Стівен Хокінг

Чорні дірки і молоді всесвіти

Чорні дірки і молоді всесвіти

Введення

Ця книга являє собою збірник статей - від автобіографічних нарисів до роздумів про філософію науки, - написаних мною в період з 1976 по 1992 рік у спробах пояснити той пекучий інтерес, який я відчував до науки і Всесвіту. Книга завершується стенограмою передачі «Диски безлюдного острова», де я розповідаю про себе. У Великобританії є така програма: гостеві пропонують уявити себе на безлюдному острові і просять обрано вісім музичних дисків, з якими він вважав за краще б коротати час до свого визволення. На щастя, мені не довелося дуже довго чекати повернення до цивілізації.

Статті були написані протягом шістнадцяти років і відображають рівень моїх знань на той час, - сподіваюся, з роками вони зросли, тому я забезпечив кожну статтю датою і поясненням, з якого приводу вона з'явилася. Всі вони створювалися як закінчені твори, і тому від повторень нікуди не дітися. Я постарався зменшити їх кількість, але дещо все одно залишилося.

Безліч статей цієї книги призначалися для усного викладу. Моє вимова завжди було нечітким, так що мені доводилося передавати проведення лекцій і семінарів іншим - як правило, комунібудь з моїх практикантів, тому, хто добре мене розумів, а текст озвучував краще. Однак в 1985 році, після операції, я зовсім втратив здатність говорити і на деякий час залишився без усяких засобів спілкування. Зрештою я озброївся комп'ютерною системою і чудовим мовним синтезатором. На свій подив, я виявив в собі здатності виступати перед великою аудиторією. Мені подобалося пояснювати наукові теорії і відповідати на запитання. Звичайно, ще потрібно вчитися і вчитися, щоб удосконалювати ці здібності, але сподіваюся, я роблю успіхи - про що можете судити самі, читаючи ці сторінки.

Я не згоден з думкою, що Всесвіт - це загадка, щось не піддається розумінню та аналізу, то, про що можна отримати лише інтуїтивне уявлення. Я відчуваю, що таке погляд несправедливо по відношенню до наукової революції в усіх областях світобудови, розпочатої майже чотириста років тому Галілеєм і продовженої Ньютоном. Ці двоє показати, що принаймні деякі частини Всесвіту ведуть себе не довільним чином, а підпорядковуються точним математичним законам. За минулі роки ми поширили результати Галілея і Ньютона майже на всі області. Тепер у нас є математичні закони, що керують усім, з чим ми зазвичай стикаємося. І мірилом нашого успіху є факт витрачання мільярдів фунтів на будівництво гігантських машин, що розганяють частинки до такої високої енергії, що ми ще не знаємо, до чого приведе їх зіткнення. Частинки з такою високою енергією не зустрічаються на Землі в звичайних умовах, тому величезні витрати на їх дослідження можуть здатися чисто академічними і не дуже потрібними. Але такі частинки могли зустрічатися, коли Всесвіт була молода, і тому, якщо ми хочемо зрозуміти, як вона виникла, то повинні з'ясувати, що відбувається при цих енергіях.

Ми ще дуже багато чого не знаємо про Всесвіт, багато чого не розуміємо. Але вже досягнутий нами прогрес, зокрема за останні сто років, має надихнути нас і додати впевненості в тому, що повне розуміння - в межах можливого. Думаю, ми не приречені вічно блукати навпомацки в темряві. Зробивши ривок до створення повної теорії Всесвіту, ми станемо її справжніми господарями.

Наукові матеріали цієї книги були написані в надії, що Всесвіт підпорядковується якому те порядку, який зараз ми можемо осягнути почасти, а повністю - не в такому вже далекому майбутньому. Можливо, ця надія всього лише міраж, можливо, ніякої остаточної теорії немає, а навіть якщо і є, ми можемо ніколи її не впізнати. Але, безсумнівно, краще прагнути до повного розуміння, ніж впасти у відчай в людському розумі.

Стівен Хокінг 31 березня 1993 г

1. Дитинства ¹

Я народився 8 січня 1942 року, рівно через триста років після смерті Галілея. Однак, за моїми оцінками, цього дня народилося ще двісті тисяч дітей. Не знаю, чи зацікавився астрономією хто небудь з них. Я з'явився на світ в Оксфорді, хоча мої батьки жили в Лондоні. Так вийшло тому, що під час Другої світової війни Оксфорд був хорошим місцем для народження: німці погодилися не бомбити Оксфорд і Кембридж за умови, що англійці не будуть бомбити Гейдельберг і Геттінген. Шкода, що таке цивілізоване угода не поширювалося на інші міста.

Мій батько був родом з Йоркшира. Його дід, мій прадід, був заможним фермером. Він купив занадто багато ферм і збанкрутував під час депресії у сільському господарстві на початку XX століття. Це поставило батьків мого батька в дуже скрутне становище, але їм все ж вдалося послати сина в Оксфорд вивчати медицину. Пізніше він зайнявся дослідженнями в області тропічних хвороб і в 1937 році виїхав до Східної Африки, а коли почалася війна, здійснив поїздку через весь континент, щоб на кораблі повернутися до Англії і піти добровольцем до армії. Проте батькові сказали, що більшу цінність він представляє, займаючись медичними дослідженнями.

Моя мати народилася в Глазго, в сім'ї лікаря, де була другою дитиною із семи. Коли їй було дванадцять років, вони переїхали на південь, в Девон. Як і сім'я мого батька, сім'я матері не дуже досягала успіху. Проте батьки змогли послати доньку в Оксфорд. Після закінчення Оксфорда вона змінила багато різних місць роботи, в тому числі була податковим інспектором, що їй дуже не подобалося. Цю посаду вона залишила, щоб стати секретаркою, і в такій якості в перші ходи війни зустріла мого батька.

Ми жили в Хайген, на півночі Лондона. Моя сестра Мері народилася через вісімнадцять місяців після мене. Кажуть, я не вітав її появу. Усі дитячі роки між нами були певні тертя, підживлює незначною різницею у віці. Однак у дорослому житті ці тертя зникли, оскільки кожен з нас пішов своїм шляхом. Мері стала лікарем, ніж порадувала батька. А молодша сестричка Філіпа народилася, коли мені було близько п'яти років і я вже розумів, що відбувається. Пам'ятаю, що я з радістю чекав її появи, щоб можна було грати втрьох. Пилипа була дуже вразливим і сприйнятливим дитиною. Я завжди з повагою ставився до її думок і думок. Мій брат Едвард з'явився набагато пізніше, коли мені було чотирнадцять, тому він не увійшов в мої дитячі спогади. Едвард сильно відрізнявся від нас трьох: у ньому не було ні краплі академічності, і він не був інтелектуалом. Можливо, це виявилося й на краще. Едвард був досить важкою дитиною, що не завадило йому стати загальним улюбленцем.

Мої самі ранні спогади - як я залишився в яслах Байрон Хауза в Хайген і оглушливо ревів. Мені здавалося, що всі діти навколо грають в якісь чудові іграшки. Я теж хотів пограти з ними, але мені було всього півтора року і мене вперше залишили з незнайомими людьми. Думаю, батьки злегка здивувалися моєї реакції, тому що я був їхнім першим дитиною і вони ходили книжок з виховання дітей, а там було написано, що дітям слід починати соціальне спілкування на два роки. Але після того моторошного ранку мене забрали і ще півтора року не віддавали в Байрон Хауз.

Тоді, під час війни і відразу після неї, Хайгейт був районом, де жив академічний та науковий народ. В іншій країні їх би назвали інтелектуалами, але англійці не допускають, що і у них є інтелектуали. Всі ці батьки посилали дітей до школи Байрон Хауз, дуже прогресивну для того часу. Пам'ятаю скарги на моїх батьків, що вони нічому мене не вчать. Вони не вірили в прийнятий тоді спосіб вдовбування знань, а намагалися навчити читати поволі, щоб ти й не розумів, що тебе чого то вчать. Зрештою читати я все ж навчився, але тільки в досить зрілому, восьмирічному віці. Мою сестру вчили більш традиційними методами, і вона вміла читати вже до чотирьох років. Втім, вона була виразно здібніші мене.

Ми жили у високому і вузькому будинку вікторіанської епохи, який мої батьки купили задешево під час війни, коли всі думали, що бомбардування зрівняти Лондон із землею. І справді, у кілька будинків по сусідству потрапили ракети «Фау 2». У цей час мене з матір'ю і сестрою не було, але батько знаходився вдома. На щастя, він не постраждав, і будинок теж серйозно не зашкодило. Але ще кілька років неподалік залишалися руїни, де ми часто грали з моїм другом Говардом, що жив через будинок від нас, трохи подалі від цих руїн. Говард став для мене відкриттям, тому що його батьки не були інтелектуалами, на відміну від батьків всіх інших моїх знайомих дітей. Він ходив у муніципальну школу, а не в Байрон Хауз і розбирався у футболі та боксі - видах спорту, цікавитися якими моїм батькам і в голову не могло прийти.

Інше раннє спогад - іграшкова залізниця. Іграшки під час війни не випускалися - принаймні, для продажу в приватні руки. Але іграшкові поїзди були моєю пристрастю. Батько спробував зробити мені дерев'яний поїзд, але мене це не задовольнило, бо хотілося що те працює. Тоді батько купив бувший заводний поїзд, за допомогою паяльника полагодив його і подарував мені, трирічному карапузові, на Різдво. Той поїзд не дуже то ховаю працював. Але відразу після війни батько з'їздив в Америку і, повернувшись на «Куїн Мері», привіз матері кілька нейлонових речей, в той час недоступних у Великобританії, сестри Мері - ляльку, яка закривала очі, коли її вкладали, а мені - американську іграшкову залізницю з рейками у вигляді вісімки. У паровозика був навіть отбрасиватель - залізні грати попереду. Досі пам'ятаю свій захват, коли я відкрив коробку.

Заводні поїзда були прекрасні, але чого мені дійсно не вистачало - так це електричної залізниці. Зрештою, потихеньку від батьків, я взяв з Поштового банку весь свій скромний капітал, накопичений із сум, подарованих мені в особливих випадках на кшталт хрестин, і витратив ці гроші на електричну залізницю. Однак, до мого великого розчарування, працювала вона не дуже добре. Тепер, коли ми знаємо про права споживача, я б повернув покупку назад і зажадав від магазину або від виробника заміни, але в ті роки вважалося успіхом купити хоч що то, а якщо попався шлюб - що ж: значить, вам не пощастило. Тому я заплатив ще й за лагодження електромотора в паровозику, але він так і не запрацював як слід.

Пізніше, вже на другому десятку років, я робив моделі літаків і кораблів. Особливою майстерністю я ніколи не відрізнявся, але мені допомагав мій шкільний товариш Джон Мак Кленан, більш якісний, до того ж у його батька в будинку була майстерня. Я завжди прагнув робити працюють моделі, якими можна було б управляти, а їх зовнішній вигляд мене не турбував. Думаю, це і привело мене разом з іншим моїм шкільним товаришем, Роджером Ферніхоком, до винаходу цілого ряду дуже складних ігор. Наприклад, у нас була така «промислова» гра: заводи виробляли різнокольорові деталі, для перевезення яких прокладалися шосе і залізниці, і до того ж була ще фондова біржа. А ще гра у війну, в яку грали на дошці з чотирма тисячами клітин, і «феодальна» гра, де кожен гравець представляв цілу династію з генеалогічним древом. Думаю, ці ігри, так само як залізні дороги, кораблі та літаки, народжувалися з мого прагнення зрозуміти, як що працює і як цим керувати. Коли я почав свою дисертацію, це прагнення допомогло мені в дослідженнях в області космології. Якщо розумієш, як влаштований Всесвіт, то деяким чином можеш нею керувати.

У 1950 році установа, де працював мій батько, переїхало з Хемпстед, неподалік від Хайгейт, в заново побудований Національний інститут медичних досліджень у Мілл Хіллі, на північній околиці Лондона. Чим їздити туди з Хайгейт, здавалося розумніше переїхати з Лондона за місто. Тому мої батьки купили будинок неподалік від собору в Сент Олбансі - містечку милях у десяти до півночі від Мілл Хілла і в двадцяти милях від самого Лондона. Це був просторий будинок вікторіанської епохи, досить витончений і оригінальний. У батьків тоді не було зайвих грошей, і їм довелося над ним чимало потрудитися, перш ніж ми змогли туди переїхати. Пізніше мій батько, як потомствений йоркшірец, відмовився платити за подальший ремонт, а лише намагався підтримувати будівлю таким, як є, і іноді підфарбовувати. Будинок був великий, а батько не відрізнявся великим умінням в подібних роботах, проте будівля була побудована міцно і витримало таке недбале ставлення. Батьки продали його в 1985 році, коли батько серйозно захворів (він помер в 1986 м). Нещодавно я бачив цей будинок. Схоже, ніхто його більше не ремонтував, але зовні він майже не змінився.

Будинок був розрахований на сім'ю з прислугою, і на панелі поруч з кухнею можна було побачити, з якої кімнати подзвонили. Звичайно, прислуги у нас не було, але моя перша спальня розташовувалася в кімнаті, за формою нагадувала букву «Г». Напевно, в ній раніше жили покоївки. Я поділився своїм припущенням з двоюрідною сестрою Сарою, яка була трохи старша за мене і яку я обожнював. Вона сказала, що нам буде здорово на новому місці. Одним з переваг тієї кімнати була можливість вилазити через вікно на дах сараю, де тримали велосипеди, а звідти зістрибувати на землю.

Сара була дочкою Джанет, старшої сестри моєї матері. Джанет вивчилася на лікаря і вийшла заміж за психоаналітика. Вони жили в схожому будинку в Харпендене - селі в п'яти милях на північ. Частково тому ми й оселилися в Сент Олбансі. Я був радий опинитися поряд з Сарою і часто їздив на автобусі в Харпенден. Сам Сент Олбанс розташовувався неподалік від руїн давньоримського міста Веруламіум, який колись був найбільшим після Лондона римським поселенням в Британії. У Середні століття там знаходився найбагатший в Британії монастир. Його побудували на місці Сент Олбансскіх мощей - гробниці римського центуріона, який, за переказами, був першою людиною в Британії, страченим за християнську віру. Все, що залишилося від того абатства, - величезна і досить потворна церква та старі прибудови до монастирських воріт, де тепер розташовується частина сент олбансской школи, в яку я пізніше ходив.

Сент Олбанс був досить дрімучим і консервативним місцем в порівнянні з Хайгейтом і Харпенденом. Мої батьки ні з ким там не подружилися - почасти з власної вини, оскільки від природи були відлюдники, особливо батько, - але свою роль зіграло і те, що Сент Олбанс населяли люди зовсім іншого гатунку: нікого з батьків моїх шкільних друзів не можна було назвати інтелектуалами .

У Хайген наша сім'я здавалася цілком нормальною, але в Сент Олбансі, думаю, нас виразно вважали диваками. Цьому сприяло і поведінка мого батька, який абсолютно не піклувався про зовнішність, якщо це дозволяло заощадити гроші. В молодості він жив у дуже бідній сім'ї, що залишило свій відбиток. Батько терпіти не міг витрачати гроші на власний комфорт навіть потім, коли міг собі це дозволити. Він відмовлявся встановити центральне опалення, хоча страшно мерз, а замість цього одягав кілька светрів і поверх них халат. Проте по відношенню до інших він був дуже щедрий.

У п'ятдесяті роки йому здавалося, що ми не можемо дозволити собі новий автомобіль, і тому він купив довоєнне лондонське таксі; разом з батьком ми зібрали металевий гараж. Сусіди обурювалися, але нічого не могли вдіяти. Як більшість хлопчаків, я відчував потребу бути як всі і соромився батьків. Але ніколи не дошкуляв їм.

Коли ми вперше приїхали в Сент Олбанс, мене віддали в школу для дівчаток, куди, незважаючи на її назву, брали хлопчиків до десяти років. Пройшов семестр, і батько відправився в одну зі своїх щорічних поїздок в Африку, цього разу на більш тривалий час, майже на чотири місяці. Щоб не відчувати себе кинутою, мати взяла нас з сестрами до своєї шкільної подруги Беріл, що вийшла заміж за поета Роберта Грейвса. Вони жили в селі Дея на іспанському острові Майорка. Після війни минуло лише п'ять років, і іспанський диктатор Франсиско Франко, колишній союзник Гітлера і Муссоліні, ще був при владі. (Взагалі то він залишався при владі ще двадцять років.) Проте моя мати, до війни складалася в Лізі молодих комуністів, з трьома дітьми відправилася потягом і пароплавом на Майорку. У Дее ми зняли будинок і чудово проводили там час. Мене з сестрами віддали на піклування Вільяму, вихователю сина Роберта. Це був протеже Грейвса, і його більше займало написання сценаріїв для Единбурзького фестивалю, ніж наше навчання. Тому він щодня змушував нас читати якусь главу з Біблії і писати по ній твір. Мета була - дати нам красу англійської мови. До мого від'їзду ми пройшли всі Буття і частина Виходу. З цього навчання я збагнув, мабуть, одне: не можна починати речення з союзу «і». Але коли я помітив, що в Біблії більшість пропозицій саме так і починається, мені сказали, що з часів короля Якова ² англійську мову сильно змінився. У такому випадку, заперечив я, навіщо ж нам читати Біблію? Але всі доводи були марні. У той час Роберт Грейвс захоплювався символізмом і містицизмом в Біблії.

Коли я повернувся з Майорки, мене на рік віддали в іншу школу, а потім я пройшов так званий іспит «Одинадцять плюс». Це був тест інтелектуальних здібностей для тих, хто хотів отримати державне утворення. Тепер цей тест скасовано, в основному через те, що безліч дітей із середнього класу провалювалися на ньому та їх віддавали в неакадемічні школи. Але тести та іспити я завжди здавав краще, ніж вчився протягом року, так що успішно пройшов і цей та отримав безкоштовне місце в місцевій сент олбансской школі.

Коли мені виповнилося тринадцять, батько вирішив спробувати віддати мене в Вестмінстерської школу, одну з найбільш привілейованих, тобто приватних, шкіл. У той час освіту чітко поділялася за класовим принципом. Батько вважав, що його невміння вести себе і відсутність зв'язків не дозволили йому взяти верх над людьми не такими обдарованими, але стоять на вищому щаблі у суспільстві. Оскільки мої батьки були не дуже багаті, мені доводилося боротися за свою освіту. Однак іспити я прохворів і тому залишився в сент олбансской школі, де здобув освіту не гірше, якщо не краще, ніж отримав би в Вестмінстері. Відсутність же світськості мене ніколи не ускладнювало.

Англійське освіта в той час мало сувору ієрархічну структуру. Школи не тільки поділялися на академічні та неакадемічні, але й академічні ділилися на потоки А, В і С. Це давало перевагу учням потоку А над учнями потоку В, а ті, хто навчався на С, взагалі відчували себе ущемленими. За результатами іспиту «Одинадцять плюс» мене прийняли на потік А, але після закінчення року всіх у класі, хто не увійшов до першої двадцятки, перевели на потік В. Це був страшний удар по самолюбству, від якого деякі так і не оговталися. У мої перші два семестри в Сент Олбансі я був по успішності двадцять четвертим і двадцять третім, але в третьому семестрі виявився вісімнадцятому та уникнув цієї долі.

У класі я завжди був середнячком (це був дуже здібний клас). Зошити в мене були страшно неакуратними, а почерк приводив вчителів у відчай. Але однокласники прозвали мене Ейнштейном - напевно, відчували якісь задатки. Коли мені виповнилося дванадцять, один з моїх друзів посперечався з іншим на мішок цукерок, що з мене нічого не вийде. Не знаю, розв'язалася чи коли небудь ця суперечка і на чию користь.

У мене було шість сім близьких друзів, і з більшістю з них я і надалі підтримую контакт. Ми часто подовгу сперечалися на найрізноманітніші теми - від радіокерованих моделей до релігії і від парапсихології до фізики. Одна з тем стосувалася природи Всесвіту і питання про те, чи потрібен був Бог для її створення і приведення в рух. Я чув, що світло від віддалених галактик зміщується до червоного краю спектру, і це нібито означало; що Всесвіт розширюється (а зсув до синього краю свідчило б про її стисненні). Але я не сумнівався, що для усунення до червоного краю існує інша причина. Може бути, світло просто втомлювався і від того червонів по дорозі до нас. Незмінність і вічність основ Всесвіту здавалися набагато більш природними. Тільки через пару років роботи над дисертацією я зрозумів свою помилку.

В останні два роки мого навчання в школі я вирішив спеціалізуватися в математиці й фізиці. У нас був просто одержимий вчитель математики, містер Тахта, а в школі тільки що відбудували новий кабінет математики, де ми і розміщувалися. Мій батько був проти. Він думав, що математик зможе працювати лише вчителем. А йому дуже хотілося, щоб я зайнявся медициною. Я ж не виявляв до біології ні найменшого інтересу. Вона здавалася мені занадто описової і недостатньо фундаментальною. До того ж у школі біологія не вважалася престижною. Найздібніші хлопці займалися фізикою та математикою, а біологією - менш обдаровані. Батько знав, що біолога з мене не вийде, але примушував серйозно вчити хімію, а математику лише чуть чуть. Він вважав, що з вибором наукових переваг не потрібно поспішати. Тепер я професор математики, але так і не отримав ніякої формальної математичної освіти з тих пір, як у сімнадцять років закінчив сент олбансскую школу. Всі мої математичні знання я нахапав між справою. Я частенько курирував кембриджських студентів останнього курсу і освоював лекції всього за тиждень до них.

Батько з обов'язку служби досліджував тропічні хвороби і часто брав мене з собою в лабораторію в Мілл Хіллі. Мені це подобалося - особливо дивитися в мікроскоп. Він часто водив мене в приміщення з комахами, де тримав москітів, інфікованих тропічними хворобами. Там мені завжди було тривожно, так як здавалося, що кілька москітів літають на волі. Батько був дуже працьовитий і відданий своїм дослідженням, але завжди був готовий посперечатися, так як йому здавалося, що інші, менш підготовлені, але що мали відповідне спорідненість і зв'язку, можуть обійти його. Він застерігав мене від таких людей, але я думав, що фізика дещо відрізняється від медицини. Не важливо, в яку школу ти ходив або чий ти родич, - важливо, що ти робиш.

Мене завжди дуже цікавило, як що працює, і я часто розбирав всякі механізми, щоб подивитися, як вони влаштовані, але зібрати їх знову вже не міг. Практичні здібності у мене завжди відставали від теоретичних. Батько заохочував мій інтерес до науки і навіть натаскував мене з математики, поки я не перевершив його. Ось з таким багажем, та ще враховуючи роботу батька, мені здавалося природним зайнятися науковими дослідженнями. У дитинстві я не бачив різниці між науками, але в тринадцять чотирнадцять років зрозумів, що хочу займатися фізикою, оскільки з усіх наук це сама фундаментальна. І це незважаючи на те, що в школі фізика була найнуднішим предметом, оскільки все в ній здавалося легким і очевидним. Хімія представлялася куди веселіше, оскільки передбачала всякі події, на зразок вибухів. Але фізика і астрономія давали надію зрозуміти, звідки ми взялися і чому ми тут. Мені хотілося зануритися у віддалені глибини Всесвіту. Можливо, до якійсь мірі мені це вдалося, але ще так багато всього хочеться дізнатися.

2. Оксфорд і Кембридж

Мій батько дуже хотів, щоб я вступив в Оксфорд чи Кембридж. Сам він навчався в Юніверсіті коледжі в Оксфорді і тому думав, що мені теж варто піти туди, тому що у мене більше шансів вступити. У той час в раді Юніверсіті коледжу не було ні одного математика, і це стало другою причиною, через яку, як він вважав, я повинен був зайнятися хімією і спробувати отримати природно наукову освіту, а не математичне.

Решта членів сім'ї виїхали на рік до Індії, але мені довелося залишитися, щоб закінчити школу і вступити до університету. Директор школи вважав мене надто молодим для Оксфорда, але в березні 1959 року я поїхав туди складати іспит разом з двома хлопцями, що закінчили школу на рік раніше. Я був переконаний, що підготовлено погано, і мене гнітило, що під час практичного іспиту університетські викладачі підходили говорити з іншими, а не зі мною. Однак через кілька днів після повернення з Оксфорда я отримав телеграму з повідомленням, що надійшов.

Мені було сімнадцять, а більшість інших студентів на курсі вже пройшли службу в армії і були багато старше. Весь перший курс і частина другого я відчував себе досить самотньо і тільки на третьому відчув себе дійсно щасливим. У той час в Оксфорді переважало вороже ставлення до праці. Передбачалося, що або твої здібності дозволяють не докладати ніяких зусиль, або ж ти визнаєш свою обмеженість і отримуєш «низькі оцінки». Усередині ж працювати, щоб отримати вищу оцінку, вважалося ознакою сірості - страшний епітет в оксфордському лексиконі.

У той час курс фізики в Оксфорді був побудований так, що уникнути роботи не представляло великої складності. Я здав один іспит до приїзду туди, а потім за три роки довелося здати лише випускний іспит. Одного разу я підрахував, що за три роки перебування в Оксфорді виконав робіт приблизно на тисячу годин - в середньому годину в день. Я не пишаюся тим, що мало працював, а просто описую свої погляди того часу, і такі ж погляди були у більшості моїх товаришів, вони відчували тільки нудьгу і вважали, що немає такої мети, для досягнення якої варто докладати зусилля. Одним з результатів моєї хвороби є повна зміна поглядів: знаючи, що можеш рано померти, розумієш - життя варте того, щоб його прожити, і є безліч речей, які треба зробити.

Оскільки займався я мало, то планував здати випускний іспит, розглядаючи проблеми теоретичної фізики і уникаючи питань, які потребують фактичних знань. Однак у ніч перед іспитом через нервового напруження я не міг заснути і відповідав не блискуче. Моя оцінка виявилася на грані між «добре» і «відмінно», і, щоб остаточно визначитися, екзаменатори задавали додаткові питання. Вони запитали про мої плани на майбутнє, і я відповів, що хотів би зайнятися дослідницькою роботою. Якби мені поставили «відмінно», я б відправився в Кембридж, якщо всього лише «добре» - залишився б в Оксфорді. Мені поставили «відмінно».

Я бачив для себе дві фундаментальні галузі теоретичної фізики, якими міг би зайнятися: одна - космологія, вивчення неосяжного, інша - елементарні частинки, вивчення нескінченно малого. Елементарні частинки здавалися мені менш привабливими, тому що для них не було відповідної теорії, незважаючи на те що вчені весь час знаходили безліч нових частинок. Дослідники просто розбивали їх на сімейства, як у ботаніки. А в космології існувала добре опрацьована теорія - загальна теорія відносності Ейнштейна.

Але в Оксфорді тоді ніхто не займався космологією, а в Кембриджі працював Фред Хойл - видатний астроном того часу. Я подав заявку, щоб працювати над дисертацією у Хойла. Заявка була прийнята, тому що я отримав «відмінно», але мене засмутило, що моїм керівником став не Хойл, а хтось на ім'я Денис Сіаму, про яку я нічого не чув. Однак потім виявилося, що це було й на краще: Хойл проводив багато часу за кордоном, і, ймовірно, я б не часто з ним бачився, а Сіаму був на місці і завжди підстьобував мене, хоча найчастіше я і не поділяв його ідей.

Оскільки і в школі, і в Оксфорді я мало займався математикою, загальна теорія відносності здалася мені спочатку важкою, і я не сильно в ній просунувся. До того ж в останній рік свого перебування в Оксфорді я помітив, що стаю все більш незграбним у рухах. Незабаром після приїзду в Кембридж мені поставили діагноз АБС - аміотрофічний бічний склероз, або нейромоторние захворювання, як його називають в Англії (у Сполучених Штатах його називають також хворобою Лу Геріга). Лікарі не могли запропонувати жодного лікування і не давали гарантій, що мій стан не погіршиться.

Спочатку хвороба ніби прогресувала досить швидко. У своїх дослідженнях я не бачив великого сенсу, оскільки не припускав дожити до отримання докторського ступеня. Проте час минав, а розвиток хвороби ніби сповільнилося. До того ж я почав осягати загальну теорію відносності і просунувся у своїй роботі. Але по справжньому все змінила мої заручини з дівчиною на ім'я Джейн Уайлд, з якою я познайомився приблизно в той же час, коли мені поставили діагноз. Це дало мені стимул до життя.

Раз ми збиралися одружитися, я повинен був отримати місце, а для отримання місця потрібно було закінчити дисертацію. Тому я вперше в житті взявся за роботу. На мій подив, мені це сподобалося. Можливо, не зовсім правильно називати це роботою. Хто одного разу сказав: вчені та повії беруть гроші за те, що їм самим подобається.

Я вирішив подати заявку на посаду наукового співробітника в Гонвілл енд Кейс коледжі і сподівався, що Джейн надрукує її, але, коли вона приїхала до мене в Кембридж, її рука була в гіпсі - перелом. Мушу визнати, я проявив менше співчуття, ніж варто було б. Зламана була ліва рука, і Джейн змогла під мою диктовку написати заявку, а я знайшов того, хто її надрукував.

У заявці потрібно було назвати двох людей, які могли б дати відгук про мої роботи. Мій керівник запропонував попросити відгук у Германа Бонді. Бонда був професором математики в лондонському Кінгс коледжі, фахівцем але загальної теорії відносності. Я зустрічався з ним кілька разів, він бачив одну мою статтю в журналі «Просідінгс оф зе Ройял Сосаеті», і після лекції, яку Бонді читав у Кембриджі, я попросив його дати відгук. Він глянув на мене і сказав, що дасть, але, очевидно, мене не згадав, оскільки, коли до нього звернулися з цього приводу з коледжу, Бонді відповів, що ніколи про мене не чув. Зараз надходить дуже багато заявок на місце наукового співробітника, і якщо одна із зазначених у заявці осіб каже, що не знає заявника, це кінець. Але в той час до подібного відносилися спокійніше. З коледжу мені написали про бентежний відповіді одного рецензента, і мій керівник зв'язався з Бонді і освіжив його пам'ять. Після цього Бонді написав мені відгук - напевно, краще, ніж я заслуговував, і з тих пір я науковий співробітник Кейс коледжу.

Отримання місця означало, що ми з Джейн можемо одружитися. У липні 1965 року ми це й зробили. Як весільної подорожі ми провели тиждень в Суффолці - це все, що нам дозволяли кошти. Потім вирушили на літні курси з загальної теорії відносності при Корнельському університеті на півночі штату Нью Йорк. Це було помилкою. Ми оселилися в гуртожитку, повному подружніх пар з галасливими маленькими дітьми, і це додало дивний відтінок нашому шлюбу. Однак в інших відносинах літні курси виявилися для мене дуже корисні, тому що я зустрівся з багатьма корифеями в цій галузі.

До 1970 року мої дослідження стосувалися космології, вивчення Всесвіту у великому масштабі. Моя найбільша значна робота в цей період була про сингулярності. Спостереження віддалених галактик показували, що вони рухаються від нас, - Всесвіт розширюється. Це мало на увазі, що в минулому галактики повинні були бути ближче один до одного. Виникало запитання: чи було в минулому такий час, коли галактики знаходилися всі разом і щільність Всесвіту була безкінечною? Або до того була фаза стиску, коли галактик вдалося уникнути зіткнення? Можливо, вони пронеслися повз один одного і почали розлітатися? Для відповіді на це питання були потрібні нові математичні методи. Вони були розроблені в 1965 1970 роках, головним чином Роджером Пенроузом і мною. Пенроуз тоді працював в Біркбек коледжі в Лондоні, зараз він в Оксфорді. Скориставшись цими методами, ми показали, що якщо загальна теорія відносності правильна, то в минулому мало бути стан з нескінченною щільністю.

Такий стан з нескінченною щільністю називається сингулярностью Великого Вибуху. Це означає, що, якщо загальна теорія відносності правильна, наука не могла б розрахувати, як виник Всесвіт. Однак моя пізніша робота показує, що якщо взяти до уваги теорію квантової фізики - теорію найдрібніших частинок, то все таки можна розрахувати, як виник Всесвіт.

Загальна теорія відносності також стверджує, що масивні зірки, коли витратять своє ядерне паливо, стиснуться всередину себе. Робота, яку виконали ми з Пенроузом, показує, що вони будуть продовжувати стискатися, поки не досягнуть сингулярності, або нескінченної щільності. Ця сингулярність стала б кінцем часу - принаймні для зірки і всього сущого на ній. Гравітаційне поле сингулярності було б настільки сильним, що світ не міг би вирватися з області навколо неї, а затягувався б цим полем назад. Область, з якої неможливо вирватися, називається чорною дірою, а її межі - горизонтом подій. Все, що падає в чорну діру через обрій подій, приходить до кінця часу в цій сингулярності.

Одного разу вночі (це було в 1970 році, незабаром після народження моєї дочки Люсі) я розмірковував про чорні діри, і раптом мене осінило, що багато з розроблених Пенроузом і мною методів для доказу сингулярностей можна застосувати і до чорних дірок. Зокрема, район горизонту подій, кордон чорної діри, не може зменшуватися з часом. І якщо дві чорні діри зіштовхнуться і зіллються в одну, то площа горизонту подій вийшла діри буде більше суми площ горизонтів вихідних чорних дір. Це накладає суттєве обмеження на величину енергії, яка виділиться при зіткненні. Я був такий схвильований, що заснути в ту ніч вже не міг.

З 1970 по 1974 рік я працюючи в основному над чорними дірами. Але в 1974 м я зробив, можливо, моє найдивніше відкриття: чорні діри не зовсім чорні! Якщо взяти до уваги дрібномасштабне поведінка матерії, частки і випромінювання можуть просочитися з чорної діри: вона випускає випромінювання, немов гаряче тіло.

З 1974 року я працюю над приведенням загальної теорії відносності та квантової механіки в одну узгоджену теорію. Одним з результатів цього стало припущення, зроблене мною в 1983 році разом з Джимом Хартлі з Каліфорнійського університету в Санта Барбарі: час і простір кінцеві, але не мають меж або країв. Це можна порівняти з поверхнею Землі, але не в трьох, а у п'яти вимірах. Земна поверхня не нескінченна, але кордонів не має. Скільки я не подорожував, мені так і не вдалося впасти з краю світу. Якби це припущення виявилося вірно, не було б жодних сингулярностей і наукові закони виконувалися б скрізь, у тому числі і на початку Всесвіту. Як виник Всесвіт, можна було б визначити науковими законами. Я би задовольнив свої амбіції і відкрив, як виник Всесвіт. Але я так і не знаю, чому вона виникла.

3. Моє життя з АБС ³

Мене досить часто запитують: «Що ви думаєте про свою хворобу?» І я відповідаю: «Я не дуже багато про неї думаю. Намагаюся у міру можливості жити як нормальна людина, не замислюватися про свій стан і не шкодувати про те, що воно чогось не дозволяє мені робити. Та таких речей не так вже й багато ».

Коли виявилося, що в мене нейромоторние захворювання, це було для мене страшним ударом. У дитинстві я не відрізнявся хорошою координацією рухів, не відзначався в іграх з м'ячем. Можливо, з цієї причини я не приділяв великої уваги спорту і взагалі заняттям, що вимагають фізичної активності. Але все змінилося, коли я поїхав в Оксфорд. Я став займатися веслуванням і був рульовим. Звичайно, я не відповідав стандартам регати, по міг виступати на змаганнях у коледжі.

Однак на третьому році навчання в Оксфорді я помітив, що стаю якимось незграбним, пару раз я навіть упав без видимої причини. Але тільки після року мого перебування в Кембриджі мати помітила це і відвела мене до лікаря. Той відправив мене до фахівця, і незабаром після мого двадцять першого дня народження я пройшов обстеження в лікарні. Пролежав я там два тижні, протягом яких піддавався самим різноманітним випробувань: у мене брали пробу м'язової тканини руки, встромляли в мене електроди, впорскували в хребет якусь рідину і в рентгенівських променях спостерігали, як вона піднімається і опускається при зміні кута нахилу ліжка. І після всього цього не сказали, яка в мене хвороба, а тільки запевнили, що це не розсіяний склероз і, крім того, у мене не типовий випадок. Я зрозумів, проте, що лікарі припускають погіршення, але не можуть запропонувати мені нічого, крім вітамінів. Від вітамінів можна було очікувати великого ефекту, а розпитувати про подробиці не хотілося, тому що нічого доброго мені це не обіцяло.

Усвідомивши, що в мене невиліковна хвороба, яка, вочевидь, через кілька років мене вб'є, я був вражений. Як таке могло статися саме зі мною? За що мені такий кінець? Будучи в лікарні, я бачив, як на ліжку навпроти вмирав від лейкемії хлопчик. Спостерігати це було важко, і мені стало ясно, що деяким пощастило ще менше, ніж мені. Принаймні, мене не нудило. Кожного разу, збираючись пожаліти себе, я згадую того хлопчика.

Я не знав, що мене чекає і як швидко хвороба прогресуватиме. Лікарі дозволили мені повернутися в Кембридж і продовжувати дослідження в загальній теорії відносності та космології, які я тільки почав. Але я не дуже просувався в цьому, так як не мав достатньої математичної підготовки, але ж я міг і не дожити до завершення дисертації. Відчуваючи себе трагічним персонажем, я почав слухати Вагнера, але преса явно перебільшує, повідомляючи, ніби я тоді запив. Біда в тому, що, коли одна стаття стверджує щось подібне, інші тут же копіюють її, тому що це хороший сюжет, а все, що виходить великим тиражем, неодмінно має бути правдою.

Мої мрії в той час кілька змішалися. До того як поставили діагноз, життя представлялася мені нудною. Здавалося, в ній немає нічого такого, що варто було б зайнятися. Вийшовши з лікарні, я відчував себе засудженим до страти і раптом зрозумів, що я дуже багатьом міг би зайнятися, якщо б виконання вироку відклали. Не раз мене відвідувала думка пожертвувати життям заради порятунку інших. Зрештою, все одно довелося б померти, а так це могло б принести комусь користь.

Але я не вмер. І хоча над моїм майбутнім нависли хмари, я, на свій подив, виявив, що даний приносить мені більше радості, ніж раніше. Я почав просувати свої дослідження, заручився, одружився і отримав місце в Кейс коледжі в Кембриджі.

Місце у коледжі вирішило мої проблеми із зайнятістю. Мені пощастило, що я вирішив працювати в теоретичній фізиці, так як це була одна з небагатьох областей, де мій фізичний стан не було серйозною перешкодою. І мені повезло, що в міру його погіршення моя наукова репутація зростала. Завдяки цьому я міг зайняти посаду, що дозволяє вести дослідження, не читаючи лекцій.

Нам також пощастило з житлом. Коли ми одружилися, Джейн ще вчилася на останньому курсі Уестфілд коледжу в Лондоні, так що на тижні їй доводилося туди їздити. Тому нам потрібно було підшукати щось таке, де я міг би сам управлятися і щоб це було в центрі, оскільки я не міг далеко ходити. Я поцікавився в коледжі, чи не допоможуть мені, але у відповідь почув: «Політика коледжу - не допомагати співробітникам з житлом». Тому ми встали на чергу на одну з нових квартир, що будувалися в ринку (через кілька років я виявив, що насправді ці квартири належали коледжу, але там мені про це не сказали). Однак коли, провівши літо в Америці, ми повернулися в Кембридж, квартири ще були не добудовані. Як велику послугу нам запропонували кімнату в гуртожитку для аспірантів, сказавши при цьому: «Зазвичай за таку кімнату ми беремо дванадцять шилінгів і шість пенсів на день. Однак раз вас двоє, будемо брати двадцять п'ять шилінгів ».

Ми прожили там всього три дні, а потім неподалік знайшли собі будиночок. Він належав іншому коледжу, який надав його одному зі своїх співробітників. Той недавно переїхав в передмістя і на три місяці, передав його нам в суборенду. За ці три місяці ми підшукали інший порожній будинок на тій же вулиці. Сусід викликав з Дорсета господиню і висловив їй своє обурення з приводу того, що будинок пустує, в той час як молоді люди шукають притулку, і вона пустила нас жити. Через кілька років нам захотілося купити цей будинок і відремонтувати, і ми попросили у коледжу позику. Нашу прохання розглянули і визнали це занадто ризикованим, так що зрештою довелося взяти позику в будівельному кооперативі, а мої батьки дали грошей на ремонт.

Ми прожили там ще чотири роки, поки мені не стало надто важко підніматися по сходах. На той час в коледжі мене вже цінували й запропонували квартиру на першому поверсі належав коледжу будинку. Це мене влаштовувало, тому що там були просторі кімнати і широкі двері. Будинок розташовувався недалеко від центру, і я міг добиратися до кафедри на своїй електричної візку. Він також припав до душі нашим трьом дітям, тому що навколо був сад, за яким доглядали садівники коледжу.

До 1974 року я міг сам є, сам вставати і лягати в ліжко. Джейн вдавалося допомагати мені і виховувати двох дітей без сторонньої допомоги. Однак потім становище погіршилося, і у нас завжди жив хто небудь з моїх студентів. За безкоштовне житло і моє особливу увагу студенти допомагали мені вставати і лягати. У 1980 році ми перейшли до системи добровільного чергування і приватних доглядальниць, які приходили на годину два вранці і ввечері. Так тривало до тих пір, поки в 1985 році я не захворів на запалення легенів. Мені зробили трахеотомію, і з того моменту я потребував цілодобовому нагляду. Це виявилося можливим завдяки грантам декількох організацій.

До операції моя мова ставала все більш нерозбірливою, і зрозуміти її могли тільки люди, добре мене знали. Але, по крайней мере, я міг хоч якось спілкуватися. Я писав наукові праці, диктуючи секретареві, а семінари проводив з перекладачем, який чітко повторював мої слова. Однак трахеотомія зовсім позбавила мене можливості говорити. Якийсь час єдиним способом спілкування для мене було підняття брів, коли хтось вказував у таблиці на потрібну букву. Таким чином важко підтримувати бесіду, не кажучи вже про написання наукових праць. Проте один комп'ютерник з Каліфорнії, на ім'я Уолт Уолтосц, почув про моє жалюгідному стані і надіслав комп'ютерну програму «Еквалайзер», яку сам написав. Це дозволило мені вибирати слова з меню на екрані, натискаючи рукою на ключ. Програма також реагувала на рухи голови і очей. Побудовану таким чином фразу я міг послати па мовної синтезатор.

Спочатку я запускав «Еквалайзер» на настільному комп'ютері. Потім Девід Мейсон з «Кембридж Адапті Коммюнікейшенз» вмонтував маленький персональний комп'ютер і мовної синтезатор в мою коляску. Ця система дозволила мені спілкуватися ще краще, ніж раніше. Я міг набирати до п'ятдесяти слів на хвилину, щоб або вимовляти написане, або записувати на диск. Потім я міг роздрукувати це чи викликати знову і проговорити пропозиція за пропозицією. За допомогою цієї системи я написав дві книги і ряд наукових робіт. Я також зробив безліч наукових та науково популярних доповідей, і їх добре сприймали - думаю, значною мірою завдяки якості мовного синтезатора, виготовленого фірмою «Спіч Плас». Голос дуже важливий. Якщо ви говорите нерозбірливо, люди схильні вважати вас розумово неповноцінним. Той синтезатор - найкращий з усіх, що я коли небудь чув, оскільки він інтонує текст, а не говорить на манер Далека ^4. Єдина біда - у нього американський акцент. Однак тепер я вже зріднився з цим голосом і не хотів би змінювати його, навіть якщо б мені запропонували британська вимова. Я би відчув себе іншою людиною.

Я страждаю нейромоторние захворюванням практично все моє доросле життя, але це не завадило мені мати прекрасну сім'ю і добитися успіхів у роботі. І все це завдяки допомозі, наданій мені дружиною, дітьми і багатьма іншими людьми та організаціями. Мені пощастило, що мій стан погіршувався повільніше, ніж у більшості таких випадків. Це доводить, що ніколи не треба втрачати надії.

4. Ставлення людей до науки ⁵

Подобається нам це чи ні, але світ, в якому ми живемо, за останні сто років дуже змінився і, схоже, в наступне століття зміниться ще більше. Деяким хотілося б зупинити ці зміни і повернутися до того часу, який їм здається більш чистим і простим. Але, як показує історія, минуле не було таким уже чудесним. Воно було не так погано для привілейованого меншини, але навіть цієї меншини доводилося обходитися без сучасної медицини, і народження дітей було для жінок вельми небезпечно. А для переважної більшості населення життя була жахлива, жорстока і коротка.

Як би там не було, при всьому бажанні неможливо повернути час назад. Знання та техніку не можна ігнорувати. І не можна зупинити подальший прогрес. Навіть якщо вилучити всі гроші, виділені урядом на дослідження (а нинішній уряд намагається це робити), конкуренція все одно закличе на допомогу переваги технологій. Більш того, не можна заборонити допитливим умам думати про фундаментальну науку, незалежно від того, платять їм за це чи ні. Єдиний шлях перешкодити подальшому розвитку - це тоталітарна держава, переважна все нове, але людська ініціатива і винахідливість такі, що навіть і це не допоможе. Все, чого вдасться досягти, це уповільнити темп змін.

Якщо ми розуміємо, що не можна перешкодити науці і техніці змінити світ, ми можемо, принаймні, спробувати зробити так, щоб ці зміни йшли в правильному напрямку. У демократичному суспільстві це означає, що народ повинен мати деяке уявлення про основні наукових поняттях, щоб використовувати інформацію для прийняття рішень, а не робити це прерогативою фахівців. На даний момент у людей досить подвійне ставлення до науки. Вони чекають, що нові досягнення науки і техніки приведуть до подальшого підвищення життєвих стандартів, але в той же час не довіряють науці, тому що не розуміють її. Це недовіра ясно проявляється в карикатурному зображенні вченого, що робить у своїй лабораторії Франкенштейна. Воно також проявляється у підтримці партій зелених. І в той же час інтерес до науки в суспільстві дуже високий, особливо до астрономії, що видно з тієї широкої аудиторії, яку залучають науково фантастичні телевізійні серіали.

Що можна зробити, щоб направити цей інтерес в потрібне русло і дати народу наукову підготовку, потрібну для прийняття обгрунтованих рішень у таких питаннях, як кислотні дощі, парниковий ефект, ядерна зброя і генна інженерія? Ясно, що фундамент повинен бути закладений в школі. Але шкільна наука часто викладається в сухий і нецікавою формі. Діти вчаться механічно запам'ятовувати, щоб здати іспит, і не бачать зв'язку науки з навколишнім світом. Більш того, наука часто підносить у вигляді формул. Хоча формули є стислим і точним способом опису математичної думки, більшість людей їх лякаються. Коли я недавно писав науково популярну книжку, мене попередили, що кожна формула в ній вдвічі зменшить обсяг продажів. Я включив лише одну - знамениту формулу Ейнштейна Е = тс ^ 2.Можливість, без неї мені б вдалося продати вдвічі більше примірників.

Вчені й інженери прагнуть висловити свої думки у вигляді формул, тому що їм потрібно знати точні кількісні значення величин. Але для всіх інших досить якісного розуміння наукових концепцій, а це можна передати словами і діаграмами, без формул. Я не вивчав у школі молекулярну біологію і транзистори, але генна інженерія та комп'ютери - це два досягнення, які, швидше за все, змінять наш майбутній образ життя. Науково популярні книги і статті в журналах можуть допомогти в поясненні нових досягнень науки, але навіть найвдаліші з них читає лише мала частина населення. Тільки телебачення може зібрати справді масову аудиторію. На телебаченні є кілька дуже хороших науково популярних програм, але інші представляють чудеса науки просто як чаклунство, без пояснень, не демонструючи, як вони вписуються в рамки наукових ідей. Продюсери цих програм повинні зрозуміти, що в їхній обов'язок входить просвіщати народ, а не тільки розважати його.

Щодо яких наукових питань людям в найближчому майбутньому належить прийняти рішення? Самий насущний - питання про ядерну зброю. Дія інших глобальних проблем, таких як забезпечення продовольством або парниковий ефект, досить уповільнено, але ядерна війна за кілька днів покладе край існуванню людства на Землі. Розрядка напруженості між Сходом і Заходом, майже припинила холодну війну, означає, що страх перед ядерною війною відступив на другий план. Але небезпека ще залишається, оскільки у світі достатньо зброї, щоб часто знищити все населення планети. У колишніх радянських республіках і в США ядерну зброю все ще перебуває в готовності знищити всі великі міста північної півкулі. Яка небудь комп'ютерна помилка або бунт обслуговуючого персоналу може почати світову війну. А ще більш тривожно те, що і порівняно маленькі держави обзаводяться тепер ядерною зброєю. Великі держави до цих пір вели себе відповідально, але не можна живити подібної впевненості щодо маленьких країн, таких як Лівія чи Ірак, Пакистан або навіть Азербайджан. Небезпека полягає не стільки в нині існуючому ядерній зброї, яким ці країни скоро можуть заволодіти, - воно було б досить примітивним, хоча все одно могло б вбити мільйони людей. Найстрашніше те, що в ядерну війну між малими країнами можуть бути втягнуті й великі держави з їх гігантськими арсеналами.

Дуже важливо, щоб люди усвідомили цю небезпеку й чинили тиск на свої уряди, змушуючи їх погодитися на значне роззброєння. Ймовірно, повністю знищити ядерну зброю нереально, але й шляхом зниження його кількості ми можемо зменшити загрозу війни.

Навіть якщо нам вдасться уникнути ядерної війни, все одно залишаються небезпеки, здатні знищити нас усіх. Відома похмура жарт: ми нібито не входимо в контакт з іншими цивілізаціями тому, що вони мають тенденцію самознищуватися, коли досягають нашого нинішнього рівня. Але я вірю в здоровий глузд людей і сподіваюся: ми доведемо, що це не так.

5. Коротка історія «Короткої історії» ⁶

Я все ще приголомшений тим прийомом, який отримала моя книга «Коротка історія часу». Протягом тридцяти семи тижнів вона залишалася в списку бестселерів "Нью Йорк Таймс» і протягом двадцяти семи тижнів - у списку «Санді Таймс» (у Великобританії її опублікували пізніше, ніж у Сполучених Штатах). Її перевели на двадцять мов (або двадцять один, якщо не вважати американський мову англійською). Це набагато більше, ніж я очікував, коли в 1982 році мені прийшла в голову думка написати популярну книжку про Всесвіт. Частково причиною була необхідність заробити грошей, щоб оплатити навчання дочки в школі (насправді на час виходу книги дочка вже була в останньому класі). Але головне - мені хотілося пояснити, як далеко, за моїм поданням, ми зайшли в нашому розумінні Всесвіту, як близько ми підійшли до єдиної завершеної теорії, що описує Всесвіт і все суще в ній.

Раз вже я зібрався витратити час на написання книги, я б хотів, щоб з нею познайомилося якомога більше людей. До цього мої публікації виходили у видавництві «Кембридж Юніверсіті Прес». Воно пройшло хорошу роботу, але я не відчував, що книги користуються попитом на більш менш масовому ринку, а мені хотілося саме цього. Тому я зв'язався з літературним агентом Елом Цукерманом, з яким мене познайомив один мій колега, представивши Ела своїм зятем. Я дав йому начерк першого розділу і висловив своє побажання, щоб книга була з тих, що продаються на лотках в залах очікування аеропортів. Він сказав, що це неможливо. Вона може добре піти серед професорів і студентів, але на територію Джеффрі Арчера такі книги не пробиваються ^7.

У 1984 році я надав Цукерманом начерк книги. Він розіслав його декільком видавцям і порекомендував мені прийняти пропозицію від американської фірми «Нортон», що випускає книги скоріше для інтелектуальної еліти. Замість цього я вирішив прийняти пропозицію від видавництва «Бантам Букс», орієнтованого на більш широкий ринок. Це видавництво не спеціалізувалося на публікації наукових книг, але зате його видання продавалися в аеропортах. Мою рукопис вони прийняли, ймовірно, через інтересу, проявленого до неї одним з редакторів, Пітером Гудзарді. Він поставився до своєї роботи дуже серйозно і змусив мене переписати книгу, щоб зробити її зрозумілою не для вчених, а для простих людей на кшталт нього самого. Кожен раз, коли я посилав йому переписану главу, він надсилав назад перелік заперечень і питань, які хотів би прояснити. Часом мені здавалося, що цей процес ніколи не закінчиться. Але Пітер Гудзарді мав рацію: в результаті книга стала набагато краще.

Незабаром після того, як я прийняв пропозицію від видавництва «Бантам Букс», я захворів на запалення легенів. Мені довелося перенести трахеотомію, в результаті чого я позбувся голосу. Якийсь час я міг спілкуватися лише піднімаючи брови, коли мені показували потрібну букву в таблиці, і у мене б не було ніякої можливості закінчити Кішу, якби не подарована мені комп'ютерна програма. Вона працювала досить повільно, але я і думаю повільно, так що вона мене цілком влаштувала. З її допомогою за наполяганням Гудзарді я майже повністю переписав перший варіант. У цьому мені допомагав один з моїх студентів, Брайан Вітт.

На мене справив велике враження телевізійний серіал Джейкоба Броновскі «Сходження людини» (таке сексистські назва сьогодні б не дозволили ^8). Він давав відчуття подвигу роду людського, що розвинувся від примітивних дикунів, яким він був всього п'ятнадцять тисяч років тому, до нинішнього стану. Мені хотілося передати те почуття, яке виникає при усвідомленні нашого прогресу в розумінні законів, керуючих Всесвіту. Я не сумнівався, що майже всім цікаво, як функціонує Всесвіт, але більшість не виносить математичних формул - я і сам то їх не дуже люблю. Почасти це викликано тим, що мені їх важко писати, але головна причина в тому, що в мене немає інтуїтивного почуття формули. Замість цього я мислю картинками, і в книзі намагався висловити образи словами за допомогою знайомих аналогій і декількох діаграм. Таким чином я сподівався дати більшості людей можливість розділити зі мною захоплення чудовим прогресом, проробленим фізиками за останні двадцять п'ять років, і відчуття подвигу.

І все ж, навіть якщо уникнути математичних викладок, деякі ідеї залишаються незвичними і важкими для розуміння. Переді мною стояла дилема: чи слід спробувати пояснити з ризиком заплутати читачів або краще затушувати труднощі? Деякі незвичні концепції, наприклад те, що спостерігачі, що рухаються з різною швидкістю, по різному вимірюють тимчасові проміжки між одними і тими ж подіями, були не такі істотні для картини, яку я хотів намалювати. Тому мені здавалося, що можна просто згадати про них, не вдаючись глибоко. Але були й складні ідеї, що лежать в основі того, що мені хотілося донести до читача. Зокрема, я відчував, що обов'язково повинен включити два поняття. Одне з них - так звана сума історій. Це ідея про те, що у Всесвіті не одна історія. Є сукупність різних історій, і всі вони однаково реальні (що б це не означало). Інше поняття, необхідне для того, щоб надати сумі історій математичний сенс, - це уявне час. Зараз я відчуваю, що тоді мені слід було докласти більше зусиль для пояснення цих двох дуже непростих понять, особливо уявного часу, - мені здається, вони доставляють читачеві найбільші труднощі. Однак насправді немає такої вже необхідності точно розуміти, що ж таке уявне час, - просто воно відрізняється від того часу, який ми називаємо реальним.

Коли книга наближалася до виходу у світ, один вчений, якому послали сигнальний примірник для рецензії в журналі «Нейчур», прийшов в жах, виявивши там купу помилок - невірно розміщених фотографій і діаграм з неправильними підписами. Він подзвонив до видавництва, там теж прийшли в жах і вирішили в той же день забракувати весь тираж. Три тижні всю книгу інтенсивно коректували і перевіряли, і вона була готова в строк, щоб до квітня, до призначеної дати, з'явитися в книгарнях. На той час журнал «Тайм» опублікував мій короткий біографічний нарис. І все ж редактори не очікували такого попиту. Зараз виходить сімнадцятого видання в Америці і десяте у Великобританії ^9.

Чому на цю книгу був такий попит? Мені важко бути об'єктивним, і тому, мабуть, я почекаю, що скажуть інші. Більшість відгуків я вважав прихильними, але не вносять особливої ​​ясності. Всі вони були побудовані за однією схемою: Стівен Хокінг страждає хворобою Лу Геріга (в американських відгуках), або нейромоторние захворюванням (в британських); він прикутий до інвалідного візка, не може говорити і може тільки рухати енною кількістю пальців (кількість пальців варіювалося від одного до трьох, залежно від того, наскільки точна була стаття про мене, з якою ознайомився рецензент), та все ж він написав цю книгу, присвячену питанню питань: звідки ми взялися і куди ми йдемо? Відповідь, пропонований Хокінгом, такий: Всесвіт не виникла і не зникне - вона просто є. Щоб сформулювати свою думку, Хокінг вводить поняття уявного часу, який мені (рецензенту), зрозуміти важкувато. І все ж, якщо Хокінг прав і ми знайдемо повну узагальнену теорію, то дійсно зрозуміємо задум Бога. У коректурі я мало не викреслив останню фразу книги, де говорилося, що ми зрозуміємо задум Бога. Якби я зробив це, число продажів могло знизитися вдвічі.

Більш проникливою, на мою думку, була стаття в «Індепендент», де говорилося, що навіть серйозна наукова книга кшталт «Короткої історії часу» може стати культовою. Мій твір порівняли з книгою «Дзен і мистецтво догляду за мотоциклом». Дружина прийшла в жах, а я був навіть задоволений і сподівався, що воно, подібно до «Дзен», дасть людям зрозуміти, що не потрібно усуватися від великих філософських та інтелектуальних запитань.

Безсумнівно зіграв свою роль простий людський інтерес до того, як я примудряюся бути фізиком теоретиком незважаючи на свою недугу. Але купили книгу тільки заради цього чекало розчарування, оскільки в ній всього пару раз згадувалося про мій стан. Книга присвячувалася історії Всесвіту, а не мені. Але це не завадило деяким звинуватити «Бантам» в тому, що він безсоромно спекулює на мою хворобу і що я теж доклав до цього руку, дозволивши помістити на обкладинці свій портрет. Насправді ж, згідно з договором, я не міг контролювати обкладинку. Однак мені вдалося переконати видавництво взяти для британського видання фото трохи краще, ніж жалюгідна застаріла малюнок на американському виданні. Але американську обкладинку залишили без змін, сказавши, що американська публіка вже ідентифікує її з самою книгою.

Малося на увазі також, що люди купують мою книгу й тому, що бачили відгуки на неї в списку бестселерів, але не читають, а просто ховають у шафу або кладуть на кавовий столик, поставивши собі в заслугу її придбання, але не доклавши жодних зусиль до того , щоб зрозуміти її. Не сумніваюся, що таке трапляється, але, думаю, не частіше, ніж з іншими серйозними книгами, включаючи Біблію і Шекспіра. З іншого боку, я знаю, що хоч хтось то напевно прочитав її, тому що кожен день отримую купу листів, і багато хто ставить питання і детально коментують мою книгу, а це свідчить про те, що вони її читали, хоча не все в ній зрозуміли . Мене навіть зупиняли на вулиці незнайомі люди і говорили, що книга їм дуже сподобалася. Звичайно, мене неважко впізнати: я, можливо, не найвидатніший автор, але зовнішність видає мене швидше, ніж інших. Однак за частотою, з якою я отримую такі поздоровлення на вулиці (на превеликий збентеження мого дев'ятирічного сина), схоже, можна судити про співвідношення купили книгу і дійсно прочитали її.

Тепер мене запитують, що я збираюся робити далі. Навряд чи я зможу написати продовження до «Короткої історії часу». А як би я назвав його? «Більш довга історія часу»? «По той бік кінця часу»? «Син часу»? Мій агент запропонував мені дати згоду на зйомку фільму про моє життя. Але в мене і моїх близьких не залишиться ні краплі самоповаги, якщо ми дозволимо акторам зображати нас. Те ж саме, хоча і в меншій мірі, можна сказати про намір дозволити і допомогти комусь описати моє життя. Звичайно, я не можу заборонити кому або зробити це самостійно за умови, що там не буде наклепу, але я намагаюся утримувати людей від цього, кажучи, що збираюся сам написати автобіографію. Може бути, і напишу. Але не поспішаю. Є ще багато наукових проблем, якими я хочу зайнятися.

6. Моя позиція ¹⁰

Ця стаття не про те, чи вірю я в Бога. Замість цього я поясню свій підхід до розуміння Всесвіту: який стан і значення загальної теорії, «теорії всього». Ось тут дійсно є проблема. Люди, які повинні вивчати ці питання і відповідати на них, - філософи - в більшості своїй не мають достатньої математичної підготовки, щоб встигнути за сучасними досягненнями теоретичної фізики. Існує підряд, званий філософами науки, які мали б бути більш підкованими. Але багато хто з них - невдалі фізики, яким здалося занадто важкою справою розробляти нові теорії, і замість цього вони пишуть про філософію фізики. Вони як і раніше сперечаються про наукові теоріях початку століття і не стосуються передових рубежів сучасної фізики.

Можливо, я занадто суворий до філософів, але і вони зі мною були не надто люб'язні. Мій підхід вони називали наївним і простодушним, а мене самого - номіналістом, інструменталістом, позитивістом, реалістом і всякими іншими «истами». Це метод спростування шляхом очорнення: якщо зможеш наклеїти на мій підхід ярлик, то й не треба доводити, чому ж він неправильний, - зрозуміло, всі знають фатальну помилковість всіх цих «ізмів».

Ті, хто дійсно просунувся в теоретичній фізиці, мислять зовсім не тими категоріями, що постійно для них вигадують філософи та історики науки. Я впевнений, що Ейнштейна, Гейзенберга і Дірака не турбувало, реалісти вони або інструменталісти. Їх турботою було лише те, що існуючі теорії не стикувалися між собою. У теоретичній фізиці для просування вперед пошук логічної послідовності завжди був важливішим, ніж експериментальні результати. Багато прекрасних теорії відкидалися, тому що не узгоджувалися із спостереженнями, але я не знаю жодної серйозної теорії, яка просунулася б тільки на основі експерименту. Теорія завжди приходить першої, вона виникає з бажання отримати струнку математичну модель. Потім робляться припущення, що перевіряються спостереженням. Якщо спостереження узгоджуються з припущеннями, це не доводить теорію, але вона залишається жити, щоб зробити нові припущення, які знову перевіряються спостереженнями. Якщо спостереження увійдуть у протиріччя з припущеннями, теорія відкидається.

Точніше, вважається, що все відбувається саме так. На практиці люди дуже неохоче розлучаються з теорією, на яку витратили багато сил і часу. Зазвичай починають ставити під сумнів точність спостережень. Якщо це не вдається, то намагаються підправити теорію в манері ad hoc ^11, і в кінці кінців вона перетворюється на якусь потворне споруду. Тоді хто небудь пропонує нову теорію, струнку і природну. Прикладом цього може служити виконаний в 1887 році досвід Майкельсона - Морлі, який показав, що швидкість світла завжди одна і та ж, як би не рухалися джерело світла і спостерігач. Це здавалося смішно. Звичайно ж, той, хто рухається назустріч світлу, повинен виміряти більшу швидкість, ніж той, хто рухається в одному напрямку зі світлом! І все ж експеримент показав, що обидва спостерігача вимірюють однакову швидкість. Протягом наступних вісімнадцяти років такі люди, як Хендрік Лоренц і Джордж Фіцджералд, намагалися узгодити це спостереження із загальноприйнятими уявленнями про час і простір. Вони висунули ad hoc деякі припущення, як, наприклад, те, що об'єкти, рухаючись з великою швидкістю, стають коротшими, - і весь каркас фізики став незграбним і потворним. У 1905 році Ейнштейн запропонував набагато більш привабливу точку зору, в якій ще не розглядалося як щось окреме й зовсім самостійне. Воно зливалося з простором в чотиривимірний об'єкт, званий простір час. Ейнштейна призвели до цієї думки не стільки результати експериментів, скільки бажання змусити дві частини теорії злитися в гармонійне ціле. Цими двома частинами були закони, що керують електричним і магнітним полями, і закони, що керують рухом тел.

Не думаю, що Ейнштейн або хто небудь ще в 1905 році усвідомлював, який простий і стрункою виявилася ця нова теорія відносності. Вона повністю перевернула наше розуміння простору і часу. Цей приклад добре ілюструє, як важко бути реалістом у філософії науки: адже те, що ми вважаємо реальністю, багато в чому обумовлено використовуваної нами теорією. Я впевнений, що Лоренц і Фіцджералд вважали себе реалістами, інтерпретуючи експеримент зі швидкістю світла в термінах ньютонівських ідей про абсолютну просторі і абсолютному часу. Здавалося, що ці поняття простору і часу відповідають здоровому глузду і реальності. Але тепер ті, хто знайомий з теорією відносності, - а їх все ще лякає мало - мають дещо інший погляд. Ми повинні розповідати людям про сучасному розумінні таких основоположних концепцій, як простір і час.

Якщо те, що вважати реальним, залежить від нашої теорії, як же ми можемо зробити реальність основою нашої філософії? Я б назвав себе реалістом у тому сенсі, що визнаю існування поза нами Всесвіту, яка чекає, коли її досліджують і зрозуміють. Я вважаю, що позиція соліпсіста - нібито все суще є наша уява - це марна трата часу. Ніхто не діє, спираючись на таку точку зору. Але без будь-якої теорії ми не можемо виділити, що ж у Всесвіті реально. Тому я приймаю точку зору, названу простодушної і наївною, що фізична теорія - це просто математична модель, використовувана нами для опису результатів спостережень. Теорія є доброю, якщо модель витончена, якщо вона описує великий клас спостережень і передбачає результати нових спостережень. В іншому випадку не має сенсу запитувати, чи відповідає теорія реальності, так як ми знаємо, що реальність залежить від теорії. Подібний погляд на наукові теорії, можливо, робить мене інструменталістом або позитивістом - як я вже казав, мене називали і так і так. Людина, що назвав мене позитивістом, пішов далі: він додав, що всім відомо, як позитивізм застарів, - ще один випадок спростування шляхом наклеювання ярлика. Може бути, він дійсно застарів в тому, що було пунктиком інтелектуалів вчорашнього дня, але тому, хто шукає нові закони і нові методи опису Всесвіту, ця окреслена мною позитивістська позиція є єдино можливою. Недобре апелювати до реальності, коли у нас немає незалежної від моделі концепції цієї реальності.

На мою думку, невисловлена ​​віра в незалежну від моделі реальність і є глибинною причиною тих труднощів, з якими філософи науки стикаються при вивченні квантової механіки і принципу невизначеності. Існує знаменитий уявний експеримент, званий «кішкою Шредінгера». Кішку поміщають в запечатаний ящик. На ящик спрямована гармата, яка вистрелить, якщо радіоактивний нуклід розпадеться. Ймовірність цього 50 відсотків (сьогодні ніхто не посміє припустити таку річ навіть для уявного експерименту, але за часів Шредінгера ніхто не чув про права тварин).

Якщо відкриють ящик, то виявлять кішку живої або мертвої. Але до того, як його відкриють, квантовий стан кішки буде сумішшю стану мертвої кішки зі станом живий. Філософам науки дуже важко зробити таке припущення. Кішка не може бути наполовину застреленою, а наполовину незастреленной, як не можна бути наполовину вагітною. Ця трудність виникає тому, що вони побічно користуються класичної концепцією реальності, де об'єкт має певну і єдину передісторію. Але весь фокус у тому, що у квантової механіки інший погляд на реальність. Згідно з ним, об'єкт має не єдину передісторію, але всі можливі передісторії. У більшості випадків ймовірність якійсь одній передісторії скасовується ймовірністю дещо інший передісторії, але в певних випадках ймовірності сусідніх передісторії підсилюють один одного. І одну з цих посилених передісторії ми бачимо як передісторію об'єкта.

У випадку з кішкою Шредінгера дві можливі передісторії посилили один одного. В одній кішку застрелили, а в іншій вона залишилася жива. У квантовій теорії обидві можливості можуть існувати разом. Але деякі філософи збиваються з толку, оскільки опосередковано припускають, що кішка може мати тільки одну передісторію.

Природа часу - ще один приклад області, де фізична теорія визначає нашу концепцію реальності. Прийнято вважати очевидним, що час тече завжди, незалежно від того, що відбувається, але теорія відносності, поєднуючи час і простір, говорить, що і те і інше може скривлюватися або деформуватися матерією Всесвіту. Так що наше сприйняття природи часу змінилося: раніше вважалося, що воно незалежно від Всесвіту, а тепер вважається, що воно нею формується. І тоді стає можливим зрозуміти, що час до якогось певного моменту було просто не визначено; якщо рушити в часі назад, то можна натрапити на непереборний бар'єр - сингулярність, за яку не зайти. У такому випадку мало б сенс запитати, що справило Великий Вибух. Якщо ми говоримо про причинність, це неявно передбачає, що до Великого Вибуху сингулярності що то було. Але як нам відомо вже двадцять п'ять років, загальна теорія відносності Ейнштейна каже, що час мало розпочатися з сингулярності п'ятнадцять мільярдів років тому. Однак філософи не підхопили цю ідею. Їх все ще турбують основи квантової механіки, закладені шістдесят п'ять років тому. Вони не розуміють, що передовий край фізики просунувся далі.

Ще гірші справи з математичним поняттям уявного часу, за допомогою якого Джим Хартл і я припустили, що Всесвіт, можливо, не має початку і кінця. За слова про уявний часу на мене люто накинувся один філософ науки. «Як може математична хитрість кшталт уявного часу мати що щось спільне з реальною Всесвіту», - вигукував він. Думаю, цей філософ переплутав математичні терміни «дійсне число» і «уявне число» з відповідними словами, які ми використовуємо у повсякденному житті. Це лише ілюструє мою точку зору: як можемо ми знати, що таке реальне, незалежно від теорії або моделі, за допомогою якої ми це інтерпретуємо?

Я скористався прикладами з теорії відносності та квантової механіки, щоб показати проблеми, з якими ми стикаємося, намагаючись осмислити Всесвіт. І насправді не важливо, розбираєтеся ви в теорії відносності та квантової механіки Або немає і навіть правильні ці теорії. Сподіваюся, я продемонстрував, що тільки щось на кшталт такого позитивістського підходу, коли теорія розглядається як модель, може допомогти зрозуміти Всесвіт - принаймні, фізикам теоретикам. Я повний надій, що ми знайдемо струнку й несуперечливу модель, що описує все у Всесвіті, і тоді це буде істинним тріумфом людства.

7. Чи видно кінець теоретичної фізики № ¹²

На цих сторінках я хочу обговорити питання, чи може кінцева мета теоретичної фізики бути досягнута в не настільки віддаленому майбутньому - скажімо, до кінця XX століття. Під цим я розумію можливість побудувати повну, гармонійну і загальну теорію фізичних взаємодій, яка описала би всі доступні нам спостереження. Звичайно, в таких припущеннях потрібно бути дуже обережним. Ми вже принаймні двічі думали, що перебуваємо на межі остаточного побудови. На початку століття вірилося, що все можна зрозуміти в термінах безперервної механіки, потрібно тільки виміряти деякі коефіцієнти: пружність, в'язкість, провідність і т. п. Ці надії були розбиті відкриттям квантової механіки і будови атома. У двадцятих роках Макс Борн сказав групі вчених, які приїхали в Геттінген: «Фізика, як ми тепер розуміємо, через півроку буде вичерпана». Це відбулося незабаром після відкриття Полем Діраком, попереднім головою люкасовской кафедри, рівняння, що описує поведінку електрона. Припускали, що аналогічне рівняння має існувати і для протона - другий з двох відомих тоді частинок. Проте відкриття нейтрона і ядерних сил розвіяло ці надії. Тепер ми знаємо, що ні протон, ні нейтрон не є елементарними, а складаються з ще менших частинок. Проте за останні роки ми досягли великого npoгpecca, і, як я покажу далі, є деякі підстави для обережного оптимізму: ми можемо створити повну теорію ще за життя тих, хто зараз читає ці сторінки.

Але навіть якщо ми і досягнемо повної теорії, ми не зможемо детально передбачити нічого, крім найпростіших ситуацій. Наприклад, нам уже відомо, як фізичні закони управляють тим, з чим ми стикаємося в повсякденному житті. Як визначив сам Дірак, його рівняння стало основою «для більшої частини фізики і для всієї хімії». Однак ми можемо вирішити це рівняння тільки для дуже простої системи - атома водню, що складається з одного протона й одного електрона. Для більш складних атомів з великим числом електронів, не кажучи вже про молекулах з декількох ядер, нам залишається вдаватися до апроксимації та інтуїтивним здогадам сумнівної надійності. Для макроскопічних систем, що складаються, наприклад, з 1023 частинок, нам доводиться вдаватися до статистичних методів, і ми змушені розлучитися зі своїми домаганнями на точне рішення рівняння. Хоча в принципі нам відомі рівняння, що керують усіма біологічними процесами, ми не можемо звести дослідження людської поведінки до галузі прикладної математики.

Що ж ми назвали б загальної фізичної теорією? Наші спроби змоделювати фізичну реальність, як правило, складаються з двох частин. Це а) безліч приватних законів, яким підкоряються різні фізичні величини, і б) безліч граничних умов, які повідомляють нам про стан деяких областей Всесвіту в певний час і про ті дії, які поширюються потім у неї з цих областей.

Багато хто заявив би, що роль науки обмежується першою частиною, і коли ми отримаємо повний набір приватних фізичних законів, теоретична фізика досягне своєї мети. Питання про початкових умовах для Всесвіту вони віднесли б до області метафізики чи релігії. Деяким чином це схоже на те, як у колишні століття перешкоджали наукових пошуків, кажучи, що всі природні явища - діяння Бога і не слід з'ясовувати їх причини. Думаю, що початкові умови Всесвіту - такий же відповідний предмет для наукових досліджень і теорій, як і приватні фізичні закони. Ми не отримаємо завершеної теорії, поки не зможемо чогось більшого, ніж просто сказати: «Речі такі, які вони є, тому що вони були такими, якими були».

Питання про унікальність початкових умов тісно пов'язаний з питанням про довільності приватних фізичних законів: не можна вважати теорію завершеною, якщо вона містить ряд регульованих параметрів і дозволяє підганяти константи, яким можна задавати довільні значення. Насправді, схоже, ні початкові умови, ні значення параметрів в теорії не є довільними, а якимось чином дуже ретельно вибираються або встановлюються. Наприклад, якщо різниця мас протона і нейтрона не була б приблизно удвічі більше маси електрона, не вийшло б близько двох сотень стабільних нуклідів, що врівноважує елементи і є основою хімії та біології. Аналогічно, якби гравітаційна маса протона значно відрізнялася від дійсної, не вийшло б зірок, в яких ці нукліди могли б будуватися, а якби початкове розширення Всесвіту було трохи менше або трохи більше, вона б зачинилися до того, як ці зірки змогли розвинутися, або розлетілася б так швидко, що зірки ніколи б не сформувалися за рахунок гравітаційної конденсації.

Справді, деякі люди дійшли до того, щоб звести ці обмеження на початкові умови і параметри в принцип, у «людський» принцип, який можна викласти так: «Речі такі, які вони є, тому що ми існуємо». Згідно з однією версією цього принципу, існує безліч інших, окремих всесвітів з іншими значеннями фізичних параметрів та іншими початковими умовами. Більшість цих всесвітів не забезпечують умов для розвитку складних структур, потрібних для виникнення розумного життя. Тільки в деяких з них, там, де умови і параметри схожі з нашого Всесвіту, можливе виникнення розумного життя, яка може поставити запитання: «Чому Всесвіт така, якою ми її спостерігаємо?» Відповідь, звичайно ж, полягає в тому, що якби вона була іншою, то нікому було б і поставити запитання.

Цей «людський» принцип дає деяке пояснення багатьох чудових числових співвідношень, які спостерігаються між значеннями різних фізичних параметрів. Однак залишається деяка незадоволеність - не можна позбутися почуття, що є більш глибоке пояснення. Він також не враховує всі області Всесвіту. Наприклад, наша Сонячна система безсумнівно є необхідною умовою нашого існування, так само як і ранні покоління найближчих зірок, в яких шляхом ядерного синтезу змогли сформуватися важкі елементи. Навіть можливо, що потрібна була вся наша Галактика. Але не видно ніякої необхідності в існуванні будь-яких інших галактик, не кажучи вже про ті мільйони мільйонів, що ми бачимо більш менш рівномірно розкиданими по всій доступній спостереженню Всесвіту. Ця макроскопічна однорідність Всесвіту дуже заважає повірити, що будова Всесвіту визначається ніж то таким периферійним, як складні молекулярні структури на одній з малих планет, що обертаються навколо самої звичайної зірки на околицях досить пересічної спіральної галактики.

Якщо ми не збираємося звернутися до «людського» принципом, нам потрібно як то узагальнити теорію, щоб врахувати початкові умови Всесвіту і значення різних фізичних параметрів. Однак занадто важко придумати завершену теорію всього відразу (втім, схоже, деяких це не зупиняє - я отримую поштою дві три загальні теорії на тиждень). Замість цього ми шукаємо приватні теорії, які опишуть ситуації, де деякі взаємодії можна залишити без уваги або якимось простим способом апроксимувати. Спочатку ми ділимо матеріальне вміст Всесвіту на дві частини: речові частки, такі як кварки, електрони, мюони і т. п., і взаємодії, такі як гравітація, електромагнетизм та інше. Речові частки описуються полями з напівцілим спіном і підкоряються принципу Паулі, який не допускає, щоб хоча б дві такі тотожні частинки були в одному стані. Ось чому тверді тіла не стискаються в крапку і не випускають промені в нескінченність. Речові частки діляться на дві групи: адрони, що складаються з кварків, і лептони, що включають в себе все інше.

Взаємодії феноменологічно діляться на чотири категорії. У порядку убування сили вони такі: сильні ядерні взаємодії, що відносяться тільки до адронів; електромагнетизм, що взаємодіє з зарядженими адронами і лептонами; слабкі ядерні сили, які взаємодіють з усіма адронами і лептонами, і, нарешті, гравітація - найслабша, взаємодіюча з усім. Взаємодії представляються полями з цілочисельним спіном, не підкоряються принципу Паулі. Це означає, що вони можуть мати багато частинок в одному і тому ж стані. У разі електромагнетизму і гравітації взаємодії, крім усього іншого, є дальнодействия, тобто поля, вироблені великим числом матеріальних частинок, складаються всі разом і утворюють поле, яке можна виявити на макроскопічному рівні. З цієї причини вони виявилися першими, для яких були розроблені теорії: Ньютоном в XVII столітті - закон всесвітнього тяжіння - і Максвеллом в XIX столітті - теорія електромагнетизму. Проте ці теорії в основному не поєднувалися, тому що ньютонівська теорія була інваріантна, якщо всій системі надавалася будь постійна швидкість, тоді як теорія Максвелла визначала особливу швидкість - швидкість світла. Під кінець виявилося, що Ньютонова теорію гравітації потрібно змінити, щоб зістикувати її з інваріантними властивостями теорії Максвелла. Це зробила загальна теорія відносності Ейнштейна, сформульована в 1915 році.

Загальна теорія відносності, що описує гравітацію, і Максвеллова теорія електромагнетизму були так званими класичними теоріями, тобто мали справу з величинами, які могли безперервно змінюватися і, по крайней мере в принципі, могли вимірюватися з довільною точністю. Однак коли спробували застосувати такі теорії для побудови моделі атома, виникла проблема. Виявилося, що атом складається з маленького позитивно зарядженого ядра, оточеного хмарою негативно заряджених електронів. Природно було припустити, що електрони обертаються по орбітах навколо ядра, як Земля навколо Сонця. Але класична теорія стверджувала, що електрони повинні випромінювати електромагнітні хвилі. Ці хвилі забирали б енергію, чому електрони повинні були по спіралі наближатися до ядра, приводячи до стиснення атома.

Ця проблема була вирішена завдяки безсумнівно превеликий досягнення теоретичної фізики XX століття: базовим постулатом з'явився принцип невизначеності Гейзенберга, який стверджує, що дві величини, такі як положення і імпульс частинки, не можна виміряти одночасно з довільною точністю. Щодо атома це означало, що у своєму нижчому енергетичному стані електрон не може лежати на ядрі, тому що в цьому випадку були б точно визначені його положення (на ядрі) і швидкість (нульова). Замість цього і положення, і швидкість повинні були бути розмазані навколо ядра з яким те імовірнісним розподілом. У цьому стані електрон не може випромінювати енергію у вигляді електромагнітних хвиль, бо не було б більш низького енергетичного рівня, на який він міг би перейти.

У двадцятих і тридцятих роках квантову механіку з величезним успіхом застосовували до таких систем, як атоми і молекули, що мали обмежене число ступенів свободи. Проте виникла труднощі, коли спробували застосувати її до електромагнітного нуля, що мав необмежену кількість ступенів свободи - грубо кажучи, по дві для кожної точки простору часу. Ці ступені свободи можна розглядати як осцилятори, кожен зі своїм становищем і імпульсом. Осцилятори не можуть бути в спокої, бо тоді вони мали б точно певне положення і імпульс. Замість цього кожен осцилятор повинен мати кінцеві по амплітуді, так звані нульові флуктуації і ненульову енергію. Енергія всього нескінченного числа ступенів свободи призвела б до того, що маса і заряд електрона стали б нескінченними.

Для подолання цих труднощів в 1940 році була розроблена процедура, названа ренормалнзаціей. Вона складалася з досить таки довільного віднімання одних нескінченних величин з інших з метою отримати кінцевий залишок. У випадку з електродинаміки було необхідно зробити два таких нескінченних вирахування - одне для маси, а інше - для заряду електрона. Під цю процедуру ренормалізаціі не було підведено міцного концептуального або математичного фундаменту, але на практиці вона працювала дуже непогано. Її успіх передбачив одне невелике зміщення - зміщення Ламба - на кілька ліній в спектрі атомного водню. Однак з урахуванням спроб побудувати завершену теорію це було не дуже задовільно, бо ренормалізація не передбачав значень кінцевого залишку після нескінченних вирахувань. Таким чином, щоб пояснити, чому електрон має такі масу і заряд, які він має, нам довелося б повернутися до людського принципом.

Протягом п'ятдесятих і шістдесятих років вважалося, що слабкі і сильні ядерні сили не схильні ренормалізаціі, тобто щоб стати кінцевими, вони зажадали б нескінченного числа нескінченних вирахувань. Вийшло б нескінченне число залишків, не визначених у теорії. Така теорія не мала б сили передбачати що небудь, тому що необмежене число параметрів виміряти не можна. Проте в 1971 році Герард Хофт показав, що єдину модель електромагнітних і слабких взаємодій, запропоновану раніше Абдус Саламом і Стівеном Вайнбергом, дійсно можна ренормалізіровать кінцевим числом вирахувань. У протонної теорії Салама - Вайнберга до частинки зі спіном 1, несучої електромагнітне взаємодія, приєднувалися три інших партнера зі спіном 1, названі W +, W-і Z0.Предполагалось, що при дуже великих енергіях всі ці чотири частинки будуть вести себе однаково. Однак при малих енергіях теорія чудово поєднувалася зі спостереженнями, і це спонукало Шведську Академію присудити Нобелівську премію Салам, Вайнберг і Шелдону Глешоу, який побудував схожу єдину теорію. Однак сам Глешоу зауважив, що Нобелівський комітет ризикував, оскільки у нас до цих пір немає достатньо потужних прискорювачів, щоб розігнати частинки і перевірити цю теорію в режимі, коли єдність між електромагнітними силами, укладеними в фотони, і слабкими силами, укладеними в W +, W-і Z0, дійсно має місце. Такий потужний прискорювач буде готовий через кілька років, і багато фізиків вірять, що він підтвердить теорію Салама - Вайнберга ^13.

Успіх теорії Салама - Вайнберга привів до пошуку схожою ренормалізаціонной теорії сильних взаємодій. Досить скоро стало ясно, що протони та інші адрони, такі як пі мезон, не можуть бути справді елементарними частинками, а повинні бути пов'язаними станами інших частинок, які називаються кварками. Останні, схоже, мали цікавим властивістю: хоча вони досить вільно рухалися всередині адрону, виявилося неможливим отримати власне один кварк, - вони завжди виходили або групами по три (як протон чи нейтрон), або парами, що складаються з кварка і антикварка (подібно пі мезони ). Щоб пояснити це, кварк наділили властивістю, названим кольором. Слід підкреслити, що ця властивість не має нічого спільного з звичайним розумінням кольору, - кварки занадто малі, щоб побачити їх у видимому світлі, це просто умовний термін. Ідея полягає в тому, що кварки бувають трьох кольорів - червоного, зеленого та блакитного, але будь ізольоване пов'язане стан, таке як адрон, має бути безбарвним або являти собою комбінацію червоного, зеленого і блакитного, як протон, або суміш червоного і антікрасного, зеленого і антизелена, блакитного і антіголубого, як пі мезон.

Передбачалося, що сильні взаємодії між кварками здійснюються частками зі спіном 1, так званими глюонами, досить схожими на частинки, що несуть слабкі взаємодії. Глюони також мають колір і разом з кварками підпорядковуються ренормалізаціонной теорії, званої квантової хромодинаміки, або, для стислості, КХД. Послідовність ренормалізаціонной процедури полягає в тому, що ефективна константа зв'язку теорії залежить від енергії, на якій вона вимірюється, а на дуже великих енергіях вона зменшується до нуля. Даний феномен відомий як асимптотична свобода. Це означає, що кварки усередині адрону при високоенергетичних зіткненнях поводяться майже так само, як вільні частки, тому до їх поведінки можна з успіхом застосовувати теорію збурень. Припущення теорії збурень досить добре узгоджуються з результатами спостережень, але не можна сказати, що ця теорія отримала експериментальне підтвердження. На малих енергіях ефективна константа зв'язку стає дуже великою, і теорія збурень не спрацьовує. Є надія, що це «інфрачервоне рабство» пояснить, чому кварки завжди укладені в безбарвних пов'язаних станах, але поки що ніхто не зумів переконливо це продемонструвати.

Побудувавши одну ренормалізаціонную теорію для сильних взаємодій, а іншу для слабких і електромагнітних, було природно пошукати теорію, яка б об'єднала ці дві. Цим теоріям дали досить перебільшене назву «великі узагальнені теорії». Ця назва кілька збиває з пантелику, тому що вони і не великі, і не повністю узагальнені, і не зовсім теорії, оскільки в них міститься безліч невизначених ренормалізаціонних параметрів, таких як константи зв'язку і маси. Проте вони, можливо, стали знаменною кроком у напрямку до єдиної теорії. Основна ідея полягає в тому, що константа зв'язку сильних взаємодій, більша на малих енергіях, на високих енергіях поступово зменшується внаслідок асимптотичної свободи. З іншого боку, ефективна константа зв'язку в теорії Салама - Вайнберга, мала на низьких енергіях, на високих поступово зростає, оскільки ця теорія не є асимптотично вільною. Якщо екстраполювати низькоенергетичне коефіцієнт і зменшувати константи зв'язку, то виявиться, що дві константи зв'язку стають рівними на енергії порядку 10 ^ 15 ГеВ (ГеВ - гігаелектронвольт - це мільярд електрон вольт, що приблизно дорівнює енергії, яка вивільнилася б, якщо б один атом водню повністю перетворити в енергію. Для порівняння: енергія, що виділяється при хімічних реакціях, таких як горіння, дорівнює приблизно одному електронвольт на атом). Дані теорії припускають, що вище цієї енергії сильні взаємодії об'єднуються зі слабкими та електромагнітними, але на менших енергіях має місце спонтанне порушення симетрії.

Енергія в 10 ^ 15 ГеВ знаходиться за межами можливості лабораторного обладнання; нинішнє покоління прискорювачів може призвести енергію центру мас близько 10 ГеВ, а наступне покоління зможе зробити приблизно 100 ГеВ. Цього вистачить, щоб досліджувати енергії, при яких електромагнітні сили, відповідно до теорії Салама - Вайнберга, повинні об'єднуватися зі слабкими взаємодіями, але це не та гігантська енергія, коли слабкі й електромагнітні взаємодії повинні об'єднуватися з сильними взаємодіями. Проте «великі узагальнені теорії» можуть передбачити дещо що доступне для перевірки в лабораторії. Наприклад, ці теорії передбачають, що протон не повинен бути абсолютно стабільним, а повинен розпадатися з часом життя близько 10 ^ 31 років. Нижня межа сучасних лабораторних досліджень часу життя дорівнює приблизно 10 ^ 30 років, і повинна бути можливість його покращити. Інше припущення, яке можна перевірити, стосується співвідношення у Всесвіті адронів і фотонів. Для частинок і античастинок повинні бути одні й ті ж фізичні закони. Точніше, вони повинні бути тими ж самими, якщо частки замінити античастицами, праве замінити лівим і швидкості всіх частинок замінити на зворотні. Це відомо як теорема СРТ, і вона є наслідком з базового припущення, яке повинно міститися в будь осмисленої теорії. І все ж Земля, а насправді і вся Сонячна система, зроблена з протонів і нейтронів, без антипротонів і антинейтрони. Справді, такий дисбаланс між частинками і античастицами є ще одне апріорне умова нашого існування, оскільки, якби Сонячна система складалася з рівної суміші частинок і античастинок, вони б анігілювали один з одним і залишилося б одне випромінювання. З спостережуваного відсутності такого анігіляційного випромінювання ми можемо зробити висновок, що наша Галактика повністю складається скоріше з частинок, ніж з античастинок. У нас немає прямого свідоцтва щодо інших галактик, але здається ймовірним, що вони складаються з часток і що у Всесвіті в цілому частки переважають над античастицами - приблизно у співвідношенні одна античастинка до 10 ^ 8 часток. Це можна прийняти до уваги, вдавшись до людського принципом, за «великі узагальнені теорії» дійсно дають механізм для пояснення такого дисбалансу. Хоча всі взаємодії, схоже, інваріантні до комбінаціям С (заміна частинок античастицами), Р (дзеркальне відображення, ліві і праві міняються місцями) і Т (зміна напрямку руху всіх частинок на зворотне), відомі взаємодії, не інваріантні тільки до Г. У ранній Всесвіту, де існує явно виражене напрямок часу, задане розширенням, ці взаємодії можуть породжувати більше часток, ніж античастинок. Однак число, яке вони дають, дуже залежить від моделі, так що відповідність із спостереженнями навряд чи можна вважати підтвердженням «великих узагальнених теорій».

Поки що більшість зусиль було спрямовано на те, щоб узагальнити перші три категорії фізичних взаємодій - сильні і слабкі ядерні сили і електромагнетизм. Останній, четвертій, - гравітацією - нехтували. Одним з виправдань була та обставина, що гравітація занадто слабка, і тому квантовий гравітаційний ефект буде великим тільки на енергіях частинок вище досяжних на якому або прискорювачі. Інше виправдання - що гравітація навряд чи ренормалізуема: для отримання кінцевого відповіді, схоже, доведеться робити нескінченне число нескінченних вирахувань з відповідно нескінченним числом невизначених кінцевих залишків. І все ж, якщо ми хочемо отримати дійсно загальну теорію, сюди треба включити і гравітацію. До того ж класична загальна теорія відносності говорить, що повинні існувати просторово тимчасові сингулярності з нескінченно сильним гравітаційним полем. Такі сингулярності мали місце на початку нинішнього розширення Всесвіту (Великий Вибух) і, мабуть, можуть проявитися в майбутньому при гравітаційному колапсі зірок і, можливо, самого Всесвіту. Взагалі наявність сингулярностей ставить під сумнів класичну теорію. Однак не видно причини, чому вона повинна бути зрадливої, поки гравітаційні поля не посиляться настільки, щоб квантовий гравітаційний ефект виявився істотним. Таким чином, квантова теорія гравітації є невід'ємною частиною загальної теорії, якщо ми хочемо описати ранню Всесвіт і потім як то пояснити початкові умови, а не просто вдаватися до людського принципом.

Така теорія також потрібна, якщо ми хочемо відповісти на питання: чи справді час має початок і, можливо, кінець, як це передбачає класична загальна теорія відносності, або сингулярності у Великому Вибуху і великому стисненні деяким чином змащуються квантовими ефектами? Це занадто важке питання, щоб відповісти на нього безумовно, коли сама будова простору і часу підкоряється принципу невизначеності. Особисто я відчуваю, що сингулярності, ймовірно, все ж таки існують, хоча в математичному сенсі час можна продовжити за них. Однак повсякчас у суб'єктивному розумінні, що відноситься до свідомості або здатності проводити вимірювання, має коли небудь закінчитися.

Які ж перспективи створення квантової теорії гравітації і об'єднання її з трьома іншими категоріями взаємодій? Вся надія, мабуть, надалі узагальненні загальної теорії відносності, званому теорією супергравітації. У ній гравітація - частки зі спіном 2, що несуть гравітаційна взаємодія, - співвідноситься з іншими нулями, описуваними частинками з меншим спіном за допомогою так званих суперсиметричних трансформацій. Основна перевага цієї теорії в тому, що вона веде нас від старої дихотомії між «матерією», представленої частинками з половинними спинами, і «взаємодіями», представленими частинками з цілочисельними спинами. Її величезною перевагою є й те, що нескінченності, що виникають в квантовій теорії, взаємно скасовують один одного. Скасовуються чи всі вони, даючи теорії що то кінцеве без нескінченних вирахувань, - це поки невідомо. Є надія, що так, тому що можна показати, що теорії, що включають гравітацію, або кінцеві, або неренормалізуеми, тобто якщо проводити нескінченні віднімання, доведеться робити нескінченне число їх з відповідно нескінченним числом невизначених залишків. Таким чином, якщо всі нескінченності в супергравітації виявляться взаємно скасовані, ми могли б отримати теорію, не тільки повністю об'єднує всі матеріальні частинки і взаємодії, але й завершену в тому сенсі, що вона не буде мати невизначених за величиною параметрів ренормалізаціі.

Хоча ми ще не маємо відповідної квантової теорії гравітації, не кажучи вже про теорію, узагальнюючої та інші фізичні взаємодії, у нас є ідея щодо деяких особливостей, які вона повинна мати. Одна з них пов'язана з тим фактом, що гравітація впливає на випадкові структури простору часу, тобто гравітація визначає, які події можуть випадково зв'язуватися з іншими. Приклад цього в класичній загальної теорії відносності - чорні діри, що представляють собою область простору часу, де гравітаційне поле так сильно, що світло або інші сигнали затягуються туди і не можуть вислизнути у зовнішній світ. Це інтенсивне гравітаційне поле близько чорної діри призводить до виникнення пар частка античастинка, одна з яких падає в чорну діру, а інша летить у нескінченність. Відлітають частинки мовби випромінюються чорною дірою. Віддалений від чорної діри спостерігач може вимірювати тільки вилітають частинки і не може пов'язувати їх з упалими в чорну дірку, тому що не спостерігає їх. Це означає, що вилітають частинки мають підвищений рівень випадковості чи непередбачуваності в порівнянні з тим, який зазвичай пов'язаний з принципом невизначеності. У нормальних ситуаціях принцип невизначеності передбачає можливість точно передбачити або становище, або швидкість частинки, або поєднання положення і швидкості. Таким чином, грубо кажучи, здатність робити певні твердження ділиться навпіл. Однак у випадку з частинками, що вилетіли з чорної діри, неможливість спостерігати, що відбувається в чорній дірі означає, що не можна безумовно передбачити ні положення, ні швидкість вилітають частинок. Все, що можна сказати, - це ймовірності, з якими частки вилітають в певних режимах.

Видається, що, навіть якщо ми побудуємо єдину теорію, то, можливо, зуміємо зробити тільки статистичні затвердження. Нам також доведеться відмовитися від точки зору, що існує лише одна Всесвіт, яку ми спостерігаємо. Замість цього доведеться звикнути до картини, де існують всілякі всесвіти з деяким імовірнісним розподілом. Це могло б пояснити, чому Всесвіт почалася з Великого Вибуху в умовах майже досконалого термічного рівноваги, так як воно відносилося б до найбільшому числу мікроскопічних конфігурацій і, отже, до найбільшої вірогідності. Перефразовуючи вольтерівського Панглоса, можна сказати, що «ми живемо в найбільш ймовірний з можливих світів».

Які ж перспективи, що ми побудуємо завершену єдину теорію в не надто віддаленому майбутньому? Кожен раз, коли ми поширюємо наші спостереження на менший масштаб і більш високі енергії, ми відкриваємо нові структурні рівні. На початку століття відкриття броунівського руху з типовою енергією частинок в 3 х 10 ^ 2 еВ показало, що матерія не безупинна, а складається з атомів. Трохи пізніше було відкрито, що ці імовірно неподільні атоми складаються з електронів, що обертаються навколо ядра з енергією в кілька електронвольт. Ядро, в свою чергу, виявилося що складається з так званих елементарних частинок, протонів і нейтронів, утримуваних разом ядерними зв'язками порядку 10 ^ 6 еВ. Далі ми виявили, що протони і електрони складаються з кварків, утримуваних разом зв'язками з енергією порядку 10 ^ 9 еВ. І свідченням того, як далеко ми зайшли в теоретичній фізиці, стали гігантські машини і купа грошей на експерименти, результати яких ми передбачити не можемо.

Виходячи з минулого досвіду, можна було б припустити, що існує нескінченна послідовність структурних рівнів з усе більш і більш високою енергією. Справді, такий погляд на нескінченну регресію скриньок в ящиках був офіційною догмою в Китаї при Банді Чотирьох. Однак схоже, що гравітація має забезпечити якийсь межа, але тільки в дуже малому масштабі відстаней, порядку 10 ^ 33 см, або при дуже високій енергії - близько 10 ^ 28 еВ. При масштабах менше цього можна очікувати, що простір час перестане вести себе як континуум і через квантових флуктуацій гравітаційного поля перетвориться на піноподібних структуру.

Існує дуже велика недосліджена область між нашим нинішнім експериментальним межею приблизно в 10 ^ 10 еВ і гравітаційним обмеженням в 10 ^ 28 еВ. Припущення, яке роблять «великі узагальнені теорії», а саме що в такому величезному інтервалі існує тільки один або два структурних рівня, може здатися наївним. Однак є грунт для оптимізму. В даний момент, принаймні, видається, що гравітацію можна узагальнити з іншими фізичними взаємодіями тільки в яку або теорію «супергравітації». Виявилося, що кількість таких теорій звичайно. Зокрема, найбільша з них - так звана розширена супергравітації з N = 8. Вона містить в собі один гравітон, сім частинок зі спіном 3 / 2, названих гравітоносамі, двадцять вісім частинок зі спіном 1, п'ятдесят шість частинок зі спіном 1 / 2 та сімдесят частинок зі спіном 0. Як не великі ці цифри, вони не такі величезні, щоб ми не змогли пояснити всі частинки, які, схоже, спостерігаємо в сильних і слабких взаємодіях. Наприклад, теорія з N = 8 має двадцять вісім частинок зі спіном 1. Їх достатньо, щоб пояснити глюони, що несуть сильні взаємодії, і дві частинки з чотирьох, що несуть слабкі взаємодії, але не залишилися дві. Тому доведеться повірити, що багато чи більшість із спостережуваних часток, такі як глюони або кварки, насправді не елементарні частинки, як здається зараз, а пов'язані стану фундаментальних частинок теорії з N = 8. Якщо спроектувати нинішні економічні тенденції на майбутнє, не віриться, що ми отримаємо досить потужні прискорювачі, здатні в найближчому майбутньому або взагалі коли небудь прозондувати ці складові структури. Проте той факт, що ці пов'язані стани виникають з чіткою теорії з N = 8, дозволяє нам зробити безліч припущень, які можна перевірити на енергіях, доступних вже зараз або в найближчому майбутньому. Низькоенергетичні передбачення даної теорії так добре узгоджуються зі спостереженнями, що ця теорія зараз в цілому прийнята, хоча ми ще не досягли енергії, при якій можна робити узагальнення.

У описує Всесвіт теорії має бути що то дуже чітке. Чому ця теорія має увійти в життя, в той час як інші теорії існують лише в умах їх винахідників? Теорія супергравітації з N = 8 має кілька заяв, які виділяють її з інших. Схоже, вона може виявитися єдиною теорією, яка: а) працює в чотирьох вимірах, б) охоплює гравітацію, в) скінченна без яких або нескінченних вирахувань.

Я вже вказав, що якщо нам потрібна завершена теорія без всяких параметрів, третє властивість необхідно. Проте перші два важко пояснити, не вдаючись до людського принципом. Схоже, що є несуперечлива теорія, яка задовольняє вимогам а) і б), але не охоплює гравітацію. Проте в такому Всесвіті, ймовірно, не знайдеться притягують сил, достатніх, щоб зібрати матерію у великі маси, що, можливо, її потрібно для розвитку складних структур. Питання, чому простір час має бути чотиривимірним, зазвичай вважається поза компетенцією фізики. Однак для цього теж є хороший аргумент, що спирається на людський принцип. Трьох вимірювань для простору часу - тобто двох для простору і одного для часу - явно не вистачає для складного організму. З іншого боку, якби простір мало більше трьох вимірів, орбіти планет навколо Сонця або електронів навколо ядра були б нестабільні і по спіралі сходили б всередину. Це залишає можливість для більш ніж одного виміру часу, але я з тих, кому таку Всесвіт уявити дуже важко.

Поки що я побічно припустив, що остаточна теорія в принципі може існувати. Але чи так це? Є принаймні три можливості:

1. Може бути єдина завершена теорія.

2. Не може бути ніякої остаточної теорії, але може бути нескінченна послідовність таких теорій, що кожен приватний клас спостережень можна передбачити, узявши з ланцюга досить просунуту теорію.

3. Не може бути ніякої теорії. Спостереження не можна описати або передбачити далі певної точки, за якою вони стають непередбачуваними.

Третя точка зору висувалася як аргумент проти вчених XVII і XVIII століть: як можуть вони формулювати закони, що обмежують свободу Бога передумати? Проте вони сформулювали, і це зійшло їм з рук. У нинішні часи можливість 3 ми знищили, охопивши її схемою: квантова механіка є яскравим прикладом теорії того, чого ми не знаємо і не можемо передбачити.

Можливість 2 дає нам картину нескінченної послідовності структур все більш і більш високої енергії. Як я вже сказав, це видається малоймовірним, так як можна припустити, що на енергії Планка, порядку 10 ^ 28 еВ, буде межа. Це залишає нам можливість 1. В даний момент єдиним реальним кандидатом є теорія супергравітації з N = 8 ^14. Може бути, в найближчі роки буде зроблено безліч важливих розрахунків, які, можливо, покажуть неспроможність цієї теорії. Якщо ж вона витримає ці перевірки, ймовірно, пройде ще кілька років, перш ніж ми розробимо обчислювальні методи, які дозволять нам що то пророкувати, і перш ніж ми зможемо пояснити початкові умови Всесвіту так само, як приватні фізичні закони. Це буде основною проблемою для фізиків теоретиків на наступну пару десятиліть. Але щоб не закінчувати на такій ноті кілька панічної, скажу, що їм навряд чи знадобиться значно більше часу. Зараз величезну допомогу в дослідженнях надають комп'ютери, але їх повинен спрямовувати людський розум. Однак якщо екстраполювати швидкість їх розвитку останнім часом, може здатися цілком реальним, що в майбутньому вони цілком візьмуть на себе теоретичну фізику. Так що, можливо, вже видно кінець якщо не теоретичної фізики, то фізиків теоретиків.

8. Мрія Ейнштейна

У перші роки XX століття дві нові теорії абсолютно змінили наше уявлення про простір і час, та й про саму реальності теж. Більш ніж через сімдесят п'ять років ми все ще усвідомлюємо їх зміст і намагаємося узагальнити їх в єдину теорію, яка опише все у Всесвіті. Ці дві теорії - загальна теорія відносності і квантова механіка. Загальна теорія відносності має справу з простором і часом: як вони у великому масштабі викривляються і деформуються матерією і енергією у Всесвіті. Квантова механіка має справу з малими масштабами. Вона включає в себе так званий принцип невизначеності, який стверджує, що одночасно не можна точно виміряти і положення, і швидкість частинки, - чим точніше вимірюєш одне, тим менш точно вимірюєш інше. Завжди є елемент невизначеності або випадковості, і це фундаментальним чином впливає на поведінку матерії в малому масштабі. Ейнштейн майже одноосібно створив загальну теорію відносності і зіграв важливу роль у розвитку квантової механіки. Його почуття до останньої виражаються фразою «Бог не грає в кості». Але все свідчить про те, що Бог - завзятий гравець, і при всякій нагоді Він кидає кістки.

В даному есе я спробую викласти основні ідеї, які стоять за цими теоріями, і пояснити, чому Ейнштейн був так незадоволений квантовою механікою. Я також опишу деякі примітні моменти, які, схоже, мають місце при спробах об'єднати ці дві теорії. Існує твердження, що час почалося приблизно п'ятнадцять мільярдів років тому і що колись у майбутньому воно може закінчитися. І все ж в іншому вигляді часу Всесвіт не має меж. Вона не виникла і не зникне. Вона просто є.

Почну з теорії відносності. Державні закони діють лише в одній країні, але фізичні закони однакові і в Британії, і в Сполучених Штатах, і в Японії. Вони діють і на Марсі, і в туманності Андромеди. Більш того: закони все ті ж, з якою б швидкістю ми не рухалися. Закони на надшвидкісний експресі або на реактивному літаку такі ж, що і для тих, хто стоїть на місці. Насправді, звичайно, стоїть нерухомо на Землі рухається навколо Сонця із швидкістю приблизно 18,6 милі (30 км) в секунду. Але все це рух не має ніякого значення для фізичних законів - вони одні й ті ж для всіх спостерігачів.

Ця незалежність від швидкості системи вперше була відкрита Галілеєм, який розробив закони руху таких об'єктів, як гарматне ядро ​​або планета. Проте коли люди спробували поширити цю незалежність від швидкості спостерігача на закони руху світла, виникла проблема. У XVIII столітті було відкрито, що світло поширюється від джерела до спостерігача не миттєво, він рухається з певною швидкістю - близько 186 000 миль (300 000 км) в секунду. По відносно чого ця швидкість? Здавалося, що в усьому просторі повинна бути якась то середовище, через яку проходить світло. Це середовище назвали ефіром. Ідея полягала в тому, що світло зі швидкістю 186 000 миль в секунду поширюється в ефірі, і це означало, що спостерігач, нерухомий щодо ефіру, виміряє швидкість світла, що дорівнює приблизно 186000 милям в секунду, а спостерігач, який рухається в ефірі, виміряє велику або меншу швидкість. Однак в 1887 році ретельний експеримент, виконаний Майкельсона і Морлі, показав, що швидкість світла незмінна. Не важливо, з якою швидкістю рухається спостерігач, - він завжди виміряє швидкість світла, рівну 186 000 миль в секунду.

Як це може бути? Як можуть спостерігачі, що рухаються з різними швидкостями, вимірювати одну і ту ж швидкість? Відповідь одна: цього не може бути - якщо тільки наші звичні уявлення про простір і час вірні. Однак у своїй знаменитій статті, написаної в 1905 році, Ейнштейн вказав, що всі горезвісні спостерігачі можуть вимірювати одну і ту ж швидкість світла, якщо відмовитися від ідеї про універсальний часу. Замість цього у кожного з них буде своє індивідуальне час, виміряний їх годинами. Якщо годинник рухаються відносно один одного повільно, час, виміряний різними годинами, буде майже точно збігатися, але якщо вони рухаються з великою швидкістю, час буде істотно відрізнятися. Такий ефект був дійсно помічений шляхом порівняння годин, поміщених на землі і на авіалайнері, - годинник на лайнері трохи відстали в порівнянні з нерухомими. Однак для звичайних швидкостей пересування різниця в ході годинника дуже мала. Щоб додати до вашого життя одну секунду, вам доведеться пролетіти навколо землі 400 мільйонів разів, але всі ці літакові сніданки скоротять ваше життя набагато значніше.

Як людям, які йшли з різними швидкостями, зберегти власне індивідуальний час, щоб виміряти одну і ту ж швидкість світла? Швидкість імпульсу світла - це відстань, яку він проходить між двома подіями, поділена на часовий інтервал між цими подіями (подією в даному випадку ми вважаємо щось, що має місце в одній точці простору в певний момент часу). Люди, що рухаються з різними швидкостями, не зійдуться на думці щодо відстані між двома подіями. Наприклад, якщо я виміряв швидкість автомобіля, що їде по дорозі, то можу подумати, що він проїхав лише один кілометр, але для спостерігача на Сонці він перемістився на 1800 кілометрів, тому що, поки автомобіль їхав по дорозі, Земля перемістилася. Оскільки люди рухаються з різними швидкостями, вимірюючи різну відстань між подіями, вони повинні також вимірювати різні інтервали часу, якщо сходяться щодо швидкості світла.

Первісна теорія відносності Ейнштейна, висунута ним у статті 1905 року, тепер називається спеціальною теорією відносності. Вона описує, як об'єкти пересуваються в просторі і часі, і показує, що час - не універсальна величина, існуюча сама по собі, окремо від простору. А майбутнє і минуле - це просто напрямки, як верх і низ, право і ліво, вперед і назад, в так званому просторі часу. В часі ви можете рухатися тільки в напрямку майбутнього, але можете рухатися трохи під кутом до нього. Ось чому час може проходити з різними коефіцієнтами.

Спеціальна теорія відносності Ейнштейна об'єднала час з простором, але простір і час як раніше залишалися фоном, на якому відбувалися події. Ви можете вибирати, в якому напрямку рухатися в просторі часу, але не можете нічого зробити, щоб змінити передісторію простору і часу. Проте все змінилося, коли в 1915 році Ейнштейн сформулював загальну теорію відносності. Він висунув революційну ідею, що гравітація - це не просто сила, яка діє у фіксованому просторі часу, а викривлення простору часу, викликане масою і закладеною в ній енергією. Об'єкти, наприклад гарматні ядра, і планети намагаються рухатися крізь простір час по прямій, але оскільки простір ще не пряме, а викривлено, зігнуто, траєкторії викривляються. Земля намагається рухатися через простір час по прямій, але його викривлення, викликане масою Сонця, змушує її рухатися по колу. Подібним же чином світло намагається рухатися по прямій, але викривлення простору часу поблизу Сонця змушує світло далеких зірок загинатися при проходженні поруч. Але під час затемнення, коли більша частина сонячного випромінювання затримується Місяцем, світло цих зірок можна спостерігати. Ейнштейн створив свою загальну теорію відносності під час Першої світової війни, не в найсприятливіших умовах для спостережень, але відразу ж після війни британська експедиція, спостерігаючи затемнення 1919 року, підтвердила припущення загальної теорії відносності: простір ще не пряме, а викривляється ув'язненими в ньому матерією і енергією.

Це був найбільший тріумф Ейнштейна. Його відкриття абсолютно змінило наше уявлення про простір і час. Вони більше не були пасивним тлом, на якому відбуваються події. Ми більше не можемо представляти простір і час як тривають вічно, незалежно від того, що відбувається у Всесвіті. Це динамічні величини, які самі впливають на події, а що відбуваються в них події в свою чергу впливають на них.

Важливою властивістю є і енергії є те, що вони завжди позитивні. Ось чому гравітація завжди притягує тіла один до одного. Наприклад, земна гравітація притягує нас навіть на зворотному боці Землі. Ось чому жителі Австралії з неї не падають. Аналогічно гравітація Сонця утримує планети на орбітах і не дає Землі полетіти в темряву або міжзоряний простір. Відповідно до загальної теорії відносності, той факт, що маса завжди позитивна, означає, що простір час викривляється всередину себе, як земна поверхня. Якби маса була негативною, простір час викривлялися б по іншому, як сідлоподібний поверхню. Це позитивне викривлення простору часу, що відображає факт гравітаційного тяжіння, уявлялося Ейнштейну великою проблемою. Тоді було широко поширена думка, що Всесвіт статична, однак якщо простір, а особливо час викривляються всередину себе, як же може Всесвіт вічно залишатися в більш менш незмінному стані, в тому ж, що і зараз?

Первісна Ейнштейнова формула загальної теорії відносності пророкувала, що Всесвіт розширюється або, або стискається. Тому Ейнштейн додав в формулу додаткову умову, що зв'язує масу і енергію у Всесвіті з викривленням простору часу. Це так зване космологічне умова мала відразливий гравітаційний ефект. Таким чином ставало можливим врівноважити притягання матерії відштовхуванням космологічного умови. Іншими словами, негативне викривлення простору часу, викликане космологічним умовою, могло компенсувати позитивне викривлення, викликане масою і енергією Всесвіту. Це дозволило отримати модель Всесвіту, що залишається вічно в одному і тому ж стані. Якби Ейнштейн наполіг на своїй первісній формулі, не вводячи космологічного умови, він би передбачив, що Всесвіт або розширюється, або стискається. А так ніхто не думав, що вона змінюється з часом, до 1929 року, поки Едвін Хаббл не відкрив, що віддалені галактики рухаються від нас. Всесвіт розширюється. Пізніше Ейнштейн назвав космологічне умова «найбільшою помилкою в своєму житті».

Але з космологічним умовою чи без такого, той факт, що матерія змушує простір час скривлюватися всередину себе, залишався проблемою, хоча не всі це визнавали. З нього випливало, що матерія може викривити область всередину себе настільки, що ця область виявиться ізольованою від решти Всесвіту. Вона перетворилася б на те, що ми називаємо чорною дірою. Об'єкти могли б падати в чорну діру, але ніщо не могло б вирватися звідти. Щоб вирватися, об'єкту довелося б рухатися зі швидкістю сверхсветовой, чого теорія відносності не дозволяла. Таким чином, матерія всередині чорної діри опинилася б у пастці і стиснулася б до якогось невідомого стану з надзвичайно великою щільністю.

Ейнштейна дуже стурбував висновок про це колапс, і він відмовився повірити, що таке трапляється. Але в 1939 році Роберт Оппенгеймер показав, що старі зірки, більш ніж удвічі перевищують масою Сонце, неминуче коллапсую, коли вироблять все своє ядерне паливо. Потім втрутилася війна, Оппенгеймер був залучений у проектування атомної бомби і втратив інтерес до гравітаційного колапсу. Інших вчених більше турбувала фізика, яку можна вивчати на Землі. Вони не вірили прогнозам про далекі куточках Всесвіту, так як здавалося, що їх не можна перевірити спостереженнями. Проте в шістдесятих роках величезний прогрес в широті і як астрономічних спостережень викликав новий інтерес до гравітаційного колапсу і до раннього Всесвіту. Що ж точно передбачала загальна теорія відносності Ейнштейна щодо цих ситуацій, залишалося неясно, поки Роджер Пенроуз і я не довели кілька теорем. Ці теореми показали, що з факту викривлення простору часу всередину себе випливає, що повинні бути сингулярності - місця, де простір час має початок і кінець. Воно повинно було мати початок у Великому Вибуху приблизно п'ятнадцять мільярдів років тому і має закінчитися колапсом зірки, коли все впало в чорну діру зіщулена зірка залишить у минулому.

Той факт, що загальна теорія відносності Ейнштейна пророкувала неминучість існування сингулярностей, призвів до кризи фізики. Рівняння загальної теорії відносності, що зв'язують викривлення простору часу з розподілом маси і енергії, втрачають сенс в сингулярної точки. Це означає, що загальна теорія відносності не може передбачити, що виходить з сингулярності. Зокрема, загальна теорія відносності не може передбачити, як повинна виникати Всесвіт при Великий Вибух. Таким чином, загальна теорія відносності - не завершена теорія. Її потрібно доповнити деякої складової, яка визначила б, що відбувається, коли матерія колапсує йод дією власної гравітації.

Необхідної додаткової складової представляється квантова механіка. У 1905 році, в той же рік, коли написав свою статтю про спеціальної теорії відносності, Ейнштейн також написав про феномен, що зветься фотоелектричним ефектом. Було відмічено, що, коли світло падає на певні метали, виділяються заряджені частинки. Дивно в цьому було те, що, якщо інтенсивність світла знижувалася, число виділених часток теж зменшувалася, але швидкість, з якою вони вилітали, залишалася незмінною. Ейнштейн показав, що це можна пояснити, якщо світло поглинається не в довільних кількостях, як всі ми вважали, а лише набором пакетів строго певного розміру. Ідея про те, що світло існує у вигляді пакетів, названих квантами, була запропонована кількома роками раніше німецьким фізиком Максом Планком. Це змахує на супермаркет, коли вам кажуть, що не можна купити цукру стільки, скільки вам потрібно, а тільки в розфасовці по кілограму. Планк скористався ідеєю про кванти просто для пояснення того, чому розпечений до червоного шматок металу не видає відразу нескінченну кількість енергії, але він розглядав кванти всього лише як теоретичну хитрість, яку не співвідносив з чим або у фізичній реальності. Стаття Ейнштейна показала, що можливо безпосередньо спостерігати окремий квант. Кожна випромінювана частка співвідносилася з одним квантом світла, що падає на метал. Це було широко визнано як дуже важливий внесок у квантову теорію, що принесло Ейнштейну Нобелівську премію 1922 року (йому слід було дати Нобелівську премію за загальну теорію відносності, але думка, що простір і час викривляються, все ще вважалася занадто умоглядної і парадоксальною, так що замість цього йому дали премію за фотоелектричний ефект, - але не можна сказати, що це саме по собі не заслуговувало Нобелівської премії).

Повні висновки з фотоелектричного ефекту не були зроблені до 1925 року, коли Вернер Гейзенберг вказав, що лежать в його основі подання не дозволяють точно виміряти положення частинки. Щоб побачити, де знаходиться частинка, потрібно посвітити на неї. Але Ейнштейн показав, що не можна взяти дуже мала кількість світла, а доведеться використовувати цілий пакет - один квант. Такий пакет світла посуне частку і додасть їй швидкість в певному напрямку. Чим точніше ви хочете виміряти положення частки, тим більшу енергію пакета вам доведеться використовувати і тим більше обурення він додасть частці. Які б вимірювання з часткою ви не намагалися зробити, невизначеність її положення, помножена на невизначеність швидкості, завжди буде більше якоїсь певної величини.

Принцип невизначеності Гейзенберга показав, що не можна точно виміряти стан системи, а тому неможливо передбачити ймовірність різних наслідків. І ось цей то елемент випадковості або ймовірності дуже занепокоїв Ейнштейна. Він відмовлявся вірити, що фізичні закони не можуть точно і однозначно передбачити, що станеться. Але все свідчило про те, що від феномена кванта і принципу невизначеності нікуди не дітися і що вони зайняли своє місце в усіх галузях фізики.

Загальна теорія відносності Ейнштейна - це так звана класична теорія, тобто вона не включає в себе принцип невизначеності. Тому потрібно знайти нову теорію, яка охопила б загальну теорію відносності та принцип невизначеності. У більшості ситуацій різниця між цією новою теорією і класичною теорією відносності буде дуже мала. Справа в тому, що, як було відмічено раніше, невизначеність, викликана квантовим ефектом, існує тільки в дуже матом масштабі, у той час як загальна теорія відносності має справу з будовою простору часу в дуже великому масштабі. Однак теореми сингулярності, доведені Роджером Пенроузом і мною, показали, що простір час виявиться сильно викривленим і в дуже малому масштабі. Дія принципу невизначеності стане тоді дуже важливим і, напевно, призведе до деяких чудовим результатам.

Проблеми Ейнштейна з квантовою механікою і принципом невизначеності частково виникали через те, що він користувався звичайним, заснованим на здоровому глузді поняттям, що система має певну передісторію. Частка знаходиться або в одному місці, або в іншому. Вона не може бути наполовину в одному місці, наполовину в іншому. Аналогічно подія начебто посадки астронавтів на Місяць або мало місце, чи ні. Воно не могло відбутися наполовину. Це все одно що бути почасти мертвою або частково вагітною. Тут або так, або ні. Але якщо система має єдину, певну передісторію, принцип невизначеності призводить до всіляких парадоксів, таким як знаходження частинки відразу в двох місцях або як астронавти, наполовину досягли Місяця.

Витончений спосіб уникнути цих парадоксів, так тривожили Ейнштейна, висунув американський фізик Річард Фейнман. Фейнман став відомий у 1948 році своєю роботою з квантової теорії світла. У 1965 році він разом з іншим американським фізиком, Джуліаном Швінгера, і японським фізиком Сінісіро Томонага отримав Нобелівську премію. Але Фейнман був справжнім фізиком в традиціях Ейнштейна і ненавидів помпу та інтриги. Він відмовився від членства в Національній Академії наук, так як виявив, що більшу частину часу проводять академіки, вирішуючи, кого з учених прийняти до Академії. Фейнман, який помер в 1988 році, запам'ятається великим внеском у теоретичну фізику. Одним з його досягнень є що носять його ім'я діаграми, що стали основою майже для всіх розрахунків у фізиці частинок. Але ще більш важливий вклад - його концепція суми передісторію. Ідея полягала в тому, що система не має єдиної передісторії в просторі часу, як прийнято вважати у класичній неквантовой теорії. Замість цього вона має всі можливі передісторії. Розглянемо для прикладу частку, що знаходиться в певний час в точці А. Відповідно до суми передісторії вона може рухатися по будь-якому шляху, який починається в цій точці. Це зразок того як капнути чорнилом на промокашку. Частинки чорнила розповзуться по промокашці на всі боки. Навіть якщо ви скасуєте прямий шлях між двома точками, прорізавши папір, чорнило поширяться за її краї.

З кожним шляхом або передісторією частинки можна асоціювати число, залежне від форми шляху. Ймовірність того, що частка пройде з точки А в точку В, виходить шляхом підсумовування чисел, асоційованих з усіма шляхами, провідними частку з точки А в точку В. Але числа від прямих шляхів складуться з числами від майже прямих шляхів. Таким чином, головний внесок у вірогідність буде зроблений прямими або майже прямими шляхами. Ось чому слід від частки, що проходить через бульбашкову камеру, виглядає майже прямим. Але якщо ви вставите в розріз на шляху частинки щось на зразок стінки, шляхи часток можуть поширитися в обхід стінки, і може з'явитися вірогідність знайти частки в стороні від прямого напряму через розріз.

У 1973 році я почав досліджувати, який вплив принцип невизначеності зробить на частку у викривленому просторі часу поблизу чорної діри. Досить примітно моє відкриття, що чорна діра не буде абсолютно чорною. Принцип невизначеності дозволить частинок і випромінювання постійно вислизати з неї. Цей результат став для мене і всіх інших повним сюрпризом і був зустрінутий загальним недовірою. Але заднім числом він здався очевидним. Чорна діра - це область простору, з якого неможливо вирватися, якщо рухаєшся зі швидкістю менше швидкості світла. Але Фейнманова сума передісторії каже, що частинки можуть вибрати будь-який шлях через простір час. Отже, частка може рухатися швидше за світло. Ймовірність того, що вона подолає довгу відстань з надсвітовою швидкістю, мала, але частка може пролетіти достатньо, щоб вирватися з чорної діри, а потім знизити свою швидкість до досветовой. Таким чином, принцип невизначеності дозволяє частинкам вирватися із, здавалося б, останнього узіліща - з чорної діри. Ймовірність того, що частка вирветься з чорної діри масою з Сонце дуже мала, тому що їй доведеться подолати з надсвітовою швидкістю декілька кілометрів. Але можуть існувати набагато менші чорні діри, що сформувалися в ранньому Всесвіті. Ці первісні чорні діри можуть бути за розміром менше атомного ядра, але їх маса може досягати мільярдів тонн - як маса гори Фудзі. Вони можуть виробляти стільки ж енергії, як велика електростанція. От би знайти таку чорну діру і запрягти її енергію! На жаль, схоже, по Всесвіту їх розкидано не так уже й багато.

Передбачення випромінювання з чорної діри було першим нетривіальним результатом від поєднання загальної теорії Ейнштейна з принципом квантування. Це показало, що гравітаційний колапс не такий вже глухий кут, як здавалося раніше. Частинки в чорній дірі не зобов'язані закінчувати свою історію в сингулярності. Замість цього вони можуть вирватися з чорної дірки і продовжити свою історію зовні. Можливо, квантовий принцип означає, що також можна уникнути всіх історій, що беруть початок у точці творіння при Великий Вибух.

На це питання відповісти набагато важче, тому що він вимагає застосування квантового принципу до структури самих простору і часу, а не до шляхів часток на даному просторово тимчасове тлі. Що тут потрібно - так це визначити спосіб підсумовування передісторії не тільки для частинок, але для самої тканини простору і часу. Ми поки ще не знаємо, як їх підсумувати, але точно знаємо властивості цього підсумовування. Одне з них полягає в тому, що підсумовувати простіше, якщо оперувати з передісторії в так званому уявному, а не в звичайному, реальному часі. Уявне час - складний для засвоєння поняття, і воно, можливо, принесе найбільше труднощів читачам моєї книги. За використання поняття «уявне час» мене також люто критикували філософи. Як уявне час може мати що щось спільне з реальною Всесвіту? Думаю, ці філософи не зрозуміли уроків історії. Коли то Казати очевидним, що Земля плоска, а Сонце обертається навколо неї, але з часів Коперника і Галілея ми звикли до думки, що Земля кругла і обертається навколо Сонця. Довго здавалося очевидним і те, що час йде однаково для всіх спостерігачів, але після Ейнштейна нам довелося визнати, що час для різних спостерігачів тече по різному. Також здавалося очевидним, що Всесвіт має єдину історію, але після відкриття квантової механіки нам доводиться вважати, що Всесвіт має всі можливі історії. Я хочу припустити, що ідея уявного часу - це теж щось таке, що нам доведеться прийняти. Це інтелектуальний стрибок того ж порядку, як і віра в те, що Земля кругла. Думаю, що уявне часом стане таким же природним, якою є кругла Земля. На світі залишилося не багато віруючих в плоску Землю.

Ви можете представляти звичайне, реальний час горизонтальною лінією, що йде зліва направо. Ранні часи ліворуч, пізні справа. Але ви можете уявити інший напрям часу - вгору і вниз. Це так зване уявне напрямок часу, під прямим кутом до реального часу.

Яка головна причина введення поняття уявного часу? Чому б не дотримуватися звичайного, реального часу, який нам відомо? Причина в тому, як зазначалося раніше, що матерія і енергія прагнуть змусити простір час скривлюватися всередину себе. У напрямку реального часу це неминуче веде до сингулярності - місцях, де простір час приходить до свого кінця. У сингулярності фізичні закони не визначені, тому не можна передбачити, що станеться. Але напрям уявного часу направлено перпендикулярно реальному. Це означає, що воно поводиться схоже по відношенню до трьох вимірів, відповідним руху в просторі. Викривлення простору часу, викликане матерією Всесвіту, може привести до того, що три просторових вимірювання і напрямок уявного часу знову зустрінуться по іншу сторону. Вони утворюють замкнену поверхню, подібну поверхні Землі. Три напрями простору і одне уявного часу утворюють простір час, замкнутий у собі, без меж і країв. Воно не буде мати точки, яку можна було б назвати початком або кінцем, як не має розпочато і кінця земна поверхня.

У 1983 році Джим Хартл і я запропонували не брати суму історій Всесвіту в реальному часі, а складати історії у уявному часу, де вони замикаються на зразок земної поверхні. Оскільки ці історії не мають жодних сингулярностей і у них немає початку і кінця, що відбувається в них буде повністю визначатися фізичними законами. Це означає, що все, що сталося під уявний часу можна розрахувати. А якщо ви знаєте історію Всесвіту в уявному часу, то можете розрахувати її поведінку і в реальному часі. Таким чином, є надія досягти завершеною повної теорії, пророкує все у Всесвіті. Ейнштейн провів останні роки свого життя в пошуках такої теорії, але не знайшов її, бо не довіряв квантової механіки. Він був не готовий визнати, що Всесвіт може мати багато альтернативних історій. Ми досі не знаємо, як належним чином підсумувати всі історії Всесвіту, але ми можемо бути достатньою мірою впевнені, що підсумовування візьме на озброєння уявне час і ідею про те, що простір час замикається в собі. Думаю, ці концепції приведуть до того, що нове покоління сприйме цю ідею так само природно, як ідею про круглої Землі. У науковій фантастиці уявне час вже стало загальним місцем. Але це не просто наукова фантастика чи математичний трюк. Це - щось формує Всесвіт, в якій ми живемо.

9. Походження Всесвіту

Питання про походження Всесвіту трохи схожий з найдавнішою проблемою: що з'явилося спочатку - курка чи яйце? Іншими словами, яка сила створила Всесвіт і що створило цю силу? Або, можливо, Всесвіт або створила її сила існували завжди і не потребували створення? До недавнього часу вчені цуралися цих питань, відчуваючи, що вони відносяться скоріше до метафізики чи релігії, ніж до науки. Однак в останні кілька років вийшло так, що наукові закони можуть охопити навіть виникнення Всесвіту. У такому разі Всесвіт може бути самодостатньою і повністю визначатися науковими законами.

Суперечки про те, чи виникла Всесвіт коли то і як вона виникла, проходять через всю зафіксовану історію. Існувало дві основні школи мислення. Багато ранніх традицій, а також іудейська, християнська і мусульманська релігії стверджували, що Всесвіт була створена в порівняно недалекому минулому (в XVII столітті єпископ Ашер обчислив дату створення Всесвіту - 4004 р. до н. Е..; Він прийшов до цієї цифри шляхом складання віку персонажів Старого Завіту). Одним з фактів, взятих ним для обгрунтування ідеї про недавнє походження Всесвіту, було визнання того, що людство очевидно розвивається в культурі і техніці. Ми пам'ятаємо, хто першим виконав таке ту дію або розвинув такий то метод. Таким чином, стверджується, ми не могли активно розвиватися весь час, інакше ми б вже просунулися набагато далі, ніж просунулися насправді. Дійсно, біблійна дата створення світу не так далека від дати закінчення останнього льодовикового періоду, тобто дати, коли з'явилася людина.

З іншого боку, були й такі люди, як грецький філософ Арістотель, яким не правилася думка, що Всесвіт коли то виникла. Вони відчували, що це має на увазі божественне втручання, і воліли вірити, що Всесвіт існував завжди і буде існувати завжди. Існуюче вічно досконаліше того, що довелося створити. У них була відповідь на наведений вище аргумент про людський прогрес: повені та інші природні катаклізми періодично відкидали людство назад, до початку.

Спільним було те думка, що з часом Всесвіт істотно не змінюється. Чи вона була створена в тому вигляді, як є зараз, або просто завжди була такою. Так вважати було природно, оскільки людське життя коротке і між народженням і смертю Всесвіт значно не змінювалася. У статичне, незмінною Всесвіту питання про те, чи існувала вона завжди або була створена кінцевий час назад, важливий для метафізики і релігії - обидві можуть зайнятися такою Всесвіту. Справді, в 1781 році філософ Іммануїл Кант написав монументальний і вельми туманний працю «Критика чистого розуму», в якому зробив висновок, що є одно здорові аргументи як на користь того, що Всесвіт має початок, так і того, що почала в неї немає . Як припускає назву, його умовиводи грунтувалися на «чистому розумі» - іншими словами, ніякі спостереження Всесвіту в розрахунок не приймалися. Зрештою, що спостерігати в незмінній Всесвіті?

Однак в XIX столітті стали накопичуватися свідчення, що Земля і решта Всесвіт насправді з часом змінюються. Геологи зрозуміли, що формації скель і скам'янілості налічують сотні і тисячі мільйонів років. Це значно перевершувало розрахунки прихильників створення світу. Подальші свідоцтва надійшли від так званого другого закону термодинаміки, сформульованого німецьким фізиком Людвігом Больцманом. Цей закон стверджує, що загальна кількість безладу у Всесвіті (цю величину називають ентропією) з часом тільки зростає. Це, як і аргумент щодо прогресу людства, припускає, що Всесвіт розвивається лише якийсь кінцевий час. Інакше вона б вже деградувала до стану повного безладдя, де все мало б одну і ту ж температуру

Інша проблема в ідеї про статичної Всесвіту полягала в тому, що, згідно Ньютонова закону тяжіння, кожна зірка у Всесвіті повинна притягатися до всіх інших. А якщо так, як же вони можуть залишатися нерухомими, на постійній відстані один від одного? Не повинні вони зібратися всі разом?

Ньютон усвідомлював цю проблему. У листі Річарду Бентлі, що веде філософу того часу, він погодився, що кінцеве число зірок не може залишатися нерухомим, - вони всі притягли б до якоїсь центральної точки. Однак, заперечив він, нескінченне число зірок не зібралося б разом, оскільки для них немає ніякої центральної точки. Цей аргумент є прикладом того, скільки пасток можна зустріти, кажучи про нескінченні системи. Пробуючи по різному докласти до кожної зірку сили від нескінченного числа інших зірок у Всесвіті, можна отримати різні відповіді па запитання, чи можуть зірки залишатися па постійній відстані один від одного. Тепер ми знаємо, що правильно буде розглянути випадок кінцевої області зірок, а потім додавати інші, розподілені приблизно рівномірно за межами цієї області. Кінцеве кількість зірок, відповідно до закону Ньютона, збереться разом, і додавання інших зірок за межами області не зупинить колапсу. Таким чином, нескінченна кількість зірок не може залишатися нерухомим. Якщо вони хоч на мить зупиняться відносно один одного, взаємне притягання змусить їх почати падати один на одного. Або ж вони можуть рухатися один від одного, і сила тяжіння уповільнює швидкість їх видалення.

Враховуючи всі проблеми в ідеї про статичну і незмінною Всесвіту, ніхто в XVII, XVIII, XIX і початку XX століття не припускав, що з часом вона може отримати свій розвиток. І Ньютон і Ейнштейн упустили шанс передбачити, що Всесвіт повинен або стискатися, пли розширюватися. Ньютона не можна в цьому дорікнути, оскільки він жив за 250 років до того, як спостереження виявили її розширення, але Ейнштейну було б це знати. Загальна теорія відносності, сформульована ним у 1915 році, передбачила, що Всесвіт повинен розширюватися. Але він як і раніше був так переконаний у її статичності, що додав до своєї теорії елемент, примирювальний її з теорією Ньютона і врівноважує гравітацію.

Відкрите в 1929 році Едвіном Хабблом розширення Всесвіту повністю змінило характер дискусії про її походження. Якщо взяти сучасні відомості про галактиках і пустити час назад, виявиться, що десь між десятою та двадцятьма мільярдами років тому вони всі були в купі. У цей час, під час вибуху сингулярності, званого Великим Вибухом, щільність Всесвіту і викривлення простору часу повинні були бути нескінченними. У таких умовах всі відомі наукові закони повинні були порушуватися. Для науки це катастрофа. Це означало б, що наука сама по собі не може передбачити, як виник Всесвіт. Наука могла б сказати лише, що «Всесвіт така, яка вона є, тому що вона була такою, якою була». Але наука не могла б сказати, чому відразу після Великого Вибуху Всесвіт був такий, якою була.

Нічого дивного, що багатьох учених не влаштовував такий висновок, і тому було зроблено декілька спроб уникнути висновку, що стався Великий Вибух сингулярності і з нього почався час. Однією з теорій була так звана теорія стійкого стану. Ідея полягала в тому, що, коли галактики розліталися один від одного, в просторі між ними з постійно створювалася матерії виникали нові галактики. Тоді Всесвіт міг би існувати вічно майже в тому ж стані, якою вона сьогодні.

Щоб Всесвіт продовжувала розширюватися і створювалася нова матерія, теорія стійкого стану вимагала дещо змінити загальну теорію відносності, але швидкість створення матерії, згідно з нею, повинна була бути дуже низькою - приблизно одна частинка на кубічний кілометр на рік, що не суперечило спостереженнями. Теорія також пророкувала, що середня щільність галактик і схожих об'єктів повинна бути постійною і в часі, і в просторі. Однак спостереження джерел радіохвиль поза нашої Галактики, проведене Мартіном Райлі і його групою в Кембриджі, показало, що слабких джерел більше, ніж сильних. В середньому можна було б очікувати, що слабкі джерела - це більш віддалені. Тут було дві можливості: або ми знаходимося в області Всесвіту, де сильні джерела зустрічаються рідше, ніж в середньому але Всесвіту, або щільність джерел була вище в минулому, коли світло відправився до нас з більш віддалених джерел. Жодна з цих можливостей не стикувалася з передбаченнями теорії стійкого стану, що передбачає, що щільність радіоджерел повинна бути постійною в просторі та часі. Остаточним ударом по цій теорії стало відкриття, зроблене в 1964 році Арно Пенціасом і Робертом Вілсоном щодо походження мікрохвильового випромінювання, що виходить з віддалених областей поза нашої Галактики. Воно мало характерний спектр випромінювання, що виходить від гарячого тіла, хоча в даному випадку термін «гаряче» навряд чи доречний, оскільки мова йде про температуру 2,7 градуса вище абсолютного нуля. Всесвіт - холодне, темне місце! У теорії стійкого стану не було ніякого осмисленого механізму для породження мікрохвиль з таким спектром. Тому від неї довелося відмовитися.

Іншу ідею, обходиться без Великого Вибуху сингулярності, запропонували в 1963 році двоє вчених з Росії - Євген Ліфшиц та Ісаак Халатников. Вони говорили, що стан нескінченної щільності може мати місце, тільки якщо галактики рухаються строго один до одного або один від одного - лише в цьому випадку коли то в минулому вони могли бути всі разом. Але галактики мають і деяку швидкість в сторону, і це дає можливість припустити, що в минулому була якась фаза стиснення Всесвіту, коли галактики знаходилися дуже близько один від одного, але якимось чином зуміли не зіткнутися. У такому разі Всесвіт міг почати розширення, минувши фазу нескінченної щільності.

Коли Ліфшиц і Халатников зробили своє припущення, я був аспірантом і підшукував тему для дисертації. Мене зацікавило, чи стався в минулому Великий Вибух сингулярності, оскільки це питання було вирішальним для розуміння походження Всесвіту. Разом з Роджером Пенроузом ми розробили ряд нових математичних прийомів, щоб оперувати з цією і схожими проблемами. Ми показали, що, якщо загальна теорія відносності правильна, будь-яка осмислена модель Всесвіту повинна починатися з сингулярності, а значить, наука може сказати, що Всесвіт повинна була мати початок, але не може сказати, як вона повинна була початися, - для цього потрібно звернутися до Бога.

Було цікаво спостерігати зміну ставлення до сингулярності. Коли я вчився на останньому курсі університету, майже ніхто не сприймав їх серйозно. Тепер, завдяки теоремам сингулярності, майже всі вірять, що Всесвіт виник з сингулярності, де фізичні закони порушуються. Однак тепер вже я думаю, що, хоча сингулярності і сушествуют, фізичні закони все ж можуть визначити, як виник Всесвіт.

Загальна теорія відносності - це так звана класична теорія, тобто вона не приймає до уваги той факт, що частки не мають точно певного положення і швидкості, а «розмазані» по маленькій області простору принципом невизначеності квантової механіки, який не дозволяє одночасно виміряти і положення , і швидкість. У звичайних ситуаціях це не має великого значення, тому що радіус викривлення простору часу дуже великий у порівнянні з невизначеністю положення частинки. Однак теореми сингулярності показують, що на початку цієї фази розширення Всесвіту простір час було сильно деформовано, з малим радіусом викривлення. У цій ситуації принцип невизначеності дуже важливий. Таким чином, загальна теорія відносності, пророкуючи сингулярності, можна сказати, веде до власного. краху. Щоб обговорювати походження Всесвіту, нам потрібна теорія, що поєднує загальну теорію відносності та квантову механіку.

Такою є теорія квантової гравітації. Ми ще точно не знаємо, яку форму прийме правильна теорія квантової гравітації. Кращим кандидатом з наявних зараз є теорія сверхструн, але в ній ще є ряд невирішених проблем. Однак можна припустити, які властивості будуть існувати в будь життєздатної теорії. Одне з них - ідея Ейнштейна про те, що вплив гравітації можна представити як викривлення чи обурення (спотворення) простору часу матерією і закладеною в ній енергією. Об'єкти прагнуть слідувати за найближчим тілом по прямій у викривленому просторі. Однак, оскільки воно викривлено, їхньому шляху виявляються вигнутими мовби гравітаційним полем.

Інший очікуваний елемент остаточної теорії - це припущення Річарда Фейнмана щодо того, що квантову теорію можна сформулювати як «суму передісторію». У простій формі ідея полягає в тому, що кожна частка має всі можливі шляхи, або історії, у просторі часу. Кожен шлях, або історія, має якусь ймовірність, що залежить від його форми. Щоб ця ідея запрацювала, потрібно розглянути історії у уявний, а не в реальному часі, де ми нібито живемо. Термін «уявне час» нагадує нам наукову фантастику, але насправді це добре опрацьована математична концепція. У певному сенсі уявне час можна уявити напрямком часу, перпендикулярним до реального часу. Складаються ймовірності всіх передісторії частки з певними властивостями, такими як проходження через певні точки в певний час. Потім потрібно екстраполювати результат назад в реальний простір час, в якому ми живемо. Це не самий відомий підхід до квантової теорії, але він дає ті ж результати, що й інші методи.

У разі квантової гравітації ідея Фейнмана про суму історій включає підсумовування всіляких історій по Всесвіту - тобто різних викривлених просторів часів. Вони являють собою історію Всесвіту і всього сущого в ній. Тут доведеться визначити, який клас з можливих викривлених просторів включати в суму історій. Вибір цього класу просторів визначає, в якому стані знаходиться Всесвіт. Якщо в клас викривлених просторів, що визначає стан Всесвіту, увійдуть простору з сингулярностями, то ймовірність існування таких просторів не вдасться визначити теорією. Замість цього ймовірностям доведеться присвоїти значення деяким довільним чином. Це означає, що наука не може передбачити ймовірності таких сингулярних історій для простору часу. Таким чином, вона не може сказати, як Всесвіт повинна себе вести. Можливо, однак, що Всесвіт перебуває в стані, що визначається сумою, що включає в себе тільки несінгулярние викривлені простору. У такому випадку наукові закони пояснять Всесвіт повністю, і щоб визначити, як вона виникла, не потрібно буде звертатися до якоїсь зовнішньої по відношенню до неї силі. Припущення, що стан Всесвіту визначається сумою тільки несінгулярних історій, в якійсь мірі нагадує ситуацію з п'яним, що шукають свої ключі під ліхтарем: можливо, він втратив їх не там, але це єдине місце, де їх можна знайти. Аналогічно, Всесвіт може бути в стані, що визначається сумою не тільки несінгулярних історій, але це єдине її стан, в якому наука може передбачити, якою вона буде.

У 1983 році Джим Хартл і я запропонували отримувати стан Всесвіту як суму певного класу історій. Цей клас складався з викривлених просторів без сингулярностей, просторів кінцевого розміру, але не мають країв і кордонів, на зразок земної поверхні, але з ще двома вимірами. Земна поверхня має кінцеву площу, але не має сингулярностей, країв і кордонів. Я перевірив це експериментально: об'їхав навколо Землі і ніде з неї не впав.

Пропозиція, зроблена Хартлі і мною, можна перефразувати так: «Граничним умовою Всесвіту є те, що вона не має меж». Тільки якщо Всесвіт знаходиться в безмежному стані, наукові закони самі по собі визначають ймовірності кожної можливої ​​історії. Таким чином, тільки в цьому випадку відомі закони визначать, як поведе себе Всесвіт. Якщо вона знаходиться в якомусь іншому стані, клас викривлених просторів в сумі історій включить простору з сингулярностями. Щоб визначити ймовірності таких сингулярних історій, потрібно закликати якийсь інший принцип, відмінний від відомих наукових законів. Цей принцип буде чим то зовнішнім по відношенню до Всесвіту. Ми не можемо вивести його з чого то всередині неї. З іншого боку, якщо Всесвіт знаходиться в безмежному стані, теоретично ми могли б повністю визначити, як вона поведеться, з точністю, обмеженої принципом невизначеності.

Безперечно, для науки було б добре, якби Всесвіт був в безмежному стані, але як ми можемо сказати, чи це так? Відповідь полягає в тому, що з припущення про безмежність Всесвіту випливають деякі передбачення щодо того, як Всесвіт повинна себе вести. Якби всі ці пророкування не узгоджувалися із спостереженнями, ми могли б зробити висновок, що Всесвіт не знаходиться в безмежному стані. Таким чином, припущення безмежності - це гарна наукова теорія в сенсі, визначеному філософом Карлом Поппером: її можна спростувати спостереженням.

Якщо спостереження не зійдуться з прогнозами, ми дізнаємося, що в класі можливих історій повинні бути сингулярності. Однак це майже і все, що ми дізнаємося. Ми не зможемо розрахувати ймовірності сингулярних історій, а значить, не зможемо передбачити, як Всесвіт повинна себе вести. Можна подумати, що ця непередбачуваність не так вже багато значить, якщо вона мала місце лише під час Великого Вибуху, - адже це було десять чи двадцять мільярдів років тому. Але якщо передбачуваність порушилася в дуже сильному гравітаційному іоле при Великий Вибух, вона також порушиться і при колапсі кожної зірки. Це може траплятися кілька разів на тиждень тільки в нашій Галактиці, і наша здатність передбачати виявиться мала навіть за стандартами метеопрогнозів.

Звичайно, можна сказати, що немає потреби турбуватися про порушення передбачуваності на далеких зірках. Однак у квантовій теорії все, що повністю не виключено, може трапитися і станеться. Отже, якщо клас можливих історій включає простору з сингулярностями, ці сингулярності можуть виявитися де завгодно - не тільки при Великий Вибух або колапс зірки. І навпаки, той факт, що ми можемо передбачити події, - це експериментальне свідчення проти сингулярностей і за припущення безмежності.

Так що ж пророкує для Всесвіту припущення безмежності? Перш за все, оскільки всі можливі історії для Всесвіту в якійсь мірі кінцеві, будь-яка величина, яка використовується для вимірювання часу, матиме найбільше і найменше значення. Отже, Всесвіт буде мати початок і кінець. Початком в реальному часі буде Великий Вибух сингулярності. Однак початок у уявному часу не буде сингулярність, а буде віддалено нагадувати Північний полюс на Землі. Якщо за аналог часу взяти довготу на поверхні часу, то можна сказати, що поверхня Землі починається з Північного полюса. І все ж Північний полюс - це звичайнісінька точка на Землі. Точно так само подія, якій ми хочемо присвоїти ім'я «початок Всесвіту в уявному часу», буде звичайної точкою простору часу, такий самий, як інші. Наукові закони будуть виконуватися на початку так само, як і де небудь ще.

За аналогією з поверхнею Землі можна очікувати, що кінець Всесвіту буде нагадувати початок, так само як Північний полюс нагадує Південний. Однак Північний і Південний полюси співвідносяться з початком і кінцем історії Всесвіту в уявному часу, а не в реальному, в якому ми живемо. Якщо екстраполювати результати підсумовування історій у уявному часу на реальний час, виявиться, що початок Всесвіту в реальному часі може сильно відрізнятися від її кінця.

Разом з Джонатаном Галлівеллом ми провели приблизний розрахунок, що ж тягне за собою умова безмежності. Ми оперували із Всесвітом як з абсолютно гладким і одноманітним тлом, на якому є малі обурення щільності. У реальному часі може представитися, що Всесвіт почала розширюватися з дуже маленького радіуса. По-перше, розширення буде, так би мовити, інфляційним, тобто розмір Всесвіту буде подвоюватися за крихітну частку секунди, як ціни в деяких країнах подвоюються щороку. Світовий рекорд економічної інфляції, імовірно, поставила Німеччина після Першої світової війни, коли ціна буханця хліба підскочила за місяць від однієї марки до мільйона. Але це ніщо в порівнянні з інфляцією, що сталася при виникненні Всесвіту: її розмір збільшувався в геометричній прогресії з коефіцієнтом мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів разів за крихітну частку секунди. Звичайно, це було ще до приходу нинішнього уряду.

Інфляція була хороша тим, що справила Всесвіт, гладку і одноманітну у великому масштабі, яка, щоб уникнути повторного колапсу, розширювалася з критичною швидкістю. Інфляція також була хороша тим, що виробляла весь вміст Всесвіту буквально з нічого. Коли Всесвіт був одиночної точкою зразок Північного полюса, в ній не було нічого, а тепер у тій частині Всесвіту, що ми можемо спостерігати, міститься щонайменше 10 ^ 80 частинок. Звідки ж узялися всі ці частинки? Відповідь полягає в тому, що теорія відносності і квантова механіка дозволяють матерії виникати з енергії у формі пар частка античастинка. А звідки взялася енергія на створення цієї матерії? Відповідь така: вона була запозичена з гравітаційної енергії Всесвіту. Всесвіт взяла в борг величезну кількість негативної гравітаційної енергії, яка точно зрівноважила позитивну енергію матерії. Під час інфляції Всесвіт робила величезні борги у гравітаційної енергії, щоб фінансувати створення нової матерії. У результаті перемогла кейнсіанська економіка: вийшла сильна експансивна Всесвіт, повна матеріальних об'єктів. А борг гравітаційної енергії не буде погашений до кінця Всесвіту.

Рання Всесвіт не могла бути абсолютно однорідною і рівномірною, тому що це порушило б існуючий у квантовій механіці принцип невизначеності. У ній повинні були бути відхилення від рівномірної щільності. Припущення безмежності увазі, що ці відмінності в щільності є вже в своєму первісному стані, тобто вони, згідно з принципом невизначеності, повинні бути наскільки можливо малі. Однак протягом інфляційного розширення ці відмінності будуть збільшуватися. Коли період інфляційного розширення закінчиться, ми опинимося у Всесвіті, яка подекуди розширюється швидше, а яке де повільніше. В областях повільнішого розширення гравітаційне тяжіння матерії буде сповільнювати подальше розширення. Зрештою, такі області припинять розширюватися і стиснуться у вигляді галактик і зірок. Отже, припущення безмежності дозволяє пояснити всі складні структури, які ми бачимо навколо. Проте воно не може дати для Всесвіту одного єдиного передбачення, а дає ціле сімейство можливих історій, кожна зі своєю ймовірністю. Можлива історія, в якій на останніх виборах у Великобританії перемогла лейбористська партія, хоча ймовірність такої історії мала.

Припущення безмежності має глибокий сенс для оцінки ролі Бога в справах Всесвіту. Тепер в основному визнано, що Всесвіт розвивається відповідно до чітко певними законами. Ці закони могли бути встановлені Богом, але, схоже, Він більше не втручається в життя Всесвіту, щоб їх порушити. Справа Бога було завести годинник і запустити її так, як Йому заманулося; в такому разі нинішній стан Всесвіту було б результатом Божого вибору початкових умов.

Однак якщо щось на кшталт припущення безмежності вірно, ситуація була б зовсім іншою. У цьому випадку закони фізики виконувалися б навіть при виникненні Всесвіту, і Бог не мав би свободи вибору початкових умов. Звичайно, Він все одно міг би довільно вибрати закони, правлячі Всесвіту, однак у Нього не було б великого вибору. Могло б бути лише невелике число несуперечливих законів, які привели б до виникнення таких складних істот, як ми, щоб задатися питанням: яка природа Бога?

І навіть якщо існує всього одне безліч можливих законів, це всього лише безліч рівнянь. Що ж вдихає в рівняння життя і створює Всесвіт, щоб вони управляли нею? Ця остаточна єдина теорія так потужна, що стала причиною власного існування? Хоча наука може вирішити питання, як Всесвіт виник, вона не може відповісти, чому Всесвіт з'явилася. На це питання я відповіді не знаю.

10. Квантова механіка і чорні діри ¹⁵

Перші тридцять років XX століття стали свідками появи трьох теорій, радикально змінили погляд людини на фізику і на саму реальність. Фізики все ще намагаються вивчити і зібрати воєдино їх наслідки. Ці три теорії - спеціальна теорія відносності (1905), загальна теорія відносності (1915) і теорія квантової механіки (1926). Альберт Ейнштейн у великій мірі розробив першу, повністю створив другу і зіграв значну роль у розвитку третьої. І все ж Ейнштейн ніяк не міг прийняти квантову механіку через наявність у ній елемента випадковості і невизначеності. Його почуття виразилися в часто цитованої фразою: «Бог не грає в кості». Однак більшість фізиків з готовністю прийняли і спеціальну теорію відносності, і квантову механіку, тому що ці теорії описували прямо спостережувані ефекти. Загальну ж теорію відносності більшість залишили без уваги, тому що вона представлялася дуже складною у математичному сенсі, її було не перевірити в лабораторії, і це була чисто класична теорія, тобто здавалося, що вона не стикується з квантовою механікою. Тому загальна теорія відносності була в загоні майже п'ятдесят років.

Величезне розширення астрономічних спостережень, що почалося в шістдесятих роках, стало причиною відродження інтересу до класичної теорії відносності, оскільки виявилося, що багато раніше невідомі явища, такі як квазари, пульсари і компактні джерела рентгенівського випромінювання, говорять про існування дуже сильних гравітаційних полів, описати які може лише загальна теорія відносності. Квазари - це схожі на зірки об'єкти, які повинні бути в кілька разів яскравіше цілих галактик, якщо вони справді видалені на ту відстань, про який говорить зміщення їх спектру до червоного краю; пульсари - це швидко миготливі залишки вибуху наднової, імовірно надщільним нейтронні зірки; компактні джерела рентгенівського випромінювання, відкриті приладами з космічних кораблів, можуть бути теж нейтронними зірками або, можливо, гіпотетичними об'єктами ще більшої щільності, а саме чорними дірами.

Однією з проблем, з якою зіткнулися фізики, які намагались застосувати загальну теорію відносності до цих відкритим або гіпотетичним об'єктах, стали спроби зістикувати її з квантовою механікою. За останні кілька років були проведені роботи, що дають надію на те, що не так далеко час, коли ми отримаємо повну несуперечливу теорію гравітації, узгоджується із загальною теорією відносності для макроскопічних об'єктів і, можна сподіватися, вільну від математичних бесконечностей, що переслідують інші квантові теорії поля . Ці роботи засновані на деяких недавно відкритих квантових ефектах, що мають відношення до чорних дірок, що забезпечує чудову зв'язок чорних дір з законами термодинаміки.

Дозвольте мені коротко описати, як могли виникнути чорні діри. Уявіть собі зірку з масою в десять разів більше сонячної. Більшу частину свого життя, тобто близько мільярда років, зірка генерує в своїх надрах тепло, перетворюючи водень в гелій. Вивільнена енергія створює достатній тиск, щоб врівноважувати створену зіркою силу тяжіння і підтримувати розміри зірки з радіусом приблизно в п'ять разів більше сонячного. Швидкість для відриву від поверхні такої зірки буде близько 1000 км / с. Тобто об'єкт, вистреленний з поверхні зірки вертикально вгору зі швидкістю менше 1000 км / с, буде притягнутий гравітаційним полем зірки назад і повернеться на поверхню, у той час як об'єкт, що вилетів з більшою швидкістю, полетить у нескінченність.

Коли зірка виробить все своє ядерне паливо, ніщо вже не зможе підтримувати внутрішній тиск, і під дією власної сили тяжіння вона почне стискатися. У міру стиснення зірки сила тяжіння на її поверхні стає все більше і необхідна для відриву швидкість зростає. Коли радіус зменшиться до 30 км, необхідна для відриву швидкість досягне 300 000 км / с - швидкості світла. Після цього ніякої світло, що випускається зіркою, не зможе піти у нескінченність, а буде притягатися назад гравітаційним полем. Згідно спеціальної теорії відносності, ніщо не може рухатися швидше за світло, так що якщо не може вирватися світло, то не може і ніщо інше.

У результаті виходить чорна діра - область простору часу, звідки ніщо не може полетіти в нескінченність. Межі чорної діри називаються горизонтом подій. Він відповідає фронту тих світлових хвиль від зірки, яким не вдалося полетіти в нескінченність, але які й не впали назад, а ширяють на радіусі Шварцшильда: 2 GM / c, де G - гравітаційна константа ньютонова, М - маса зірки, а с - швидкість світла. Для зірки приблизно в десять мас Сонця радіус Шварцшильда складає близько 30 км.

Існують досить переконливі спостереження, що дозволяють припустити, що чорні діри приблизно такого розміру існують як джерело рентгенівського випромінювання в системі подвійної зірки, відомої під ім'ям XI Лебедя. Може бути також величезна безліч розкиданих по Всесвіту дуже маленьких чорних дір, які утворилися в результаті колапсу не зірки, а сильно стислій області в гарячій щільному середовищі, імовірно існувала незабаром після Великого Вибуху, з якого виник Всесвіт. Такі «первісні» чорні діри представляють величезний інтерес з точки зору їх квантового ефекту, який я опишу нижче. Чорна діра вагою в мільярд тонн (приблизно маса гори) мала б радіус близько 10 13 сантиметрів (розмір нейтрона або протона). Вона могла б рухатися по орбіті навколо Сонця або центру Галактики.

Перший натяк, що між чорними дірами і термодинамікою може існувати зв'язок, зробило математичне відкриття 1970 року, стверджує, що площа поверхні горизонту подій, меж чорної діри, має властивість завжди зростати, коли в чорну діру падає додаткова матерія або випромінювання. Більше того, якщо дві чорні діри зіштовхнуться і зіллються в одну, площа горизонту подій навколо цієї нової чорної діри буде більше, ніж сума площ двох початкових. Ці властивості припускають, що між площею горизонту подій чорної діри і поняттям ентропії в термодинаміці існує подібність. Ентропію можна розглядати як міру безладу системи або, що те ж саме, як брак знань про її точний стан. Знаменитий другий закон термодинаміки говорить, що ентропія з часом завжди зростає.

Аналогію між властивостями чорної дірки і законами термодинаміки розширили Джеймс М. Бардін з Вашингтонського університету, Брендон Картер, який працює зараз в Мьюдонской обсерваторії, і я. Перший закон термодинаміки говорить, що мала зміна ентропії системи супроводжується пропорційним зміною енергії системи. Коефіцієнт пропорційності називається температурою системи. Бардін, Картер і я знайшли схожий закон, що стосується зміни маси чорної діри і площі горизонту подій. Тут коефіцієнтом пропорційності є величина, яка називається поверхневою гравітацією, яка є мірою сили гравітаційного поля на горизонті подій. Якщо допустити, що площа горизонту подій аналогічна ентропії, то поверхнева гравітація виявиться аналогічної температурі. Подібність посилюється тим фактом, що поверхнева гравітація виявляється однаковою у всіх точках горизонту подій, так само як при тепловій рівновазі температура однакова по всьому тілу.

Хоча між ентропією і площею горизонту подій існує явне подібність, нам не очевидно, як площу можна ототожнювати з ентропією чорної діри. Що для чорної діри означає ентропія? Вирішальне припущення зробив у 1972 році Якоб Д. Бекенштейн, який навчався тоді на останньому курсі Прінстонського університету, а нині працює в Негевском університеті в Ізраїлі. Суть приблизно така: коли в результаті гравітаційного колапсу виходить чорна діра, вона швидко встановлюється в стаціонарний стан, що характеризується всього трьома параметрами: масою, моментом імпульсу і електричним зарядом. Крім цих трьох, чорна діра не зберігає ніяких інших властивостей сжавшегося об'єкта. Даний висновок, відоме як теорема «Чорна діра не має волосся», було підтверджено нашою спільною роботою з Брендоном Картером, Вернером Ізраель з Альбертського університету і Девідом К. Робінсоном з лондонського Кінгс коледжу.

З теореми про відсутність волосся випливає, що при гравітаційному колапсі втрачається великий обсяг інформації. Наприклад, остаточне стан чорної діри не залежить від того, складалося чи зіщулена тіло з матерії або антиматерії, чи було воно круглим або зовсім неправильної форми. Іншими словами, чорна діра даної маси, моменту імпульсу та електричного заряду може утворитися в результаті колапсу будь-якої однієї або безлічі різних конфігурацій матерії. Справді, якщо знехтувати квантовими ефектами, число конфігурацій могло б бути нескінченним, оскільки чорна діра може бути утворена в результаті колапсу цілої хмари нескінченного числа частинок з нескінченно малою масою.

З принципу невизначеності в квантовій механіці, проте, випливає, що частинка з масою т веде себе як хвиля з довжиною h / mc, де h - постійна Планка (мале число 6,62 х 10 ^ 27 ерг секунд), а с - швидкість світла . Щоб хмара частинок змогло стиснутися в чорну діру, необхідно, щоб ця довжина хвилі була меншою, ніж розмір отриманої чорної діри. Таким чином виявляється, що число початкових станів, з яких може сформуватися чорна діра з даними масою, моментом імпульсу і електричним зарядом, хоча і дуже велике, може бути кінцевим. Бекенштейн припустив, що логарифм цього числа можна інтерпретувати як ентропію чорної діри. Логарифм цього числа буде мірою кількості інформації, безповоротно втрачається за горизонтом подій під час колапсу при виникненні чорної діри. Очевидним недоліком у припущенні Бекенштейна була та обставина, що якщо чорна діра має кінцеву ентропію, пропорційну площі її горизонту подій, вона повинна мати і кінцеву температуру, пропорційну її поверхневої гравітації. З цього можна зробити висновок, що чорна діра знаходиться в рівновазі з тепловим випромінюванням при деякій ненульовий температурі. Проте згідно класичної концепції така рівновага неможливо, оскільки чорна діра поглинула б будь впало на неї теплове випромінювання, але за визначенням не змогла б виділити нічого натомість.

Цей парадокс залишалося невирішеним до 1974 року, коли я досліджував, як буде вести себе матерія поблизу чорної діри згідно квантової механіки. До свого великого здивування, я виявив, що чорна діра постійно випускає частки. Як і все в той час, я приймав без сумнівів, що чорна діра не може нічого випускати. Тому я витратив дуже багато зусиль, намагаючись позбавитися від такого приголомшливого ефекту. Однак він відмовлявся зникати, і врешті-решт мені довелося його визнати. Але що мене остаточно переконало в реальності цього фізичного процесу, так це той факт, що вилітають частинки мали в точності теплової спектр: чорна діра створює і виділяє частки, як звичайне гаряче тіло з температурою, пропорційної поверхневої гравітації і обернено пропорційною масі. Це зробило припущення Бекенштейна про кінцеву ентропії чорної діри повністю несуперечливим, оскільки виходило, що чорна діра може знаходитися в термічному рівновазі при деякій відмінною від нуля температурі.

З тих пір математична строгість того, що чорна діра може випромінювати тепло, була доведена багатьма іншими людьми з безліччю різних підходів. Один із способів зрозуміти це полягає в наступному. Квантова механіка стверджує, що весь простір заповнений парами з «віртуальних» частинок і античастинок, які постійно матеріалізуються в пари, розділяються, а потім з'єднуються знову і взаємно знищуються (анігілюють). Ці частинки називаються «віртуальними» на відміну від реальних, тому що їх не можна спостерігати прямо, за допомогою детектора часток. Їх непрямий ефект, тим не менш, можна виміряти, і існування таких часток було підтверджено невеликим зсувом («зміщенням Ламба»), внесеним ними в спектр світла від збуджених атомів водню. Тепер, за наявності чорної діри, один член такої пари «віртуальних» частинок може впасти б дірку, залишивши іншого без партнера для анігіляції. Залишена на самоті частка або античастинка може впасти в чорну діру слідом за партнером, але може і полетіти в нескінченність, де здасться випромінюванням чорної діри.

Інший спосіб поглянути на цей процес - вважати члена пари частка античастинка, що падає в чорну діру (скажімо, античастинку), реальною часткою, але йде по часу у зворотному напрямку. Таким чином, античастинку, падаючу в чорну дірку, можна розглядати як частку, що вилітають з чорної діри, але в зворотному часу. Досягнувши точки, в якій пара частка античастинка спочатку матеріалізувалася, вона розсіюється гравітаційним полем так, щоб рухатися за часом у прямому напрямку.

Таким чином, квантова механіка дозволяє частці вирватися з чорної діри, чого не допускає класична механіка. Проте в ядерній і атомній фізиці є багато інших ситуацій, коли існує певний бар'єр, який за класичним принципам частки подолати не можуть, але через який можуть прокласти тунель згідно з принципами квантової механіки.

Товщина бар'єру навколо чорної діри пропорційна розміру чорної діри. Отже, тільки дуже небагато частинки можуть вирватися з такої великої чорної діри, якою імовірно є XI Лебедя, але з чорних дір поменше частинки можуть просочуватися дуже швидко. Ретельні розрахунки показують, що випущені частинки мають теплової спектр, відповідний температурі, зростаючої з тією ж швидкістю, з якою убуває маса чорної діри. Температура чорної діри з масою Сонця становить усього лише одну десятимільйонна градуси щодо абсолютного нуля. Теплове випромінювання, яка покидає чорну діру з такою температурою, абсолютно поглинулося б радіаційним фоном Всесвіту. З іншого боку, чорна діра з масою всього мільярд тонн, тобто первісна чорна діра розміром приблизно з протон, мала б температуру близько 120 мільярдів градусів Кельвіна, що відповідає енергії в кілька десятків мільйонів електрон вольт. При такій температурі чорна діра могла б породжувати електронно позитронного пари і частки кульової маси, такі як фотони, нейтрино і Гравітон (імовірно несуть гравітаційну енергію). Первісна чорна діра виділяла б енергію з потужністю близько 6000 мегават, що дорівнює потужності шести великих ядерних електростанцій.

Оскільки чорна діра випускає частинки, її маса і розміри постійно зменшуються. Це полегшує іншим часткам можливість виконати тунель назовні, і тому емісія буде продовжуватися, постійно зростаючи, поки врешті-решт чорна діра не зійде нанівець. Таким чином, в кінцевому підсумку всі чорні діри у Всесвіті випаруються, проте для цього знадобиться дійсно довгий час: чорна діра з масою Сонця проіснує 10 ^ 66 років. З іншого боку, первісна чорна діра повинна майже повністю випаруватися за десять мільярдів років, що минуло з часу Великого Вибуху, коли, як нам відомо, виник Всесвіт. Такі чорні діри тепер повинні випускати жорстке гамма випромінювання з енергією близько 100 мільйонів електрон вольт.

Підрахунки, зроблені Доном Н. Пейджем, що працював тоді в Каліфорнійському технологічному інституті, і мною, грунтувалися на вимірах космічного фону гамма радіації з супутника SAS 2 і показали, що середня щільність первісних чорних дір повинна була бути менше, ніж приблизно двісті дір на кубічний світловий рік. Локальна щільність у нашій Галактиці могла бути в мільйон разів більше цієї величини, якби первісні чорні діри сконцентрувалися в «гало» галактик - тонкому хмарі швидко рухомих зірок, куди занурена кожна галактика, - а не розподілилися б рівномірно по всьому Всесвіті. З цього випливає, що найближча до Землі первісна чорна діра, ймовірно, перебуває щонайменше на тій же відстані, що і Плутон.

Остання стадія випаровування чорної діри відбувається так швидко, що закінчується страшним вибухом. Яка потужність цього вибуху, залежить від того, як багато в чорній дірі різновидів елементарних частинок. Якщо, згідно поширеній зараз думку, всі частинки складаються з шести різновидів кварків, в останньому вибуху виділиться енергія, що дорівнює енергії майже десяти мільйонів водневих бомб потужністю в одну мегатонну кожна. З іншого боку, альтернативна теорія, висунута Р. Хейдждорном з CERN, Європейської організації з ядерних досліджень в Женеві, стверджує, що існує нескінченна безліч елементарних частинок все більшої маси. У міру того як чорна діра робиться все менше і гаряче, вона випускає все більше і більше різноманітних частинок, і, можливо, вибух виявиться в 100 000 разів могутніше, ніж розрахований на основі кваркової гіпотези. Тому спостереження вибуху чорної діри дало б нам дуже цінну інформацію про фізику елементарних часток - інформацію, яку не одержати ніяким іншим способом.

Вибух чорної діри зробить потужний викид високоенергетичних гамма випромінювання. Хоча його можна помітити детекторами гамма променів на супутниках або повітряних кулях, було б непросто запустити детектор достатнього розміру, щоб отримати суттєвий шанс вловити значне число гамма фотонів від одного вибуху. Можливо, коли-небудь за допомогою космічного човника вдасться побудувати великий детектор гамма променів на орбіті, але легшою і дешевою альтернативою було б використовувати як детектора верхні шари земної атмосфери. Високоенергетичних гамма промені, входячи в атмосферу, зроблять злива електронно позитронних пар, які спочатку будуть проходити через атмосферу зі швидкістю вище за швидкість світла (світло сповільнюється взаємодією між молекулами). Таким чином, електрони і позитрони вироблять щось на кшталт звукового бар'єру, начебто ударної хвилі в електромагнітному полі. Таку ударну хвилю, яка називається випромінюванням Черепкова, можна виявити за землі як зриму світлову спалах.

Попередні експерименти Нейла А. Портера і Тревора К. Вікса з дублінського Юніверсіті коледжу показали, що, якщо чорні діри вибухають так, як передбачає теорія Хейдждорна, за століття в нашій області Галактики трапляється менше двох вибухів чорної діри на кубічний світловий рік. З цього випливає, що щільність первісних чорних дір менше, ніж 100 мільйонів дір на кубічний світловий рік.

Напевно, існує можливість значно збільшити чутливість таких спостережень, і навіть якщо вони не дадуть жодного позитивного свідоцтва про первісних чорних дірах, то все одно будуть являти собою велику цінність. Якщо спостереження встановлять низький верхня межа щільності таких чорних дір у Всесвіті, вони покажуть, що рання Всесвіт повинна була бути дуже рівною і не турбулентної.

Великий Вибух схожий з вибухом чорної діри, але в набагато більшому масштабі. Тому можна сподіватися, що, зрозумівши, як чорні діри породжують частки, ми прийдемо до аналогічного розуміння, як Великий Вибух породив все у Всесвіті. У чорній дірі матерія стискується і пропадає навіки, але на її місці виникає нова матерія. Тому, можливо, існувала якась більш рання фаза Всесвіту, коли матерія стискалася, щоб знову виникнути після Великого Вибуху.

Якщо матерія, зіщулившись в чорну діру, мала якесь то сальдо електричного заряду, що вийшла, чорна діра буде мати такий же заряд. Це означає, що чорна діра має тенденцію притягувати члени пар віртуальних частинок античастинок з протилежним зарядом і відштовхувати члени з таким же зарядом. Отже, чорна діра буде випускати переважно частинки з зарядом того ж знака, що має сама, і швидко розрядиться. Аналогічно, якщо стискуваної матерія має сальдо моменту імпульсу, чорна діра буде обертатися і переважно випускати частинки, що відбирають її момент імпульсу. Причина, чому чорні діри «запам'ятовують» електричний заряд, момент імпульсу і масу стискуваної матерії, яка «забуває» все інше, полягає в тому, що ці три величини поєднуються з полями, що діють на великій відстані: у випадку заряду - з електромагнітним полем, а у разі моменту імпульсу і маси - з гравітаційним.

Експерименти Роберта X. Діка з Прінстонського університету і Володимира Брагінського з Московського державного університету показали, що не існує далеко діючих полів, які відповідали б квантовому властивості, званому баріонним числом (баріони - це клас частинок, що включає в себе протони і нейтрони). Отже, чорна діра, що вийшла в результаті стиснення безлічі баріонів, забуде своє баріонна число і буде випромінювати рівну кількість баріонів і антібаріонов. Тому, коли чорна діра зникне, вона порушить один з ніжно коханих законів фізики частинок - закон збереження баріонів.

Хоча гіпотеза Бекенштейна про кінцеву ентропії чорних дір для своєї стрункості вимагає, щоб чорні діри випромінювали тепло, тим не менш, на перший погляд, здається істинним чудом, що ретельні розрахунки квантової механіки, що стосуються виникнення частинок, говорять про появу випромінювання з тепловим спектром. Пояснюється це тим, що випущені частки проробляють тунель з чорної діри, про яку зовнішній спостерігач не знає нічого, крім її маси, моменту імпульсу та електричного заряду. Це означає, що всі сполучення або конфігурації випущених частинок, що мають одну і ту ж енергію, момент імпульсу і електричний заряд, однаково ймовірні. Справді, можливо, що чорна діра випустить телевізор або десятитомник Пруста в шкіряній палітурці, але число конфігурацій часток, відповідне таким екзотичним можливостям, нескінченно мало. Набагато більше число конфігурацій відповідає випромінюванню зі спектром, близьким до теплового.

Випромінювання чорних дірок додало ще більший ступінь невизначеності, або непередбачуваності, до тієї, що і так асоціювалася з квантовою механікою. У класичній механіці можна передбачити результати вимірювання як швидкості, так і положення частинки. У квантовій механіці принцип невизначеності свідчить, що можна передбачити результат лише одного з вимірів - або швидкості, якого положення, але не обох. Таким чином, здатність спостерігача робити певні прогнози, по суті, урізується наполовину. З чорними дірами ситуація ще гірше. Оскільки частинки, що випромінюють чорною дірою, приходять з області, про яку спостерігач має обмежені знання, він не може з певністю передбачити ні швидкість, ні положення частинок, ні яку або їх комбінацію. Все, що він може передбачити, - це ймовірність, з якою певні частки будуть випущені. І тому, здається, Ейнштейн подвійно помилився, сказавши: «Бог не грає в кості». Розглянувши випускання частинок чорною дірою, схоже, ми можемо сказати, що Бог не тільки грає в кості, але часом ще й кидає їх там, де ніхто не бачить.

11. Чорні дірки і немовлята всесвіти ¹⁶

Падіння в чорну діру стало одним з жахів наукової фантастики. Па насправді про чорні діри зараз можна сказати, що це науковий факт, а не фантастика. Як я покажу нижче, є достатні підстави стверджувати, що чорні діри повинні існувати, і спостереження чітко вказують на присутність у нашій Галактиці безлічі чорних дір, а в інших галактиках їх ще більше.

Звичайно, описувати, що відбувається, коли падає в чорну діру, - це воістину роздолля для фантастів. Зазвичай припускають, що якщо чорна діра обертається, то можна провалитися через дірочку в просторі часу і опинитися в іншій частині Всесвіту. Це дає великі можливості для подорожей у космосі. І справді, якщо подорожі на інші зірки, не кажучи вже про інших галактиках, в майбутньому виявляться здійсненними на практиці, нам знадобиться щось подібне. В іншому випадку той факт, що ніщо не може рухатися швидше за світло, розтягне подорож до найближчої зірку щонайменше років на вісім. Забагато, щоб провести вихідні на Альфі Центавра! А от якщо зуміти пірнути в чорну дірку, то можна виринути в будь-якій точці Всесвіту. Правда, не зовсім ясно, яким чином вибрати місце призначення: ви можете вирішити з'їздити на свята в Вірго, а опинитеся в Крабовидної туманності.

Мені шкода розчаровувати галактичних туристів, але цей сценарій не працює: якщо ви стрибнете в чорну діру, вас розірве на частини і розплющити так, що від вас нічого не залишиться. Проте в деякому сенсі частки, що становлять ваше тіло, виявляться в іншому світі. Не знаю, чи втішиться перетворився на спагетті в чорній дірі свідомістю того, що його частинки, можливо, вціліли.

Незважаючи на мій легковажний тон, це есе грунтується на суворій науці. З тим, що я тут говорю, в основному згодна більшість інших вчених, що працюють в даній області, хоча до цього згодою вони прийшли не так вже давно. Проте остання частина даного есе грунтується на зовсім недавній роботі, за якою поки що немає загальної згоди. Але вона викликає великий інтерес і привертає до себе увагу. Хоча поняття, зване нині чорною дірою, з'явилося більше двохсот років тому, сама назва «чорна діра» було введено лише в 1967 році американським фізиком Джоном Уілер. Тут була певна частка геніальності: таку назву гарантувало, що чорні діри увійдуть в міфологію наукової фантастики. Воно також стимулювало наукові дослідження, давши ім'я того, що раніше не мало задовольняв усіх назви. Не треба недооцінювати важливість гарного імені в науці.

Наскільки мені відомо, першим почав обговорювати чорні діри хтось на ім'я Джон Мічелл з Кембриджа, який у 1783 році написав про них статтю. Його ідея була така. Припустимо, з поверхні Землі ви вистрілили ядром з гармати вертикально вгору. За мерс підйому воно буде сповільнюватися силою тяжіння. Зрештою ядро ​​зупиниться і почне падати назад. Однак якщо воно вилетить з гармати зі швидкістю більше деякої критичної величини, то ніколи не зупиниться і не впаде, а продовжить свій рух нагору. Ця критична швидкість називається швидкістю утікання, і для Землі вона складає 7 миль в секунду, а для Сонця - близько 100 миль в секунду. Обидві ці величини більше, ніж швидкість гарматного ядра, але набагато менше швидкості світла, рівної 186 000 миль в секунду. Це означає, що гравітація не робить на світло істотного впливу, і він може легко відірватися і від Землі, і від Сонця. Однак Мічелл зробив висновок, що може існувати зірка, досить масивна і досить маленька за розміром, щоб її швидкість утікання виявилася більше швидкості світла. Ми не зможемо побачити таку зірку, тому що світло з її поверхні до нас не дійде, а буде притягатися назад гравітаційним полем. Однак її присутність можна виявити по впливу її гравітаційного поля на навколишнє матерію.

Насправді світло не зовсім коректно порівнювати з гарматним ядром. Відповідно до експерименту, проведеного в 1897 році, світло завжди рухається з постійною швидкістю. Тоді як же гравітація може його уповільнити? Стрункої теорії, як гравітація впливає на світ, не було до 1915 року, коли Ейнштейн сформулював свою загальну теорію відносності. ІI навіть після цього висновки з його теорії для старих зірок та інших масивних тіл не були зроблені до шістдесятих років.

Відповідно до загальної теорії відносності, час і простір разом можна розглядати як єдине чотиривимірний простір, що отримало назву простір час. Цей простір не плоске, воно спотворюється, або викривляється, матерією і закладеною в ній енергією. Ми спостерігаємо це викривлення по відхиленню світла і радіохвиль, що проходять по дорозі до нас повз Сонця. Коли світло проходить поблизу Сонця, відхилення дуже мало. Однак якби Сонце стиснулося до розмірів всього декількох миль в поперечнику, відхилення було б настільки велике, що світ не зміг би полетіти, а був би притягнутий гравітаційним полем. Відповідно до теорії відносності, ніщо не може рухатися швидше за світло, тому утворюється область, звідки не може вирватися ніщо. Така область називається чорною дірою, а її межі - горизонтом подій. Його утворює світло, ледь не вирвався з чорної діри, але залишився парити на краю.

Припущення, що Сонце може стиснутися до діаметру в кілька миль, може здатися смішним. Важко припустити, що матерія здатна стиснутися до такої міри. Але виявляється - здатна.

Сонце має такі розміри, тому що воно гаряче. Воно перепалює водень в гелій, як керована воднева бомба. Тепло, що виділяється в результаті цього процесу, створює тиск, що дозволяє Сонця протистояти власної гравітації, яка прагне стиснути його, зробити менше.

Проте врешті-решт у Сонця скінчиться ядерне паливо. Цього не станеться ще приблизно п'ять мільярдів років, так що можна не поспішати замовляти квиток на іншу зірку. Проте зірки більш масивні, ніж Сонце, пережгут свій водень набагато швидше.

Коли паливо у них закінчиться, вони почнуть остигати і стискуватися. Якщо їх маса принаймні вдвічі перевищує масу Сонця, вони врешті-решт припинять стискатися, і стан їх стабілізується. Одні зірки в такому стані називаються білими карликами. Білий карлик має радіус в кілька тисяч миль і щільність в сотні тонн на кубічний дюйм. Інші зірки в такому стані називаються нейтронними зірками. Вони мають радіус близько 10 миль і щільність в мільйон тонн на кубічний дюйм.

Ми спостерігаємо велику кількість білих карликів в безпосередній близькості від нашої Галактики. Нейтронні ж зірки не спостерігалися до 1967 року, поки Джойселін Белл і Ентоні Хьюішем з Кембриджу не відкрили об'єкти, названі пульсарами, які випускали радіохвилі регулярними імпульсами. Спочатку дослідники подумали, чи не встановили чи вони контакт з чужою цивілізацією, - я навіть пам'ятаю, що аудиторія, де вони оголосили про своє відкриття, була прикрашена фігурками «зелених чоловічків». Однак під кінець вони самі і всі інші прийшли до менш романтичному висновку, що ці об'єкти - обертові нейтронні зірки. Такий висновок виявилося поганою новиною для творців космічних вестернів, але хорошою для нас, тих небагатьох учених, хто вірив тоді в чорні діри. Якщо зірки можуть стискатися до таких малих розмірів, як 10 або 20 миль в поперечнику, і ставати нейтронними зірками, можна припустити, що інші змогли стиснутися ще більше і перетворитися на чорні діри.

Зірка з масою приблизно вдвічі більша за масу Сонця стає білим карликом або нейтронної зіркою. У деяких випадках зірка може вибухнути і викинути досить матерії, щоб її маса стала менше граничної. Але це трапляється не завжди. Деякі зірки стануть дуже маленькими, і їх гравітаційне поле так викривити світло, що він впаде назад на зірку. І більше ні світло, ні щось інше не зможе вирватися звідти. Такі зірки стануть чорними дірами.

Фізичні закони симетричні в часі. Тому якщо існують об'єкти, звані чорними дірами, в які все може падати, але ніщо не може вирватися, повинні бути й інші об'єкти, з яких все може вилетіти, але ніщо не може в них впасти. Можна назвати їх білими дірками. Можна також поміркувати про те, що якщо стрибнути в чорну діру в одному місці, то вийдеш з білої діри в іншому. Це був би ідеальний метод для вищезазначених далеких космічних подорожей. Все, що вам знадобиться, - це відшукати поблизу чорну діру.

На перший погляд така форма космічних подорожей здається можливою. У загальній теорії відносності Ейнштейна існують рішення, згідно з якими можна впасти в чорну діру і вийти з білої діри. Однак більш пізня робота показала, що всі ці рішення дуже нестабільні: найменше обурення, таке як присутність космічного корабля, знищить «отвір» - прохід, що веде з чорної діри в білу. Космічний корабель був би розірваний нескінченно великими силами. Це зразок того, як подорожувати по Ніагарі в бочці.

Після цього надії майже не залишилося. Чорні діри можна було б використовувати хіба що для позбавлення від сміття або навіть від деяких друзів. Вони були «країною, звідки не повертаються». Проте все, що я сказав до цих пір, грунтувалося на розрахунках, що використовують загальну теорію відносності Ейнштейна. Ця теорія прекрасно узгоджується з усіма нашими спостереженнями. Але ми знаємо, що вона не може бути абсолютно права, оскільки не охоплює принцип невизначеності квантової механіки. Принцип невизначеності свідчить, що частки не можуть одночасно мати і чітко визначеного положення, і чітко певної швидкості. Чим точніше вимірюєш положення частинки, тим менш точно вимірюєш швидкість, і навпаки.

У 1973 році я почав дослідження, намагаючись з'ясувати, яке значення має принцип невизначеності для чорних дір. До мого, та й на загальний подив, виявилося, що внаслідок цього принципу чорні діри повинні бути не зовсім чорними. Вони постійно виділяють випромінювання і частинки. Коли я доповів про свої результати на конференції під Оксфордом, вони викликали загальне недовір'я. Голова сказав, що це нонсенс, і написав про це статтю. Однак, коли інші повторили мої розрахунки, вони виявили той же самий ефект. Так що під кінець навіть голова погодився з моєю правотою.

Як може випромінювання вирватися з гравітаційного поля чорної діри? Є багато шляхів зрозуміти це. І хоча вони здаються дуже різними, насправді вони еквівалентні. Один шлях - усвідомити, що принцип невизначеності дозволяє частинкам на короткій дистанції рухатися швидше світла. Це, в свою чергу, дозволяє їм і випромінювання прорватися через горизонт подій і вирватися з чорної діри. Отже, з чорної діри що то може виходити. Однак те, що виходить, буде сильно відрізнятися від того, що туди впала. Тієї самої буде тільки енергія.

Оскільки чорна діра випускає частки і випромінювання, вона повинна втрачати масу. Від цього чорна діра повинна ставати менше і еміттіровать частинки з більшою частотою. Зрештою вона дійде до нульової маси і зовсім зникне. Що ж тоді станеться з об'єктами, що впали в чорну діру, включаючи, можливо, і космічні кораблі? Згідно деяким моїм недавнім робіт, відповідь така: вони перейдуть у власну новонароджену всесвіт. Маленька замкнута всесвіт виникає з нашої області Всесвіту. Ця всесвіт може знову приєднатися до нашої області простору часу, при цьому вона здасться нам інший чорною дірою, яка з'явилася, а потім зникла. Частинки, що впали в одну чорну дірку, здадуться частками, випущеними з іншої, і навпаки.

Звучить так, ніби саме це і потрібно, щоб дозволити космічні подорожі через чорні діри. Ви просто направляєте свій космічний корабель у відповідну чорну діру. Втім, краще в дірку побільше, а то гравітаційні сили розірвуть вас на частини, перетворивши на спагетті, перш ніж ви проникнете всередину. Потім вам залишиться сподіватися, що ви з'явитеся знову з якоїсь іншої дірки, але де - ви вибирати не зможете.

Однак у такій схемі міжгалактичної транспортаціі існує заковика. Немовлята всесвіти, що приймають впали в дірку частинки, виявляються в так званому уявному часу. У реальному часі астронавта, що впав у чорну діру, чекає неприємний кінець. Його розірве на частини з за різниці в гравітаційних силах між головою і ногами. Не вціліють навіть частинки, складові його тіло. Їхні історії в реальному часі закінчаться в сингулярності. За під уявний часу продовжаться. Вони увійдуть до новонароджену всесвіт і знову з'являться як частки, випущені інший чорною дірою. Так що, в деякому розумінні, астронавт перенесеться в іншу область Всесвіту. Проте з'явилися частинки будуть мало нагадувати астронавта. А той факт, що частки вціліли під уявний часу, буде для нього слабкою втіхою, бо в реальному часі він увійде в сингулярність. Девізом падаючих в чорну діру повинно бути: «Мисліть уявно!»

Чим визначається те місце, де частки з'являться знову? Число частинок в малюкової всесвіту буде дорівнює кількості частинок, що впали в чорну діру, плюс число частинок, випущених нею за час випаровування. Це означає, що частинки, що впали в чорну діру, вийдуть з іншої дірки, що має приблизно ту ж масу. Таким чином, можна спробувати вибрати, де частки вийдуть, створивши чорну діру тієї ж маси, як та, куди вони зайшли. Однак ця чорна діра може з таким же успіхом видати будь-який інший набір часток з тієї ж сумарної енергією. Навіть якби чорна діра видала частки потрібного вигляду, можна було б сказати, чи це ті частинки, що увійшли в іншу дірку. У часток немає посвідчення особи - всі частинки даного виду виглядають однаково.

З усього цього випливає, що проходження через чорну діру навряд чи виявиться популярним і надійним способом космічних подорожей. По-перше, вам доведеться потрапити туди, переміщаючись у уявному часу і не піклуючись про те, що ваша історія в реальному часі сумно закінчилася. По друге, насправді ви не змогли б вибрати місце призначення. Це все одно що летіти з якоїсь авіалінії, що спала вам в голову.

Можливо, молоді всесвіти не будуть використані для космічних подорожей, але вони можуть мати велике значення в наших спробах побудувати завершену єдину теорію, яка опише все у Всесвіті. Існуючі нині теорії містять багато величин, таких як розмір або електричний заряд частинки. Значення цих величин наші теорії не можуть передбачити, вони повинні вибиратися на підставі спостережень. Більшість вчених, однак, вірять, що під усім цим лежить єдина теорія, яка передбачить всі значення.

Така основна теорія може бути. Найсильніший кандидат зараз носить назву неоднорідною сверхструнной теорії. Її ідея полягає в тому, що простір час наповнений маленькими петлями, начебто шматочків струни. Те, що нам представляється елементарними частинками, насправді є маленькими петельками, по різному вібруючими. Дана теорія не містить ніяких величин, значення яких можна уточнити. Тому можна припустити, що ця єдина теорія зможе передбачити значення всіх величин, на зразок електричного заряду частинок, ще не визначені у наших нинішніх теоріях. І хоча жодну з вказаних величин нам поки не вдалося вивести з сверхструнной теорії, багато хто вірить, що в кінці кінців ми зможемо це зробити.

Однак якщо дана картина немовлят всесвітів вірна, наша здатність передбачати зазначені величини буде знижена, тому що ми не можемо спостерігати, скільки чорних дір існує в зовнішньому світі, чекаючи своєї черги приєднатися до нашої області Всесвіту. У природі можуть бути всесвіти, що містять лише кілька частинок. Ці всесвіти так малі, що неможливо помітити їх приєднання до нашого закутка. Але приєднавшись, вони змінять видимі значення величин, таких як електричний заряд частинок. Отже, ми не можемо передбачити, як буде видиме значення цих величин, тому що не знаємо, скільки всесвітів чекають своєї черги зовні. Можливий вибух народжуваності всесвітів. Однак, на відміну від людей, у них, схоже, не буде обмежуючих факторів, таких як їжу і місце під сонцем. Немовлята всесвіти існують у своєму власному царстві. Це нагадує питання, скільки янголів може танцювати на кінчику голки.

Для більшості величин ці всесвіти, схоже, введуть кінцеву, хоча і досить маленьку, невизначеність у передбачених значеннях. Однак вони можуть пояснити спостережувані значення дуже важливих величин - так званих космологічних констант. Це термін з рівнянь загальної теорії відносності, що дає простору часу вроджену схильність розширюватися або стискатися. Спочатку Ейнштейн запропонував для космологічних констант дуже малі значення в надії врівноважити цю схильність матерії, яка змушує Всесвіт стискатися. Така мотивація зникла, коли виявилося, що Всесвіт розширюється. Але від цих констант виявилося не так то просто позбутися. Можна було припустити, що флуктуації, припускаються квантової теорії, роблять космологічні константи дуже великими. І все ж ми можемо спостерігати, як розширення Всесвіту змінюється з часом, і таким чином визначити, що вони дуже малі. До цих пір не було задовільного пояснення, чому спостережуване значення має бути таким маленьким. Проте немовлята всесвіти, отпочковиваясь і приєднуючись, будуть впливати на спостережуване значення космологічних констант. Оскільки ми не знаємо, скільки таких всесвітів існує, спостережувані космологічні константи будуть мати різні можливі значення. Однак набагато більш ймовірні значення, близькі до нуля. І це удача, тому що Всесвіт годиться для таких істот, як ми, тільки якщо вони дуже малі.

Підіб'ємо підсумок: видається, що частинки можуть падати в чорну діру, яка потім випаровується і зникає з нашої області Всесвіту. Частинки виходять у всесвіти, які відокремлюються від нашого Всесвіту. Ці всесвіти можуть потім приєднатися де небудь ще. Можливо, вони не стануть в нагоді для космічних подорожей, але їх наявність означає, що ми зможемо передбачити менше, ніж очікували, навіть якщо побудуємо завершену єдину теорію. З іншого боку, тепер ми, можливо, зуміємо пояснити виміряні значення деяких величин, начебто космологічних констант. В останні кілька років багато вчених почали працювати над немовлятами всесвітами. Не думаю, що хто небудь сколотить собі стан, запатентувавши їх як спосіб космічних подорожей, але вони вже стали захоплюючою областю досліджень.

12. Чи всі зумовлено? ¹⁷

У п'єсі «Юлій Цезар» Кассий каже Бруту: «Часом люди - ковалі своєї долі». Але чи справді ми ковалі своєї долі? Або все, що ми робимо, зумовлено? Аргумент про приречення використовувався для підтвердження того, що Бог всемогутній і існує поза часом, і, отже, Бог наперед знає, що станеться. Але тоді як ми можемо мати вільною волею? А якщо ми не володіємо свободою волі, то як ми можемо відповідати за свої дії? Навряд чи це вина людини, якщо йому зумовлено пограбувати банк. Так чому ж він повинен бути покараний?

Останнім часом аргумент на користь детермінізму грунтується на науці. Видається, що існують чітко визначені закони, що керують тим, як Всесвіт і все суще в ній розвиваються в часі. Хоча ми ще не знайшли точну форму цих законів, але вже знаємо достатньо, щоб визначити, як веде себе Всесвіт у всіх ситуаціях, крім екстремальних. Чи знайдемо ми інші закони в порівняно близькому майбутньому - це залежить від точки зору. Я оптиміст і думаю, що шанси - п'ятдесят на п'ятдесят на користь того, що ми знайдемо їх у найближчі двадцять років. Але навіть якщо не знайдемо, це насправді не має значення для спору. Важливо те, що повинен існувати набір законів, які повністю визначають еволюцію Всесвіту за її початкового стану. Ці закони могли бути встановлені Богом, але схоже, що Він (або Вона) більше не втручається у справи Всесвіту, щоб порушити ці закони.

Початкова конфігурація Всесвіту могла бути обрана Богом або могла визначитися сама по науковим законам. У будь-якому випадку схоже, що все у Всесвіті зумовлене еволюцією згідно з науковими законами, так що важко зрозуміти, як ми можемо бути ковалями своєї долі.

Ідея про те, що можлива якась велика єдина теорія, яка визначає все у Всесвіті, викликає багато труднощів. Перш за все, така теорія імовірно повинна бути компактна і витончена з точки зору математики. У теорії все повинно бути щось особливе і просте. І все ж як може якесь число рівнянь врахувати всю складність і найдрібніші деталі того, що ми бачимо навколо? Чи можна справді повірити, що велика єдина теорія визначила, ніби першою в хіт параді цього тижня буде Шинейд О'Коннор або що на обкладинці «Космополітен» з'явиться Мадонна?

Друга проблема з приреченням всього великої єдиної теорією полягає в тому, що всі наші твердження, будь-які припущення теж зумовлені цієї самої теорією. Але чому вона повинна визначити, що ми сформулюємо її вірно? Не більше чи імовірно, що ми визначимо її помилково, оскільки на кожне істинне висловлення доводиться безліч всіляких помилкових? Щотижня я отримую поштою купу теорій від різних людей. Ці теорії різні, і багато суперечать один одному. І все ж, припустимо, велика єдина теорія визначила те, що автори вважають себе правими. Так чому ж все, що я кажу, має бути більш тверезо? Хіба я не так само зумовлений великою єдиною теорією?

Третя проблема з ідеєю, що усе визначено, полягає в нашому відчутті, ніби ми володіємо свободою волі, що ми вільні вибирати, робити що небудь чи ні. Але якщо усе визначено науковими законами, то вільна воля - ілюзія, а якщо ми не володіємо свободою волі, на чому ж грунтується наша відповідальність за свої вчинки? Ми не караємо злочинців, якщо вони несамовиті, оскільки вважаємо, що це не допоможе. Але якщо всі ми зумовлені великою єдиною теорією і ніхто не може перешкодити нашим вчинкам, так чому потрібно нести відповідальність за свої дії?

Ці проблеми детермінізму обговорювалися століттями. Однак дискусія була дещо академічною, так як ми були далекі від повного знання наукових законів і не уявляли собі, як було визначено початковий стан Всесвіту. Зараз ці проблеми більш актуальні, так як є можливість у найближчі двадцять років створити цю єдину теорію. А ми розуміємо, що початковий стан могло встановитися само собою на підставі наукових законів, - це випливає з моєї особистої спроби розібратися з цими проблемами. Я не претендую на особливу оригінальність або глибину, але це краще, що я можу запропонувати в даний момент.

Почнемо з першої проблеми: як може відносно проста і компактна теорія лежати в основі Всесвіту, такою складною, з безліччю дрібних і незначних деталей? Ключем до цього є принцип невизначеності з квантової механіки, який стверджує, що не можна точно виміряти і положення частки, і її швидкість: чим точніше вимірюєш положення, тим менш точно можеш виміряти швидкість, і навпаки. Але в самій ранній Всесвіту все було дуже близько один до одного, тому існувала величезна ступінь невизначеності і безліч можливих станів Всесвіту. Ці різні можливі ранні стану розвинуться в сімейство різних історій Всесвіту. Більшість з них у своїх основних рисах будуть схожі. Вони будуть співвідноситися з єдиною і рівною розширення Всесвіту. Однак вони будуть відрізнятися такими деталями, як розподіл зірок, і більше того - такими, як обкладинки журналів (якщо, звичайно, в тих історіях будуть журнали). Таким чином, складність Всесвіту навколо нас і її деталі виникають з принципу невизначеності на ранніх стадіях. Це дає повне сімейство можливих історій, в яких нацисти перемогли у Другій світовій війні, хоча така ймовірність і мала. Але ми чисто випадково потрапили в історію, де війну виграли союзники і на обкладинці журналу «Космополітен» зображена Мадонна.

Тепер я повернуся до другої проблеми: якщо всі наші дії зумовлені якоїсь великої єдиної теорією, чому теорія визначила, що ми прийдемо до правильного, а не до помилкового висновку про неї самої? Чому все, що ми говоримо, має бути здоровим? Моя відповідь грунтується на ідеї Дарвіна про природний добір. Я розумію її так: деякі найпримітивніші форми життя виникли на Землі мимовільно з за випадкового поєднання атомів; ця рання форма життя, ймовірно, була просто великий молекулою, і, ймовірно, це була не ДНК, оскільки шанси випадково утворити цілу молекулу ДНК вельми малі.

Рання форма життя повинна була відтворювати себе. З квантового принципу невизначеності та хаотичного теплового руху атомів випливає, що у відтворенні виникало безліч відхилень. Більшість з цих відхилень виявилися фатальними для виживання організму і його здатності дати потомство. Такі відхилення не передалися в наступні покоління, а їх носії вимерли. Дуже небагато відхилення виявилися вдалими - чисто випадково. Організми з такими помилками мали більше шансів вижити і дати потомство. Таким чином, вони могли замінити первинні, не вдосконалені організми.

Розвиток двоспіральної структури ДНК могло виявитися таким удосконаленням на ранніх стадіях. Ймовірно, воно виявилося таким успішним, що повністю витіснило все більш ранні форми життя, які б вони не були. У міру еволюції розвинулася центральна нервова система. Істоти, правильно усвідомлювали значення даних, що надаються органами чуття, і робити відповідні дії, мали більше шансів вижити і дати потомство. Людина вивів цю властивість на новий рівень. Ми дуже схожі на приматів і тілом, і нашої ДНК, але невелике відхилення нашої ДНК дало нам можливість розвинути мову спілкування. Внаслідок цього ми змогли передавати інформацію і накопичувати досвід з покоління в покоління в усній, а потім і в письмовій формі. До того досвід міг передаватися тільки повільним процесом кодування в ДНК через випадкові відхилення у відтворенні потомства. Ефектом виявилося драматичне прискорення еволюції. Щоб створити людину, знадобилося більше трьох мільярдів років. Але протягом останніх десяти тисяч років ми створили писемність. Це дозволило нам розвинутися з мешканців печер до того стану, коли ми ставимо питання про остаточну теорії Всесвіту.

Останні десять тисяч років процес біологічної еволюції йшов дуже повільно, і значної зміни людської ДНК не було. Стало бути, наш розум, наша здатність робити правильні висновки з інформації, що надходить від органів чуття, повинні датуватися періодом нашого проживання в печерах або ще більш раннім. Це властивість відбиралося на основі нашої здатності вбивати певних тварин для їжі і не бути вбитими іншими тваринами. Чудово, що це властивість розуму, відібране для зазначених цілей, дало нам перевагу в найрізноманітніших обставинах сьогодення. Ймовірно, відповідь на питання про детермінізм і побудова великої єдиної теорії не дадуть нам великої переваги для виживання. Проте розум, який ми розвинули з інших причин, може гарантувати, що ми знайдемо правильні відповіді на ці питання.

Тепер я повернуся до третьої проблеми - до питання свободи волі і відповідальності за свої вчинки. Ми суб'єктивно відчуваємо, що у нас є здатність вибирати, ким бути і що робити. Але це може бути всього лише ілюзією. Деякі вважають себе Ісусом Христом або Наполеоном, але всі вони не можуть мати рацію. Що нам потрібно, так це об'єктивний тест, застосовний з боку, щоб визначити, чи має організм вільну волю. Припустимо, нас навістила «маленьке зелене істота» з іншої зірки. Як ми можемо визначити, чи має воно вільну волю або це просто робот, запрограмований реагувати так само, як і ми?

Остаточний об'єктивний тест на свободу волі буде приблизно таким: чи можна передбачити поведінку організму? Якщо можна, то ясно, що він не має вільної волі, а його поведінка визначено. А якщо передбачити його поведінку не можна, це можна взяти за робоче визначення ознаки, що організм має вільну волю.

Такому визначенню вільної волі можна заперечити на тій підставі, що коли ми знайдемо повну єдину теорію, то зможемо передбачити всі вчинки людини. Проте людський мозок теж схильний принципом невизначеності. Значить, в людській поведінці існує елемент випадковості, що асоціюється з квантовою механікою. Але енергії мозку низькі, так що невизначеність із квантової механіки в цьому випадку виявляється мала. Справжня причина неможливості передбачити людську поведінку полягає в тому, що це занадто важко. Ми вже знаємо основні фізичні закони, що керують активністю мозку, і вони порівняно прості. Але рівняння, в яких більше ніж одна дві частинки, вирішити дуже складно. Навіть у більш простий Ньютоновой теорії гравітації можна точно вирішити рівняння тільки для випадку двох частинок. Для трьох і більше доводиться вдаватися до апроксимація, і зі збільшенням числа частинок труднощі різко зростають. Людський мозок містить близько 10 ^ 26, або сто мільйонів мільярдів мільярдів, частинок. Це занадто багато, щоб ми змогли коли небудь вирішити рівняння і передбачити, як мозок поведеться, враховуючи, що в ці рівняння входять і початковий стан, і дані, що надходять від нервів. Насправді ми не можемо навіть виміряти, як було початковий стан, тому що, щоб зробити це, нам довелося б розчленувати мозок. І навіть якщо б ми були готові на це, часток виявиться занадто багато, щоб врахувати їх. До того ж мозок, ймовірно, дуже чутливий до початкового стану - невелика зміна в ньому може привести до великої зміни в подальшому поведінці. Тому, хоча нам відомі керуючі мозком фундаментальні рівняння, ми зовсім не здатні використовувати їх для передбачення людської поведінки.

Така ж ситуація виникає в науці, коли ми маємо справу з макроскопічними системами, тому що число часток завжди занадто велике, щоб ми могли мати хоч якийсь шанс вирішити фундаментальні рівняння. Що ми робимо замість цього? Користуємося робочими теоріями. Вони є наближеннями, в яких дуже велика кількість частинок замінюється декількома величинами. Прикладом може служити гідродинаміка. Рідина начебто води складається з мільярдів мільярдів молекул, які, в свою чергу, складаються з електронів, протонів і нейтронів. І все ж це хороше наближення - розглядати рідина як безперервну середу, характеризується тільки швидкістю, густиною та температурою. Пророцтва гідродинаміки не точні - щоб зрозуміти це, потрібно хоча б послухати прогнози погоди, - але вони досить гарні, щоб проектувати кораблі і трубопроводи.

Я хочу припустити, що поняття вільної хвиль і моральної відповідальності за свої вчинки - це насправді робочі теорії, на зразок гідродинаміки. Можливо, всі наші вчинки зумовлені якоїсь великої єдиної теорією. Якщо ця теорія говорить, що ми повинні закінчити життя на шибениці, то ми не потонемо. Але щоб пуститися на вутлому човнику по бурхливому морю, ви повинні бути абсолютно впевнені, що вам уготована шибениця. Я помітив, що навіть люди, які стверджують, що усе визначено і що ми не можемо нічого змінити, завжди дивляться на всі боки, переходячи дорогу. Можливо, ті, хто не дивиться, просто не доживають, щоб розповісти свою історію.

Не можна засновувати свою поведінку на ідеї, що усе визначено, оскільки ніхто не знає, що ж саме визначено. Замість цього потрібно прийняти робочу теорію, що людина має свободу волі і що він відповідає за свої вчинки. Ця теорія не дуже хороша в сенсі передбачення людської поведінки, але ми приймаємо її, так як немає можливості вирішити рівняння, що випливають із фундаментальних законів. А чому ще ми віримо у вільну волю, можна пояснити з позицій теорії Дарвіна: суспільство, в якому індивідуум відчуває відповідальність за свої вчинки, з більшою ймовірністю може працювати згуртовано, вижити і поширити свої цінності у світі. Звичайно, і мурашки працюють згуртовано. Але їхнє суспільство статично. Воно не може реагувати на незнайомі небезпеки або скористатися можливостями, що відкрилися. А ось спільнота вільних особистостей, які поділяють спільні цілі, може працювати для вирішення загального завдання і в той же час володіти гнучкістю для нововведень. Тому таке суспільство з більшою ймовірністю буде процвітати і поширить свою систему цінностей.

Поняття вільної волі не належить до галузі фундаментальних наукових законів. Якщо хтось спробує вивести людську поведінку з наукових законів, то попадеться в логічний парадокс системи, співвідноситься сама з собою. Якщо чиї то дії передбачені фундаментальними законами, то сам факт передбачення може змінити подія. Це нагадує пастку, в яку можна потрапити, якби були можливі подорожі в часі, чого, я думаю, ніколи не буде. Якщо ви побачите, що станеться в майбутньому, то можете змінити це. Якщо дізнаєтесь, який кінь виграє Великий національний приз, ви можете поставити на неї, щоб зробити стан. Але ця дія змінить шанси. Потрібно подивитися лише назад у майбутнє, щоб зрозуміти, які виникнуть проблеми.

Парадокс з можливістю пророкувати чужі дії тісно пов'язаний з проблемою, згаданої вище: визначила чи єдина теорія, що ми прийдемо до правильного висновку щодо її самої? У цьому випадку я стверджую, що до вірного відповіді нас приведе ідея Дарвіна про природний добір. Можливо, «вірну відповідь» не зовсім ті слова, але, принаймні, природний відбір приведе нас до ряду досить добре працюють фізичних законів. Однак застосувати фізичні закони, щоб вивести людську поведінку, ми не можемо з двох причин. По перше, ми не зможемо вирішити рівняння. По друге, навіть якщо б змогли, сам факт передбачення внесе в систему можл щення. А природний відбір, схоже, приведе нас до прийняття робочої теорії про вільну волю. Якщо прийняти, що особистість вільно визначає свої дії, не можна стверджувати, що в деяких випадках це роблять зовнішні сили. Концепція «майже вільній волі» безглузда. Але люди схильні плутати можливість здогадатися, що особистість, швидше за все, зробить, з поняттям про свободу вибору. Я можу здогадатися, що більшість з вас сьогодні повечеряють, але ви абсолютно вільні віддати перевагу інше і лягти спати голодними. Прикладом такої плутанини є доктрина про обмежену відповідальність: ідея, ніби людини не слід карати за його дії, якщо вони були вчинені в стані стресу. Можливо, хтось в стані стресу схильний до антигромадських вчинків. Але це не означає, що ми повинні заохочувати цю схильність, полегшуючи покарання.

Можна окремо досліджувати фундаментальні наукові закони і вивчати людську поведінку, але за допомогою фундаментальних законів вивести формулу поведінки людини не можна з причин, які я вже пояснив. Однак можна сподіватися, що ми зможемо знайти застосування і розуму, і мощі логічного мислення, розвинувся в нас завдяки природному відбору. До нещастя, він розвинув в нас і інші властивості, такі як агресія. У печерні часи і ще раніше агресія давала перевагу для виживання і тому виховувалася природним відбором. Однак величезне збільшення руйнівної сили, дане нам сучасною наукою і технікою, зробило агресивність дуже небезпечним якістю, яка загрожує виживанню людства. Біда в тому, що агресивні інстинкти, схоже, закодовані в нашій ДНК. Еволюція змінює ДНК тільки за мільйони років, але наша руйнівна міць розвивається так само швидко, як нині інформаційна система, тобто за два три десятка років. Якщо ми не зуміємо скористатися розумом, щоб керувати своєю агресивністю, у людства не багато шансів. І все ж поки існує життя, є і надія. Якщо ми зуміємо пережити такі, ну, скажімо, сто років, то розселився на інші планети і, можливо, на інші зірки. Це значно знизить вірогідність нашого знищення в результаті якої небудь катастрофи на кшталт ядерної війни.

Резюме: я розглянув деякі проблеми, що виникають в результаті віри в те, що все у Всесвіті визначено. Немає великої різниці, викликаний цей детермінізм всемогутнім Богом або науковими законами. Справді, завжди можна сказати, що наукові закони - це вираз Божої волі.

Розглянуто три питання. Перший: як простий набір рівнянь може охопити всю складність Всесвіту з безліччю дрібних деталей, на зразок того, чиє зображення прикрасить обкладинку журналу «Космополітен»? Відповідь видається таким: з принципу невизначеності в квантовій механіці випливає, що у Всесвіті не одна єдина історія, а ціле сімейство можливих історій. Вони можуть бути схожі у великому масштабі, але дуже відрізнятися в звичайному, повсякденному масштабі. Нам трапилося жити в одній приватній історії, що має свої властивості і деталі. Але існують дуже схожі розумні істоти, що живуть в іншій історії, де війна закінчилася по іншому і у Католицької Церкви інший глава. Таким чином, незначні деталі в нашому Всесвіті виникають тому, що фундаментальні закони включають в себе квантову механіку з її елементом невизначеності та випадковості.

Друге питання звучало так: якщо все визначено якоїсь фундаментальної теорією, що ж ми скажемо про теорію, також нею зумовленою, і чому вона повинна визначитися вірно, а не помилково і незграбно? Щоб відповісти на це питання, я залучив теорію Дарвіна про природний добір: шанс вижити і дати потомство мали тільки ті особи, хто робив правильні висновки про навколишній світ.

Третє питання був такий: якщо усе визначено, то що ж таке вільна воля і наша відповідальність за свої вчинки? Але єдиний об'єктивний тест, що визначає, чи має організм вільну волю, полягає в можливості передбачити поведінку цього організму. Щоб передбачити, як вчинить людина, не можна скористатися науковими законами з двох причин: по-перше, ми не вміємо розв'язувати рівняння для дуже великого числа беруть участь в них частинок, по друге, навіть якби вміли, сам факт передбачення вніс би в систему обурення і міг б привести до іншого результату. А оскільки ми не можемо передбачити людську поведінку, то можемо в якості робочої теорії прийняти, що людина вільна сам приймати рішення щодо своїх дій. Схоже, віра у вільну волю і відповідальність за свої вчинки дає певні переваги для виживання, з чого випливає, що природний відбір підсилює ці якості. Чи достатньо відповідальності, переданої словесно, для того, щоб управляти успадковане з ДНК агресивністю, залишається під питанням. Подивимося. Якщо виявиться, що недостатньо, людство буде тим тупиком, в який приведе природний відбір. Можливо, якісь небудь інші розумні істоти де небудь в Галактиці досягнуть кращого балансу між відповідальністю та агресивністю. Але в такому випадку ми могли б сподіватися увійти з ними в контакт, хоча б зловити їх радіосигнали. Можливо, вони знають про наше існування, але не хочуть нам відкритися. Враховуючи нашу історію, це, може бути, і розумно.

Назва даного есе являло собою питання: чи все зумовлено? Відповідь - так, усе визначено. Але можна вважати, що й ні, тому що ми не знаємо, що ж саме визначено.

13. Майбутнє Всесвіту ¹⁸

Тема даного есе - майбутнє Всесвіту, точніше - яким представляють його вчені. Звичайно, пророкувати майбутнє дуже важко. Мені як то подумалося, чи не написати Кішу під назвою «Вчорашнє завтра: історія майбутнього». Це була б історія пророкуванні майбутнього, майже всі з яких виявилися вельми далекі від істини. Але незважаючи на ці невдачі, вчені і раніше думають, що можуть передбачити майбутнє.

У стародавні часи передбачення були справою оракулів або сивіли. Часто це були жінки, занурені в транс яким або наркотичною речовиною або надихавшись вулканічних випарів. Їх марення тлумачили оточували їх жерці. Дійсне мистецтво крилося в тлумаченні. Знаменитий Дельфійський оракул в Стародавній Греції був знаменитий своєю ухильно і двозначностями. Коли перси напали на Грецію і спартанці запитали, що буде далі, оракул відповів: «Або Спарта буде зруйнована, або її цар буде вбитий». Гадаю, жрець розраховував, що якщо не збудеться ні те, ні інше, спартанці будуть так вдячні Аполлону, що не помітять помилки оракула. Насправді цар був убитий в бою, захищаючи прохід у Фермопіл, що врятувало Спарту і призвело до остаточного розгрому персів.

В іншому випадку лідійський цар Крез, найбагатша людина в світі, запитав, що буде, якщо він вторгнеться в Персію. Відповідь була така: «Велике царство загине». Крез подумав, що мається на увазі Перська держава, але загинуло його власне царство.

Недавні пророки з більшою готовністю ризикували головою, вказуючи точні дати кінця світу. Їм навіть вдавалося збити ціни на фондовому ринку, хоча не можу збагнути, чому кінець світу змушує людей продавати свої акції. Гадаю, ні гроші, ні акції все одно з собою не візьмеш.

Поки що всі ці дати кінця світу пройшли без жодних інцидентів. Але пророки часто знаходили пояснення своїм очевидним помилок. Наприклад, Вільям Міллер, засновник секти адвентистів сьомого дня, передбачив, що друге пришестя буде між 21 березня 1843 і 21 березня 1844 року. Коли нічого не сталося, дата була перенесена на 22 жовтня 1844 року. Коли і вона пройшла без пригод, була висунута нова інтерпретація, згідно з якою 1844 був початком другого пришестя - але колись потрібно перерахувати імена в книзі життя. Тільки тоді настане день Страшного суду для тих, кого в Книзі не виявилося. На щастя, підрахунок зайняв довгий час.

Звичайно, і наукові прогнози можуть виявитися не надійніше, ніж пророкування оракулів і пророків. Можна згадати прогнози погоди. Але видається, що в певних ситуаціях ми можемо дати надійний прогноз, і майбутнє Всесвіту, в дуже великому масштабі, потрапляє в число таких тем.

За останні триста років ми відкрили наукові закони, що керують існуванням матерії в нормальних умовах. Але для екстремальних ситуацій ми по колишньому законів не знаємо. Ці закони важливі для розуміння того, як виник Всесвіт, за вони не впливають на її майбутній розвиток, якщо тільки (чи поки) Всесвіт знову не стиснеться в надщільного стан. По суті, мірилом того, як мало ці закони високих енергій впливають на нинішню Всесвіт, є той факт, що для їх перевірки ми витрачаємо величезні гроші на будівництво гігантських прискорювачів частинок.

Навіть знаючи відповідні закони, що керують Всесвіту, ми не можемо використовувати їх для передбачення далекого майбутнього. Це пояснюється тим, що рішення фізичних рівнянь можуть проявити властивість, відоме як хаотичність, тобто рівняння можуть виявитися нестабільними: найменша зміна в параметрах - і поведінка системи незабаром абсолютно зміниться. Наприклад, якщо ви чуть чуть змініть зусилля, з яким штовхнули колесо рулетки, то змініть виграшний номер. Виграшний номер практично неможливо передбачити - інакше фізики збивали б собі стан в казино.

У нестабільних хаотичних системах, як правило, існує часовий масштаб, мала зміна якого призводить до вдвічі більшої зміни початкового стану. У додатку до земної атмосфері цей часовий масштаб складає близько п'яти днів - приблизно стільки, скільки потрібно вітру, щоб облетіти навколо Землі. На період близько п'яти днів передбачити погоду можна досить точно, але щоб передбачити її далі, потрібно дуже точно знати справжній стан атмосфери і провести неймовірно складні обчислення. Немає способу передбачити погоду на шість місяців вперед точніше, ніж дати середнє сезонне значення.

Ми також знаємо основні закони хімії та біології і в принципі могли б визначити, як працює мозок. Але описують мозок рівняння майже напевно мають хаотичний характер, і найменша зміна початкового стану веде до зовсім іншого результату. Тому на практиці ми не можемо передбачити людську поведінку, навіть якщо б знали рівняння, їм керуючі. Наука не може передбачити майбутнє людства, навіть якщо це майбутнє є. Небезпека полягає в тому, що наша здатність руйнувати і нищити навколишнє середовище і один одного зростає набагато швидше, ніж наша мудрість у використанні цієї здатності.

Що б не трапилося на Землі, решта Всесвіт не зверне на це уваги. Видається, що рух планет навколо Сонця в кінцевому рахунку хаотично, хоча і в далекій перспективі. Це означає, що помилки в прогнозі стають з плином часу більше. Далі певного часу рух в деталях передбачити неможливо. Ми можемо бути відносно впевнені, що Земля дуже довго не зустрінеться з Венерою, але не можемо гарантувати, що малі обурення орбіт не складуться так, що через мільярд років це зіткнення станеться. Рух Сонця та інших зірок навколо центру Галактики і рух Галактики навколо центру групи галактик теж хаотичні. Ми спостерігаємо, що інші галактики віддаляються від нас, і більш віддалені видаляються швидше. Це означає, що Всесвіт розширюється в сусіднє простір: відстань між галактиками з часом зростає.

Спостережуване нами фонове мікрохвильове випромінювання із зовнішнього простору свідчить, що це розширення рівномірно і нехаотічно. Ви можете самі спостерігати це випромінювання, налаштувавши ваш телевізор на вільний канал. Невелика частина цяток, побачених вами на екрані, викликана мікрохвилями, які прийшли з поза меж Сонячної системи. Це той самий вид випромінювання, що і в мікрохвильовій печі, просто набагато слабкіше. Воно може розігріти їжу лише до 2,7 градуса вище абсолютного нуля і тому не дуже підійде для приготування піци. Вважається, що це випромінювання залишилося від ранньої - гарячої стадії розвитку Всесвіту. Але саме чудове в ньому те, що майже одне і те ж кількість випромінювання надходить з усіх напрямків. Його дуже точно вимірює супутник дослідник космічного тла. Карта неба, зроблена за результатами цих спостережень, показала б різну температуру випромінювання. З різних напрямків приходить випромінювання різної температури, але відхилення дуже невеликі - приблизно в одній частині из 100 ТОВ. Яка то різниця в мікрохвилях, що прийшли з різних напрямків, повинна бути, тому що Всесвіт не зовсім рівномірна - в ній є місцеві аномалії на зразок зірок, галактик і скупчень галактик. Але відхилення мікрохвильового фону мало, наскільки це можливо, враховуючи спостережувані нами місцеві аномалії. У 99 999 частин з 100 000 мікрохвильовий фон однаковий у всіх напрямках.

У давні часи люди вірили, що Земля знаходиться в центрі Всесвіту. І тому вони б не здивувалися, що фон з усіх боків однаковий. Проте з часів Коперника нас понизили до однієї із малих планет, що обертаються навколо дуже пересічної зірки на околиці звичайної галактики - однієї зі ста мільярдів видимих ​​нами. Тепер ми стали настільки скромні, що не можемо претендувати на особливе становище у Всесвіті, і тому повинні допустити, що фон однаковий у всіх напрямах майже в будь-галактиці. Це можливо тільки в тому випадку, якщо середня щільність Всесвіту і швидкість її розширення скрізь однакові. Будь-яке відхилення середньої щільності або швидкості розширення у великій області привело б до того, що фон з різних напрямків відрізнявся б. З цього випливає, що в дуже великому масштабі поведінку Всесвіту просто і нехаотічно, і тому можна робити прогнози на далеке майбутнє.

Оскільки розширення Всесвіту настільки рівномірно, його можна описати одним числом - відстанню між двома галактиками. В даний час воно зростає, але можна припустити, що гравітаційне тяжіння між різними галактиками уповільнює це зростання. Якщо щільність Всесвіту більше деякої критичної величини, гравітаційне тяжіння зрештою зупинить розширення і знову змусить Всесвіт стискатися. Відбудеться Велике Стиснення. Це буде подібно Великому Вибуху, з якого Всесвіт почалася. Велике Стиснення виявиться так званої сингулярностью - станом з нескінченною щільністю, в якій порушуються фізичні закони. Це означає, що навіть якби після Великого Стиснення були якісь події, передбачити їх неможливо. Але без причинного зв'язку між подіями немає ніякого осмисленого способу визначити, що за чим піде. Наша Всесвіт може навіть закінчитися більше стиснення, і тоді будь-яка подія «після» цього буде частиною іншої, особливої ​​Всесвіту. Це трохи нагадує перевтілення, реінкарнацію. Яке значення можна надавати твердженням, ніби новонароджена дитина - та ж людина, що і померлий, якщо дитина не успадкував ніяких властивостей і ніяких спогадів зі своєї попередньої життя? Точно так само можна сказати, що це інша особистість.

Якщо середня щільність Всесвіту менше критичного значення, вона не буде стискуватися, а її розширення продовжиться. Через якийсь час її щільність стане так мала, що гравітаційне тяжіння не чинитиме істотного впливу на швидкість розширення, і галактики продовжать розлітатися з постійною швидкістю.

Значить, ключове питання щодо майбутнього Всесвіту полягає в тому, яка її середня щільність. Якщо вона менше критичного значення, Всесвіт буде розширюватися вічно, але якщо більше, то вона знову закриється, і сам час теж закінчиться в великому стисненні. Однак у мене є деяка перевага перед провісниками доль. Навіть якщо Всесвіту судилося стиснутися, я можу з упевненістю передбачити, що розширення не зупиниться ще принаймні десять мільярдів років. Не думаю, що хтось викриє мене в помилку.

Середню щільність Всесвіту ми можемо спробувати оцінити за спостереженнями. Якщо перерахуємо видимі зірки і складемо їх маси, то отримаємо менше одного відсотка від критичної щільності. Навіть якщо ми додав масу газових хмар, що спостерігаються у Всесвіті, це збільшить суму приблизно на один відсоток від критичного значення. Однак ми знаємо, що Всесвіт містить так звану темну матерію, яку не можна побачити безпосередньо. Частково свідоцтва про таку темної матерії приходять зі спіральних галактик. Це величезні скупчення зірок і газу, що мають форму сковороди. Ми спостерігаємо, як вони обертаються навколо свого центру, але швидкість обертання дуже велика, і якщо б вони містили лише видимі зірки і газ, то розлетілися б. Там повинна бути якась невидима форма матерії, чиє гравітаційне тяжіння досить велика, щоб при обертанні утримати галактики в цілості.

Інші свідчення про темної матерії надходять з скупчень галактик. Ми спостерігаємо, що галактики в просторі розподілені не рівномірно - вони збираються в скупчення, що налічують від декількох галактик до мільйона. Імовірно, ці скупчення сформувалися через те, що галактики притягуються одне до одного. Однак ми можемо виміряти швидкість, з якою в цих скупченнях рухаються окремі галактики. Виявляється, швидкості так високі, що скупчення розлетілися б, не стримуй їх гравітаційне тяжіння. Це станеться, навіть якщо галактики мають достатню масу, щоб зберегти свою цілісність при обертанні. Звідси випливає, що в скупченнях галактик має бути додаткова, темна, матерія, крім тієї, що ми бачимо.

Можна досить достовірно оцінити кількість темної матерії в тих галактиках і скупченнях, про які у нас є певні свідоцтва. Але ця оцінка за раніше складе близько десяти відсотків критичної щільності, необхідної для того, щоб змусити Всесвіт знову стиснутися. Таким чином, якщо грунтуватися на спостереженнях, можна стверджувати, що Всесвіт буде розширюватися вічно. Ще через п'ять мільярдів років у Сонця вичерпається ядерне паливо, Сонце роздується, утворюючи так званий червоний гігант, і поглине Землю і найближчі планети. Потім воно встановиться в стан білого карлика діаметром у кілька тисяч миль. Так я пророкую кінець світу, по он настане ще не зараз. Не думаю, що моє передбачення викличе велику депресію на фондовому ринку. На горизонті видно більш нагальні проблеми. У всякому разі, до того часу, коли Сонце роздується, нам потрібно освоїти мистецтво міжзоряних подорожей, якщо ми ще не знищимо себе самі.

Приблизно через мільярд років більшість зірок у Всесвіті згорить. Зірки з масою зразок нашого Сонця стануть пли білими карликами, або нейтронними зірками, які ще менше і щільніше. Більш масивні зірки стануть чорними дірами, які ще менше і мають таке сильне гравітаційне поле, що навіть світло не може його подолати. Однак ці залишки будуть як і раніше обертатися навколо центру Галактики з періодом близько ста мільйонів років. Сутички між залишками виштовхнуть деякі з них геть з Галактики. Решта встановляться на ближчих до центру орбітах і зрештою зберуться разом, утворивши в центрі Галактики гігантську чорну діру. Чим би не була темна матерія в галактиках і їх скупчення, вона теж, мабуть, впаде в ці великі чорні діри.

Отже, можна припустити, що більша частина матерії в галактиках і їх скупченнях закінчить свій шлях в чорних дірах. Однак не так давно я відкрив, що чорні діри не такі вже чорні, як їх прийнято зображати. Принцип невизначеності в квантовій механіці говорить, що не можна точно передбачити і положення частки, і її швидкість. Чим більш точно визначається положення, тим менш точно - швидкість, і навпаки. Якщо частка знаходиться в чорній дірі, її положення чітко визначено - у чорній дірі. Отже, її швидкість точно визначити не можна, і, отже, вона може виявитися вище швидкості світла. Це дає їй можливість вирватися з чорної діри. І таким чином частки і випромінювання будуть потихеньку витікати з чорної діри. Діаметр гігантської чорної діри в центрі Галактики становитиме мільйони миль. Отже, положення частинки в такій дірі буде володіти великим ступенем невизначеності. Стало бути, невизначеність швидкості буде невеликий, і частці знадобиться дуже довгий час, щоб вирватися звідти. Але врешті-решт вона вирветься. Великий чорній дірі в центрі Галактики може знадобитися 10 ^ 90 років, щоб випаруватися зовсім і припинити своє існування, - це одиниця з 90 нулями, тобто набагато більше, ніж термін існування нинішньої Всесвіту, що становить всього 10 ^ 10 років - одиниця з 10 нулями . Так що якщо Всесвіт збирається розширюватися вічно, у нас ще купа часу.

Майбутнє вічно розширення Всесвіту буде досить нудним. Але чи буде вона розширюватися вічно, ще ні в якій мірі не вирішено. У нас є певні свідчення, що є приблизно лише одна десята від щільності, потрібної для того, щоб Всесвіт знову стиснулася. І все ж можуть бути інші види темної матерії, які ми поки не виявили, але які можуть підвищити щільність Всесвіту до критичної величини або перевищити її. Ця додаткова темна матерія повинна розташовуватися поза галактик і їх скупчень. Інакше ми б помітили її вплив на обертання галактик або їх рух усередині скупчень.

З чого б нам припускати, що може знайтися достатньо матерії, яка врешті-решт змусить Всесвіт стискатися? Чому б просто не повірити в те, чому є свідчення? Причина в тому, що навіть наявність однієї десятої критичної щільності вимагає неймовірно ретельного визначення початкової щільності і швидкості розширення. Якби щільність Всесвіту через одну секунду після Великого Вибуху була на одну трильйонну більше, Всесвіт стиснулася б через десять років. З іншого боку, якби вона в той час була на ту ж частина менше, то з тих пір суттєво спустошила б.

Як же вийшло, що початкова щільність виявилася так ретельно вибрана? Можливо, існує якась причина, по якій Всесвіт повинен мати точно критичну щільність. Цьому можна знайти два пояснення. Одне - це так званий людський принцип, його можна перефразувати так: Всесвіт така, тому що будь вона іншою, нас би тут не було, щоб її спостерігати. Ідея полягає в тому, що могло бути безліч всесвітів з різними долями. І тільки всесвіти із щільністю, дуже близькою до критичної, змогли проіснувати досить довго і містити достатньо матерії для утворення зірок і планет. Тільки в таких всесвітів могли з'явитися розумні істоти, щоб задатися питанням: чому це щільність Всесвіту так близька до критичної? Якщо це пояснення, то немає сенсу вважати, що матерії у Всесвіті більше, ніж ми вже виявили. Щоб утворилися галактики і зірки, вистачило б і десятої частини критичної щільності. Проте багатьом не подобається людський принцип, оскільки він, схоже, надає дуже велику важливість нашого власного існування. Тому вони шукали яке інше пояснення того, чому щільність повинна бути така близька до критичної. Ці пошуки привели до теорії інфляції в ранньому Всесвіті. Ідея полягала в тому, що розміри Всесвіту постійно подвоювалися, як кожен місяць подвоюються ціни в країнах з високою інфляцією. Однак інфляція Всесвіту була набагато швидше і вище: збільшення з коефіцієнтом щонайменше мільярд мільярдів мільярдів при крихітній інфляції привело б Всесвіт настільки близько до критичної щільності, що остання і зараз була б близька до критичної. Це означає, що Всесвіт, ймовірно, врешті-решт знову стиснеться, але на це їй знадобиться не набагато більше часу, ніж ті приблизно п'ятнадцять мільярдів років, протягом яких вона розширюється.

Чим може стати додаткова темна матерія, якщо теорія інфляції вірна? За мабуть, вона відрізняється від нормальної матерії, з якої складаються зірки і планети. Ми можемо розрахувати кількість різних легких елементів, вироблених на ранніх, гарячих етапах розвитку Всесвіту в перші три хвилини після Великого Вибуху. Кількість цих легких елементів залежить від кількості нормальної матерії у Всесвіті. Можна накреслити графік, де ординатою буде кількість легких елементів, а абсцисою - кількість нормальної матерії. Вийде гарне відповідність із спостережуваним вмістом елементів, якщо повна кількість нормальної матерії складе приблизно лише одну десяту від критичної кількості зараз. Можливо, ці розрахунки невірні, але той факт, що ми отримуємо спостережуване вміст елементів, дуже вражає.

Якщо існує критична щільність темної матерії, головним претендентом на те, щоб бути темною матерією, будуть залишки від ранніх етапів розвитку Всесвіту. Можливо, це елементарні частинки. Є кілька гіпотетичних кандидатів - частки, наявність яких ми припускаємо, але які насправді поки не виявлені. Але самий багатообіцяючий варіант - це частка, про існування якої є свідчення, - нейтрино. Вважалося, що вона не має власної маси, але деякі недавні спостереження припустили, що нейтрино може мати маленьку масу. Якщо це підтвердиться і буде знайдено її правильне значення, нейтрино забезпечать досить маси, щоб довести щільність Всесвіту до критичного значення.

Інша можливість - чорні діри. Можна припустити, що рання Всесвіт зазнала так званий фазовий перехід. Приклади фазового переходу - замерзання і закипання води. При фазовому переході спочатку однорідне середовище, на зразок води, породжує аномалії, - у випадку з водою це кристалики льоду або бульбашки пари. Ці аномалії могли стиснутися, утворивши чорні діри. Якби чорні діри були дуже малі, вони б до цього часу випарувалися внаслідок принципу невизначеності в квантовій механіці, як було описано вище. Але якщо їх маса була більше декількох мільйонів тонн (маса гори), вони можуть по колишньому де то літати, і їх дуже важко виявити.

Єдиний спосіб виявити темну матерію, рівномірно розподілену по Всесвіту, грунтувався б на її вплив на розширення Всесвіту. Наскільки гальмується швидкість розширення, можна визначити, вимірявши швидкість віддалення від нас далеких галактик. Справа в тому, що, коли світло від цих галактик досягає нас, ми спостерігаємо їх давнє минуле. Можна накреслити графік залежності швидкості галактик від їх видимої яскравості і величини, що і є мірою їх віддаленості від нас. Різні лінії на цьому графіку відносяться до різних темпами уповільнення розширення. Вигнутий графік відноситься до Всесвіту, яка стиснеться. На перший погляд, графіки кажуть про прийдешнє стисненні. Але біда в тому, що видима яскравість галактики - не дуже хороший показник її віддаленості від нас. Існує не тільки значний розкид в природженою яскравості галактик, але є ще й свідчення, що їх яскравість змінюється з часом. Оскільки ми не знаємо, якою мірою може змінитися яскравість, ми не можемо сказати, який темп уповільнення: чи то він достатній, щоб врешті-решт Всесвіт початку стискуватися, то вона буде розширюватися вічно. Доведеться почекати, поки ми не розробимо кращі способи вимірювання відстані до галактик. Але можна не сумніватися, що темп уповільнення не так великий, щоб Всесвіт стиснулася в найближчі мільярди років.

Ні вічне розширення, ні стиснення через сто мільярдів років не є такою вже цікавою перспективою. Чи немає чого небудь такого, що зробило б майбутнє більш цікавим? Одним з безсумнівно цікавих шляхів була б можливість потрапити в чорну діру. Це повинна бути досить велика чорна діра, за масою більш ніж у мільйон разів перевищує Сонце. Але є шанс, що в центрі Галактики є чорна діра таких розмірів.

Ми не знаємо точно, що відбувається всередині чорної діри. Для рівнянь загальної теорії відносності існують рішення, що дозволяють впасти в чорну діру і вийти десь інде з білої діри. Біла діра - це пущена назад чорна діра. Це об'єкт, з якого можна вийти, але в який не можна потрапити. Біла діра могла б бути десь в іншій частині Всесвіту. Схоже, це дало б нам можливість для швидких міжгалактичних подорожей. Біда в тому, що ці подорожі можуть виявитися занадто швидкими. Якби подорож через чорні діри було можливо, то, схоже, ніщо не завадило б вам повернутися назад ще до того, як ви звідти відбули. Тоді ви можете зробити що небудь на зразок вбивства своєї матері, що перешкодить вам зайняти початкову позицію.

Можливо, на щастя для нашого виживання (і для життя наших матерів), фізичні закони не дозволяють таких подорожей у часі. Схоже, існує якийсь Агентство захисту хронології, не пускає мандрівників у минуле і тим самим робить світ безпечним для істориків. Ось що може статися, якщо хтось проникне в минуле: під дією принципу невизначеності це справить велике кількість випромінювання; отримане випромінювання або так викривити простір час, що буде неможливо повернутися в часі, або простір час закінчиться в сингулярності зразок Великого Вибуху або Великого Стиснення. У будь-якому випадку наше минуле буде захищена від зловмисників. Гіпотеза про захист хронологією підтримується деякими недавніми розрахунками, пророблену мною та іншими людьми. Але найкращим свідченням того, що подорожі в часі неможливі і ніколи не будуть можливі, є той факт, що до нас не вторгаються орди туристів з майбутнього.

Підіб'ємо підсумок: вчені вірять, що Всесвіту управляють чіткі закони, в принципі дозволяють передбачати майбутнє. Але рух, дане законами, часто хаотично. З цього випливає, що найменша зміна початкової ситуації може привести до зміни в подальшому поведінці, і ці зміни швидко розростаються. Тому на практиці часто можна точно передбачити майбутнє тільки на короткий час. Проте поведінка Всесвіту в дуже великому масштабі видається простим і нехаотічним. Тому можна передбачити, чи буде вона розширюватися вічно або врешті-решт почне стискатися. Це залежить від сьогоднішньої щільності Всесвіту. Насправді її нинішня щільність здається дуже близькою до критичної, яка розділяє стиск і вічне розширення. Якщо теорія інфляції вірна, Всесвіт дійсно знаходиться на лезі бритви. Так що я, продовжуючи добру традицію оракулів і пророків страхуватися, передбачаю обидва варіанти.

14. Диски безлюдного острова: інтерв'ю

Бі бі сі початку транслювати передачу «Диски безлюдного острова» в 1942 році, і ця програма встановила на радіо рекорд довговічності. До теперішнього часу вона стала чимось на зразок національного надбання. За всі ці роки програма прийняла величезну кількість гостей. У ній брали інтерв'ю у письменників, артистів, музикантів, кіноакторів і кінорежисерів, діячів спорту, коміків, кухарів, садівників, вчителів, танцюристів, політиків, членів королівської сім'ї, мультиплікаторів - і вчених. Гостей (до них завжди зверталися як до потерпілих аварію корабля) просили обрано вісім аудіозаписів, які вони взяли б на себе руки, якби їм довелося залишитися на самоті на безлюдному острові. Їх також просили назвати предмет розкоші (неживий) і книгу (передбачалося, що відповідний релігійний текст - Біблія, Коран - вже є на острові, так само як і твори Шекспіра). Наявність засобів відтворення вважалося само собою зрозумілим. Рекламуючи програму, зазвичай оголошували: «... Передбачається, що у вас є грамофон і безліч голок до нього». Сьогодні передбачається, що для прослуховування записів є заряджається від сонячного світла CD плеєр.

Програма виходила в ефір щотижня, і в ході інтерв'ю, що тривали, як правило, сорок хвилин, програвали записи за вибором гостей. Однак представлене тут інтерв'ю зі Стівеном Хокінгом, що транслювалося на Різдво в 1992 році, як виняток тривало довше. Інтерв'ю брала Сью Лоулі.

Сью: Стівен, будучи відрізаним від нормальної фізичного життя і позбавленим усіх природних засобів спілкування, ви в деякому роді вже знайомі з ув'язненням на безлюдному острові. Наскільки вам самотньо від цього?

Стівен: Я не вважаю себе відрізаним від нормального життя і не думаю, що оточуючі мене люди сказали б, що я самотній. Я не відчуваю себе інвалідом - а просто людиною з поразкою рухових нейронів, начебто дальтоніка. Думаю, моє життя не назвеш нормальною, але в духовному сенсі вона нормальна.

Сью: Проте, на відміну від багатьох викинутих на безлюдний острів, ви вже довели собі, що духовно та інтелектуально самодостатні, що у вас вистачає теорій і натхнення, щоб зайняти себе.

Стівен: Вважаю, я від природи трохи інтроверт, і мої труднощі в спілкуванні змусили мене покладатися тільки на самого себе. Але в дитинстві я був балакучим. Мені потрібні дискусії з іншими людьми. Я виявив, що виклад ідей іншим мені дуже допомагає. Навіть якщо співрозмовники не висловлюють нічого цікавого, сама необхідність організовувати свої думки так, щоб вони були зрозумілі іншим, часто підказувала мені новий шлях вперед.

Сью: А як же щодо емоційного задоволення, Стівен? Навіть блискучому фізику для цього потрібні інші люди.

Стівен: Фізика - це прекрасно, але вона холодна. Я б не виніс життя, в якій була б лише одна фізика. Як і всім людям, мені потрібні тепло, любов і прихильність. І знову мені дуже пощастило, набагато більше, ніж багатьом іншим, які страждають таким же недугою, - я отримував масу любові і тепла. І музика теж багато для мене значить.

Сью: Скажіть, що доставляє вамбольше задоволення - фізика або музика?

Стівен: Повинен сказати, що задоволення, випробуваний мною, коли що то виходило у фізиці, сильніше, ніж те, яке мені коли або доставляла музика. Але виходило у мене лише кілька разів за всю мою кар'єру, в той час як диск можна поставити будь-коли.

Сью: І який же диск ви поставили б першим на безлюдному острові?

Стівен: «Gloria» Пуленка. Я вперше почув її минулого літа в Аспені, Колорадо. Аспен насамперед лижний курорт, але влітку там збираються фізики. Поряд з фізичним центром стоїть величезний намет, де проходить музичний фестиваль. Поки ви сидите, досліджуючи, що виходить, коли випаровується чорна діра, чути, як йдуть репетиції. Це ідеально: тут поєднуються два головних задоволення - фізика та музика. Якби на безлюдному острові у мене були вони обоє, нехай би мене звідти і не визволяли. Тобто до тих пір, поки я не зробив би в теоретичній фізиці відкриття, про яке захотілося б розповісти всім. Думаю, супутникова тарілка, завдяки якій я міг би отримувати статті з фізики, вже не за правилами гри.

Сью: Виступаючи по радіо, можна сховати фізичні дефекти, але в даному випадку маскується ще дещо. Сім років тому, Стівен, ви в повному розумінні слова втратили голос. Нe могли б ви розповісти, що ж тоді сталося?

Стівен: У 1985 році я був у Женеві, в CERN, на великому прискорювачі часток. Я збирався поїхати звідти в Байрейт, до Німеччини, послухати вагнерівське «Кільце Нібелунгів». Але захворів на запалення легенів і ліг до лікарні. Женевські лікарі порадили моїй дружині відключити апарат, який підтримував моє життя. Але дружина не хотіла й чути про це. Мене перевезли на літаку в лікарню Адденбрук в Кембриджі, де хірург на ім'я Роджер Грей провів трахеотомію. Операція врятувала мені життя, але голоси я позбувся.

Сью: Але до того часу ваша мова і так була дуже нерозбірливою, чи не так? Напевно, дар мови все одно залишив би вас, так?

Стівен: Хоча моя мова і була нерозбірливою, близькі мене розуміли. Я міг проводити семінари з перекладачем і диктувати наукові статті. Але після операції я деякий час був просто спустошений. Я відчував, що якщо знову не знайду голос, то далі жити не варто.

Сью: Потім один комп'ютерник з Каліфорнії прочитав про ваш стан і прислав вам голос. Як він працює?

Стівен: Його звали Уолт Уолтосц. Його теща опинилася в тому ж стані, що і я, і він розробив комп'ютерну програму, щоб допомогти їй спілкуватися. Курсор рухається по екрану і коли виявляється на потрібному рядку меню, ви рухом голови або очей - а в моєму випадку руки - натискаєте на ключ. Таким чином можна вибирати слова в нижній частині екрана. Коли набрав те, що хочеш сказати, текст можна надіслати на мовний синтезатор або зберегти на диску.

Сью: Але це довгий справу.

Стівен: Так, довгий - приблизно в десять разів повільніше нормальної мови. Але мовної синтезатор говорить набагато виразніше, ніж я раніше. Британці називають його акцент американським, а американці - скандинавським або ірландським. Нo який би він не був, мене всі розуміють. Мої старші діти звикли до мого природному голосу, але молодший син, якому під час трахеотомії було всього шість років, до того ніяк не міг мене зрозуміти. Тепер труднощів немає. Для мене це дуже багато значить.

Сью: Це також означає, що ви можете попросити заздалегідь записати всі питання інтерв'юера, і залишається тільки відповісти, коли будете готові, так?

Стівен: Для запису довгих програм на зразок цієї добре мати питання заздалегідь, щоб не витрачати годинами магнітну стрічку даремно. У певному сенсі це дає мені більше можливості для контролю. Але насправді я волію відповідати на питання без підготовки. Так я роблю після семінарів і популярних лекцій.

Сью: Але, за вашими словами, такий процес дає вам можливість контролю, а я знаю, як це важливо для вас. Ваша сім'я і друзі іноді називають вас впертим і свавільним. Ви визнаєте себе винним в цих гріхах?

Стівен: Будь-якого розсудливої ​​людини іноді називають впертим. Я б сказав, що я швидше рішучий. Не будь я досить рішучим, мене б зараз тут не було.

Сью: Ви завжди були таким?

Стівен: Я просто хочу мати ту ж ступінь контролю над своїм життям, що і інші. Занадто часто життям інваліда керують інші. Жоден здорова людина не примирився б з цим.

Сью: Давайте послухаємо ваш другий диск.

Стівен: Концерт для віолончелі Брамса. Це був перший довгограючий диск, який я купив. Сталося це в 1957 році, коли записи на 33 обороту в хвилину в Британії щойно з'явилися. Мій батько вважав покупку програвача безрозсудним триньканням, але я переконав його, що сам зможу зібрати програвач з куплених задешево частин. Як йоркширців, цей довід здався йому переконливим. Я вставив вертушку і підсилювач в корпус від старого грамофона на 78 обертів. Якби він зберігся, то зараз був би цінність.

Коли я спорудив цей програвач, знадобилося що те, щоб крутити на ньому. Один шкільний товариш запропонував Концерт для віолончелі Брамса, тому що ні у кого з моїх друзів такого запису не було. Пам'ятаю, платівка коштувала тридцять п'ять шилінгів, на ті часи великі гроші, особливо для мене. З тих пір ціни на записи виросли, але насправді вони зараз набагато дешевше.

Коли я вперше почув цю запис в магазині, мені її звучання здалося дивним і не дуже сподобалося, але я відчував, що повинен її похвалити. Однак з роками вона стала для мене дуже багато значить. Мені б хотілося програти її повільну першу частину.

Сью: Один старий друг вашої родини сказав, що за часів вашого дитинства вона була (цитую) «дуже інтелектуальної, дуже розумною і дуже ексцентричною». Озираючись у минуле, чи вважаєте ви цю характеристику вірною?

Стівен: Я не можу сказати, наскільки моя сім'я була інтелектуальною, але ми безумовно не вважали себе ексцентричними. Однак за мірками Сент Олбанс ми, напевно, такими могли здатися. Коли ми жили там, це було дуже благочинні місце.

Сью: Ваш батько був фахівцем по тропічних хвороб?

Стівен: Мій батько проводив дослідження в області тропічної медицини. Він досить часто їздив до Африки випробовувати нові препарати.

Сью: Значить, більший вплив на вас справила ваша мати, а якщо так, то як ви охарактеризуєте цей вплив?

Стівен: Ні, я б сказав, що більший вплив справив на мене батько. Я брав приклад з нього. Оскільки він був науковим дослідником, я вважаючи, що наукові дослідження - це основне заняття дорослих. Єдина відмінність була в тому, що мене не залучали медицина і біологія, бо не здавалися мені точними науками. Хотілося чогось більш фундаментального, і я вибрав для себе фізику.

Сью: Ваша мати вважає, що у вас завжди було, як вона висловилася, «сильне почуття дива». «Я бачила, що його тягне до зірок», - сказала вона. Ви пам'ятаєте це?

Стівен: Пам'ятаю, як то пізно вночі я приїхав додому з Лондона. Тоді в цілях економії світло на вулицях опівночі вимикали. І я побачив нічне небо, яким не бачив його ніколи раніше, - з Чумацьким Шляхом впоперек. На моєму безлюдному острові не буде вуличних ліхтарів, так що я зможу добре бачити зірки.

Сью: Очевидно, ви були обдарованою дитиною, ви часто суперничали в домашніх іграх з вашою сестрою, але в класі ви могли дуже відставати, і вас це зовсім не турбувало, вірно?

Стівен: Так було в мій перший рік в сент олбансской школі. Але мушу сказати, я вчився в дуже обдарованого класі і на іспитах проявляв себе краще, ніж у повсякденній роботі. Я не сумнівався, що міг вчитися дуже добре, а відставав тільки із за почерку і взагалі із за неакуратність.

Сью: Запис номер три?

Стівен: На останньому курсі в Оксфорді я прочитав роман Олдоса Хакслі «Контрапункт». У романі описуються тридцяті роки і діє безліч персонажів. Більшість з них надумані, але один, більш людяний, безсумнівно копіює самого Хакслі. Цей персонаж вбиває лідера британських фашистів - образ, намальований з сера Освальда Мослі. Він повідомляє партії про свій вчинок і ставить платівку зі струнним квартетом Бетховена, соч. 132. А в середині третьої частини підходить на стук до дверей і його вбивають фашисти.

Взагалі то це нікчемний роман, але Хакслі дуже правильно обрав музику. Якби я знав, що на мій острів насувається цунамі, я б завів третю частину цього квартету.

Сью: Ви поїхали в Оксфорд, в Юніверсіті коледж, вивчати математику і фізику. Там ви працювали над своїми розрахунками в середньому годину в день. Але, як я читала, ви із задоволенням займалися веслуванням, пили пиво і влаштовували дурні жарти над людьми. У чому ж була справа? Чому ви не обтяжували себе роботою?

Стівен: Був кінець п'ятдесятих, і більшість молоді втратило ілюзії щодо так званого істеблішменту. Здавалося, від майбутнього нічого чекати, крім достатку і ще більшого достатку. Консерватори щойно виграли треті вибори поспіль під гаслом «Ще ніколи не було так добре». Мені й більшості моїх сучасників життя здавалося нудним.

Сью: Проте ви примудрялися за кілька годин вирішувати завдання, які ваші товариші не могли вирішити тижнями. Судячи з їх відгуків, вони розуміли, що у вас винятковий талант. А ви знали про свій талант, як вам здається?

Стівен: Курс фізики в Оксфорді в той час був до смішного легким. Його можна було пройти, не слухаючи лекцій, а просто відвідуючи один два семінару на тиждень. Чи не було потрібно запам'ятовувати багато фактів, а так - кілька формул.

Сью: Але в Оксфорді - чи не так? - Ви вперше помітили, що ваші руки і ноги роблять не зовсім те, що ви від них хочете. Як ви пояснювали це собі в той час?

Стівен: Сказати по правді, перше, що я помітив, це те, що я не можу гребти як потрібно. Потім я впав зі сходів в студентському гуртожитку. Після цього я пішов до лікаря, тому що злякався, що, можливо, пошкодив мозок, але він не знайшов нічого страшного і звелів лише менше пити пива. Після випускних іспитів в Оксфорді я на літо поїхав до Ірану. Після повернення я відчував себе дуже ослабленим, але думав, що це від сильного розлади шлунка, яке там переніс.

Сью: І коли ж ви все таки здалися, визнавши, що у вас дійсно щось серйозне, і вирішили звернутися до лікаря?

Стівен: Я був тоді в Кембриджі і на Різдво поїхав додому. Зима 1962/63 року була дуже холодною. Мама вмовила мене сходити в Сент Олбансі на озеро покататися на ковзанах, хоча я й знав, що не цілком готовий до цього. Я впав і встав з великими труднощами. Мама зрозуміла, що зі мною щось не так, і відвела мене до нашого насіннєвому лікаря.

Сью: Потім три тижні в лікарні. І вам повідомили про найгірше?

Стівен: Це була лікарня Бартс в Лондоні, тому що там працював мій батько. Я пролежав два тижні на обстеженні, але мені не сказали, в чому справа, а лише повідомили, що це не розсіяний склероз і що мій випадок нетиповий. Мені не сказали, що мене чекає, але я здогадувався, що справи погані, і розпитувати не хотілося.

Сью: Зрештою вам все таки сказали, що жити залишилося пару років. Давайте, Стівен, на цьому місці зробимо паузу і послухаємо вашу Третій запис.

Стівен: «Валькірія», дія перша. Це була інша довгограюча платівка, де співають Мельхіор і Леман. Спочатку, ще до війни, вона була записана на 78 оборотів, а потім, в шістдесятих, її перенесли на довгограючу. Після того як у 1963 му мені поставили діагноз «нейромоторние захворювання», я звернувся до Вагнера - він відповідав моєму похмурому, апокаліптичне станом духу. До нещастя, мій мовної синтезатор не дуже добре освічений і вимовляє «Вагнер», пом'якшуючи перші згодні. Мені довелося набрати «Vargner», щоб звучало приблизно так, як треба ^19.

Чотири опери циклу «Кільце Нібелунгів» - це найбільше творіння Вагнера. У 1964 році я ходив на них в Байройті, в Німеччині, з моєю сестрою Філіппов. У той час я знав «Кільце» погано, і «Валькірія», друга опера тетралогії, справила на мене величезне враження. Це була постановка Вольфганга Вагнера, і на сцені панувала майже непроглядна темрява. Це історія кохання двох близнюків, Зигмунда і Зіглінди, розлучених у дитинстві. Вони зустрілися знову, коли Зігмунд знайшов притулок в будинку Хундінга, чоловіка Зіглінди і ворога Зигмунда. Я вибрав уривок з розповіддю Зіглінди про її вимушеної весілля з Хундінга. У розпал урочистостей в зал входить якийсь старий. Оркестр грає тему Вальхалли, одну з найбільш величних в «Кільці», тому що це Вотан, ватажок богів, батько Зигмунда і Зіглінди. Він встромляє меч в стовбур дерева. Меч призначається Зигмунду. В кінці акта Зигмунд вистачає меч, і вони з коханою ховаються в лісі.

Сью: Коли читаєш про вас, Стівен, починає здаватися, що смертний вирок, який залишав вам всього пару років життя, пробудив вас, якщо хочете - змусив зосередитися на життя.

Стівен: Його перша дія було - депресія. Здавалося, що мій стан швидко погіршується. Здавалося, немає ніякого сенсу щось робити, працювати над дисертацією, оскільки я не знав, проживу чи достатньо для того, щоб закінчити її. Але потім справи стали виправлятися. Розвиток хвороби сповільнилося, і я почав просуватися в роботі, зокрема у своєму доведенні, що Всесвіт повинна була початися з Великого Вибуху.

Сью: Ви навіть сказали в одному інтерв'ю, що подумали, нібито ви тепер щасливішими, ніж були до хвороби.

Стівен: Тепер я виразно щасливішими. Раніше життя здавалося мені нудним. Але перспектива померти рано змусила мене зрозуміти, що життя варте того, щоб жити. Так багато можна зробити, кожен може зробити так багато! У мене дійсно є відчуття, що, незважаючи на свій стан, я вніс значний внесок у людські знання. Звичайно, мені дуже щастило, але будь-хто може чогось досягти, якщо докладе достатньо зусиль.

Сью: Можете ви сказати, що не досягли б усього цього, якби не ваша хвороба, - чи це було б занадто просто?

Стівен: Ні, не думаю, що таке захворювання може стати для когось то перевагою. Але для мене воно стало меншим лихом, ніж для інших, тому що не завадило робити те, що я хотів. А хотів я спробувати зрозуміти, як влаштований Всесвіт.

Сью: Вашим натхненником в той період, коли ви намагалися ужитися зі своїм захворюванням, стала молода жінка на ім'я Джейн Уайлд, з якою ви познайомилися на вечірці. Ви полюбили один одного і одружилися. Як би ви оцінили, якою частиною вашого успіху ви зобов'язані Джейн?

Стівен: Без неї я б не впорався, це безперечно. Заручини з Джейн витягла мене з трясовини зневіри. А раз ми мали одружитися, мені потрібно було отримати роботу і закінчити дисертацію. Я почав старанно працювати, і мені це сподобалося. Мій стан погіршувався, і Джейн сама доглядала за мною. На тому етапі ніхто не пропонував нам допомоги, а ми не могли собі дозволити платити за догляд.

Сью: І разом ви кинули виклик лікарів - і не тільки тим фактом, що продовжували жити, а й тим, що у вас були діти. У 1967 році у вас з'явився Роберт, в 1970 м - Люсі, а в 1979 м - Тімоті. Наскільки були приголомшені лікарі?

Стівен: Фактично, лікар, який поставив мені діагноз, умив руки. Він відчував, що нічого не може вдіяти. Після початкового діагнозу я його більше не бачив. Насправді моїм лікарем став мій батько, і за порадами я звертався до нього. За його словами, не було ніяких свідоцтв того, що хвороба передається у спадок. Джейн вдавалося доглядати за мною і двома дітьми. Тільки коли в 1974 році ми поїхали до Каліфорнії, нам знадобилася допомога з боку, - спочатку це був студент, який жив разом з нами, а потім доглядальниці.

Сью: Але тепер ви більше не разом з Джейн.

Стівен: Після трахеотомічної операції мені цілодобово потрібна була доглядальниця. Це вносило все більшу напруженість в наш шлюб. Зрештою я переїхав в нову квартиру в Кембриджі. Тепер ми живемо окремо.

Сью: Давайте ще послухаємо музику.

Стівен: «Бітлз», «Please, Please Me». Після моїх чотирьох досить серйозних прив'язаностей хотілося б трошки розвіятися. Для мене і багатьох інших «Бітлз» прийшли як довгоочікуваний ковток свіжого повітря серед затхлій і нездорової поп музики. Недільними вечорами я часто слухав кращу двадцятку по «Радіо Люксембург».

Сью: Незважаючи на всі звалилися на вас почесті, Стівен Хокінг, - а я повинна спеціально нагадати, що ви люкасовскій професор математики в Кембріджі, коли то це місце займаючи Ісаак Ньютон, - ви вирішили написати популярну книгу про вашу роботу. Гадаю, причина дуже проста - ви потребували грошей.

Стівен: Хоча я і думав, що міг би отримати скромну суму за популярну книжку, головна причина написання «Короткої історії часу» полягала в тому, що мені подобалася ця робота. Я був під враженням відкриттів, зроблених за останні двадцять п'ять років, і хотів розповісти про них людям. Я і не припускав, що вийде так здорово.

Сью: Справді, вона побила всі рекорди і потрапила в «Книгу рекордів Гіннеса» як книга, найдовше протрималася в списку бестселерів, і тримається в цьому переліку до сих пір. Схоже, ніхто не знає, скільки примірників вже продано в усьому світі, але явно більше десяти мільйонів. Очевидно, люди її купують, але питання в тому, чи читають вони її?

Стівен: Я знаю, що Бернард Левін дійшов лише до двадцять дев'яти сторінках, але я також знаю, що дуже багато прочитали далі. У всьому світі люди підходять до мене, щоб сказати, як їм сподобалася моя книга. Можливо, не всі дочитали її до кінця, багато хто зрозумів не все прочитане, але вловили думка, що ми живемо у Всесвіті, керованої розумними законами, які можемо відкрити і зрозуміти.

Сью: Саме ваші чорні діри захопили уяву суспільства і викликали новий інтерес до космології. Ви коли небудь дивилися всі ці «Зоряні шляхи», де «сміливо ступають туди, де жодна людина не ступав раніше» і т. д.? А якщо дивилися, то як вам вони сподобались?

Стівен: Будучи підлітком я читав багато наукової фантастики. Але тепер я сам працюю в цій галузі, і в основному наукова фантастика здається мені кілька поверхневою. Так легко написати про гіперпросторі, переміщуються або провідному людей, якщо вам не доводиться включати його в гармонійну картину світу. Справжня наука набагато більш захоплююча, тому що вона реальна. Фантасти ніколи і не припускали наявності чорних дір, поки про це не задумалися вчені. Але тепер у нас є надійні свідчення існування чорних дір.

Сью: І що відбудеться, якщо впадеш в чорну діру?

Стівен: Будь-який читач наукової фантастики знає, що трапляється, якщо впадеш в чорну діру. Ви перетворитеся на спагетті. За що цікавіше - чорні діри не зовсім чорні. Вони постійно випускають частки і випромінювання. Це змушує їх поступово випаровуватися, але що в результаті відбувається з чорною дірою і її вмістом, так і невідомо. Це захоплююча область досліджень, але наукові фантасти ще не вхопилися за неї.

Сью: І це згадане вами випромінювання звичайно ж назвали випромінюванням Хокінга. Чорні діри відкрили не ви, хоч ви просунули знання про них, довівши, що вони не зовсім чорні. Однак це відкриття змусило вас грунтовно замислитися про походження Всесвіту, чи не так?

Стівен: Стиснення зірки та освіта чорної діри в багатьох відношеннях нагадує розширення Всесвіту, пущене назад. Зірки стискуються зі стану з досить низькою щільністю в стан з дуже високою щільністю, а Всесвіт розширюється зі стану з дуже високою щільністю до стану з меншою щільністю. Тут є важлива відмінність: ми знаходимося поза чорної діри, але всередині Всесвіту. Однак it та і інша характеризуються тепловим випромінюванням.

Сью: Ви говорите, ніби так і невідомо, що ж врешті-решт відбувається з чорною дірою і її вмістом. Але я думала, що б не відбувалося, теоретично, зрештою, все зникло в чорній дірі, в тому числі і астронавт, повернеться у вигляді випромінювання Хокінга.

Стівен: Енергія маси астронавта повернеться випромінюванням з чорної діри. Але сам астронавт або навіть частинки, з яких він перебував, не повернуться. Так що питання в тому, що з ними станеться. Вони знищаться або перейдуть в іншу всесвіт? Ось це мені і не терпиться дізнатися. Але сам я стрибати у чорну діру не планую.

Сью: Стівен, ви працюєте по інтуїції? Тобто приходьте до теорії, яка вам подобається і приваблює вас, а потім намагаєтеся довести її? Або як вченому вам завжди доводиться прокладати логічний шлях до висновку, і ви не намагаєтеся заздалегідь вгадати результат?

Стівен: Я в дуже великій мірі покладаюся на інтуїцію. Я намагаюся вгадати результат, але потім доводиться його доводити. На даному етапі я досить часто виявляю, що мої здогади не відповідають істині, або, як в даному випадку, виявляю щось таке, про що ніколи не думав. Так, намагаючись довести щось інше, я виявив, що чорні діри не зовсім чорні.

Сью: Ще про музику.

Стівен: Одним з моїх улюблених композиторів завжди був Моцарт. Він написав неймовірно багато. У цьому році на мій п'ятдесятий день народження мені подарували повне зібрання його творів на CD - більше двохсот годин музики. Я все ще прокладаю шлях через них. Один з найбільших шедеврів - його Реквієм. Моцарт помер, не завершивши його, і Реквієм дописали його учні по залишених Моцартом фрагментами. Перша частина, яку ми збираємося прослухати, - єдина, повністю написана і прооркестрованная самим Моцартом.

Сью: Дуже спрощуючи вашу теорію (сподіваюся, ви вибачте мене за це, Стівен), можна сказати, що раніше ви вірили, наскільки я розумію, в існування моменту створення світу, в так званий Великий Вибух, але більше не вірите. Ви вважаєте, що не було початку і не буде кінця, що Всесвіт самодостатня. Чи означає це, що не було ніякого акту створення і, отже, для Бога не залишається місця?

Стівен: Так, ви занадто спростили. Я по колишньому вірю, що Всесвіт має початок в реальному часі - Великий Вибух. Але є інший вид часу - уявне час, спрямоване перпендикулярно до реального, і в уявному часу Всесвіт не має ні початку, ні кінця. Це означає, що вона могла виникнути за законами фізики. Хто то може сказати, що Бог велів Всесвіту рухатися якимось довільним чином, недоступним нашому розумінню. Але це свідчить не про існування або відсутність Бога, а лише про те, що в Нього не було вибору.

Сью: Але якщо можливо, що Бога немає, як же ви поясните явища, що лежать за межами науки, - любов і віру, те, що люди мали і мають у собі, та й ваше власне натхнення?

Стівен: Любов, віра і мораль належать до іншої галузі знань. Ви не можете вивести людські вчинки з фізичних законів. Але можна сподіватися, що логічні висновки, які роблять фізика і математика, приведуть людини до морального поведінки.

Сью: По моєму, багато хто вважає, що ви фактично обходитеся без Бога. Так ви заперечуєте це?

Стівен: Мої праці показали тільки, що не потрібно говорити, ніби шлях виникнення Всесвіту був особистим капризом Бога. Але питання залишається: чому вона попрацювала виникнути? Якщо хочете, відповіддю на це питання може бути втручання Бога. Сью: Давайте поставимо запис номер сім. Стівен: Я дуже люблю оперу. Спочатку я подумав, не вибрати чи всі вісім дисків з операми, від Глюка та Моцарта, включаючи Вагнера, до Верді та Пуччіні. Але під кінець я урізав їх до двох. У першу чергу це мав бути Вагнер, а другим я зрештою вибрав Пуччіні. «Турандот» набагато перевершує всі інші його опери, і знову ж, він помер, не закінчивши її. Обраний мною уривок - розповідь Турандот про те, як у Стародавньому Китаї принцесу викрали і відвезли монголи. В помсту за це Турандот збирається задати прихильникам, хто просить її руки, три питання, а якщо ті не зможуть відповісти, на них чекає кара.

Сью: Що для вас означає Різдво?

Стівен: Воно трохи нагадує американський День подяки - час, коли прийнято бути з родиною і дякувати за минулий рік. Це також час подивитися вперед на прийдешній рік, символом якого і є народження немовляти в яслах.

Сью: А з матеріалістичної точки зору, яких би подарунків ви попросили? Чи тепер ви такий заможний чоловік, що у вас все є?

Стівен: Я вважаю за краще сюрпризи. Якщо просиш чогось визначеного, то не даєш дарувальнику свободи і можливості скористатися своєю уявою. Але я нічого не маю проти, якщо стане відомо, що я обожнюю шоколадні трюфелі.

Сью: Поки що, Стівен, ви прожили на тридцять років

186

довше, ніж вам пророкували. У вас є діти, хоч і говорили, що їх у вас ніколи не буде, і ви написали бестселер, ви перевернули в головах колишні уявлення про простір і час. Що ще ви плануєте зробити до того, як покинете цю планету? Стівен: Все це стало можливим лише завдяки везінню: мені пощастило, що я отримав величезну допомогу. Я радий тому, що мені вже вдалося, але хотів би зробити набагато більше, перш ніж піду. Не буду говорити про своє особисте життя, а в науці я хотів би дізнатися, як об'єднати гравітацію з квантовою механікою та іншими природними силами. Зокрема, я хочу дізнатися, що відбувається з чорною дірою, коли вона випаровується.

Сью: І тепер останній запис. Стівен: Вам доведеться вимовити її назву за мене. Мій мовної синтезатор - американець і у французькому ні бум бум. Цей запис - пісня Едіт Піаф «Je ne regrette rien» ^20. Якраз, щоб підвести підсумок мого життя.

Сью: А тепер, Стівен, якщо б ви могли взяти з цих восьми записів лише одну, яка б це виявилася?

Стівен: Мабуть, Реквієм Моцарта. Я міг би слухати його, поки не сядуть батарейки в моєму плеєрі.

Сью: А книга? Зрозуміло, зібрання творів Шекспіра і Біблія чекають вас.

Стівен: Думаю, я взяв би «Міддлмарч» Джорджа Еліота. Здається, хтось щось сказав - можливо, Вірджинія Вулф, - що це книга для дорослих. Не впевнений, що я достатньо дорослий, але взяв би її для проби.

Сью: А предмет розкоші?

Стівен: Я попрошу великий запас крем брюле. Для мене це уособлення розкоші.

Сью: Значить, не шоколадні трюфелі - замість них великий запас крем брюле. Доктор Стівен Хокінг, велике вам спасибі за можливість прослухати ваші диски безлюдного острова і щасливого вам Різдва!

Стівен: Спасибо, що вибрали мене. Бажаю вам всім щасливого Різдва з мого безлюдного острова. Тримаю парі, у мене погода краще, ніж у вас.