поступает очень много заявок на место научного сотрудника, и если одно из указанных в заявке лиц говорит, что не знает заявителя, это конец. Но в то время к подобному относились спокойнее. Из колледжа мне написали об обескураживающем ответе одного рецензента, и мой руководитель связался с Бонди и освежил его память. После этого Бонди написал мне отзыв – наверное, лучше, чем я заслуживал, и с тех пор я научный сотрудник Кейс‑колледжа.
Получение места означало, что мы с Джейн можем пожениться. В июле 1965 года мы это и сделали. В качестве свадебного путешествия мы провели неделю в Суффолке – это все, что нам позволяли средства. Потом отправились на летние курсы по общей теории относительности при Корнелльском университете на севере штата Нью‑Йорк. Это было ошибкой. Мы поселились в общежитии, полном супружеских пар с шумливыми маленькими детьми, и это придало странный оттенок нашему браку. Однако в других отношениях летние курсы оказались для меня очень полезны, так как я встретился со многими корифеями в этой области.
До 1970 года мои исследования касались космологии, изучения Вселенной в крупном масштабе. Моя самая значительная работа в этот период была о сингулярностях. Наблюдения отдаленных галактик показывали, что они движутся от нас, – Вселенная расширяется. Это подразумевало, что в прошлом галактики должны были быть ближе друг к другу. Возникал вопрос: было ли в прошлом такое время, когда галактики находились все вместе и плотность Вселенной была бесконечной? Или до того была фаза сжатия, когда галактикам удалось избежать столкновения? Возможно, они пронеслись мимо друг друга и начали разлетаться? Для ответа на этот вопрос требовались новые математические методы. Они были разработаны в 1965‑1970 годах, главным образом Роджером Пенроузом и мной. Пенроуз тогда работал в Биркбек‑колледже в Лондоне, сейчас он в Оксфорде. Воспользовавшись этими методами, мы показали, что если общая теория относительности верна, то в прошлом должно было быть состояние с бесконечной плотностью.
Такое состояние с бесконечной плотностью называется сингулярностью Большого Взрыва. Это означает, что, если общая теория относительности верна, наука не могла бы рассчитать, как возникла Вселенная. Однако моя более поздняя работа показывает, что если принять во внимание теорию квантовой физики – теорию мельчайших частиц, то все‑таки можно рассчитать, как возникла Вселенная.
Общая теория относительности также утверждает, что массивные звезды, когда израсходуют свое ядерное топливо, сожмутся внутрь себя. Работа, которую проделали мы с Пенроузом, показывает, что они будут продолжать сжиматься, пока не достигнут сингулярности, или бесконечной плотности. Эта сингулярность стала бы концом времени – по крайней мере для звезды и всего сущего на ней. Гравитационное поле сингулярности было бы столь сильным, что свет не мог бы вырваться из области вокруг нее, а затягивался бы этим полем назад. Область, из которой невозможно вырваться, называется черной дырой, а ее границы – горизонтом событий. Все, что падает в черную дыру через горизонт событий, приходит к концу времени в этой сингулярности.
Однажды ночью (это было в 1970 году, вскоре после рождения моей дочери Люси) я размышлял о черных дырах, и вдруг меня осенило, что многие из разработанных Пенроузом и мною методов для доказательства сингулярностей можно применить и к черным дырам. В частности, область горизонта событий, граница черной дыры, не может уменьшаться со временем. И если две черные дыры столкнутся и сольются в одну, то площадь горизонта событий получившейся дыры будет больше суммы площадей горизонтов исходных черных дыр. Это накладывает существенное ограничение на величину энергии, которая выделится при столкновении. Я был так взволнован, что заснуть в ту ночь уже не мог.
С 1970 по 1974 год я работая в основном над черными дырами. Но в 1974‑м я сделал, возможно, мое самое удивительное открытие: черные дыры не совершенно черные! Если принять в расчет мелкомасштабное поведение материи, частицы и излучение могут просочиться из черной дыры: она испускает излучение, словно горячее тело.
С 1974 года я работаю над приведением общей теории Относительности и квантовой механики в одну согласованную теорию. Одним из результатов этого стало предположение, сделанное мной в 1983 году вместе с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта‑Барбаре: время и пространство конечны, но не имеют границ или краев. Это можно сравнить с поверхностью Земли, но не в трех, а в пяти измерениях. Земная поверхность не бесконечна, но границ не имеет. Сколько я ни путешествовал, мне так и не удалось упасть с края мира. Если бы данное предположение оказалось верно, не было бы никаких сингулярностей и научные законы выполнялись бы везде, в том числе и в начале Вселенной. Как возникла Вселенная, можно было бы определить научными законами. Я бы удовлетворил свои амбиции и открыл, как возникла Вселенная. Но я так и не знаю, почему она возникла.
3. Моя жизнь с АБС[3]
Меня довольно часто спрашивают: «Что вы думаете о своей болезни?» И я отвечаю: «Я не очень много о ней думаю. Стараюсь по мере возможности жить как нормальный человек, не задумываться о своем состоянии и не жалеть о том, что оно чего‑то не позволяет мне делать. Да таких вещей не так уж и много».