Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

– Откуда вы знаете? – свирепо спросил Хойл.

– Я посчитал, – медленно выговорил Хокинг.

По залу прокатился смущенный смех. Это Хойлу совсем не пришлось по душе. Юный выскочка взбесил его. Однако враждовали они недолго: Хокинг показал, что он слишком хорош как физик для подобных споров. Однако Хойл решил, что поступок Хокинга неэтичен, и так и сказал. На это Хокинг с коллегами ответили, что Хойл тоже поступил неэтично, когда обнародовал непроверенные результаты. Единственным, кто был совершенно ни при чем и на кого тем не менее обрушился гнев Хойла, стал оказавшийся между двух огней Нарликар.

Нет никаких сомнений, что интеллектуально Хойл ни в чем не уступал Хокингу, однако в этом случае молодой человек был абсолютно прав: величина, о которой говорил Хойл, и в самом деле расходилась, а это означало, что последняя часть его теории неверна. Хокинг написал статью о своих математических выкладках, которые заставили сделать этот вывод. Статью приняли хорошо, и у Хокинга сложилась репутация подающего надежды молодого исследователя. Стивен продолжал работать над диссертацией под руководством Сиамы, но в разреженной атмосфере космологических исследований о нем заговорили как о независимой величине.

* * *

В первые два года в Кембридже симптомы бокового амиотрофического склероза быстро усугублялись. Хокингу стало очень трудно ходить, он не мог пройти и нескольких шагов без трости. Друзья помогали ему чем могли, но он почти всегда отказывался от помощи. Мучительно медленно он двигался по комнатам и коридорам, опираясь не только на трость, но и на стены и мебель. Во многих случаях и этого было мало. Сиама и его коллеги прекрасно помнят, что в те дни Хокинг то и дело приходил в кабинет с повязкой на голове – это означало, что он в очередной раз упал и сильно ударился.

Болезнь затронула и речь. Теперь у Стивена не просто заплетался язык – слова стало трудно разобрать, и даже близкие коллеги зачастую не понимали, что он говорит. Однако все это не мешало ему работать, более того, лишь подхлестывало. Еще никогда он не работал так быстро и плодотворно, и это показывает, как он относился к болезни. Как ни безумно это звучит, Хокинг не придавал своему недугу особого значения. Конечно, он сталкивался со всеми препятствиями и унижениями, с какими сталкиваются в нашем обществе инвалиды; естественно, ему приходилось приспосабливаться к своему состоянию и жить в особых обстоятельствах. Однако болезнь не затронула самую суть его бытия – его разум – а значит, не повлияла на работу.

Разумеется, сам Хокинг первым хотел бы не придавать значения болезни и сосредоточиться на главном – на научных достижениях. Его коллеги и сотрудники, а также физики со всего мира, относящиеся к нему с глубочайшим уважением, не видят, чем Хокинг отличается от всех остальных. Их не волнует, что он не может двигаться и говорить без высокотехнологичных устройств, присоединенных к кончикам пальцев. Для них он друг, коллега, а главное – великий ученый.

Когда Стивен примирился с болезнью и нашел Джейн Уайлд – спутницу жизни, которая понимала его без слов, – он буквально расцвел. Они с Джейн обручились, она стала гораздо чаще приезжать по выходным. Всем было очевидно, что они на седьмом небе от счастья и созданы друг для друга. Джейн вспоминает: «Мне нужен был смысл существования, и я, наверное, обрела его в мысли, что буду ухаживать за ним. Но мы любили друг друга».[20 - Appleyard Bryan. Master of the Universe: Will Stephen Hawking live to find the secret? «Express News», San Antonio, Texas (July 3, 1988).] А однажды она сказала: «Я решила, как мне быть, и так и поступила. Он был очень, очень целеустремленным, очень честолюбивым. Примерно как сейчас. Когда мы познакомились, болезнь уже начала проявляться, поэтому я не знала Стивена здоровым и бодрым».[21 - Overbye Dennis. The wizard of space and time. «Omni» (February 1979). P. 45–107.]

Для Хокинга помолвка с Джейн стала, вероятно, главным событием в жизни. Она показала ему, ради чего стоит жить дальше, и придала решимости, она изменила все. Если бы не помощь Джейн, Стивен, скорее всего, не смог бы вынести этих испытаний – да и не захотел бы.

С тех пор он покорял научные вершины одну за другой, и Сиама поверил, что Хокинг, вероятно, все-таки сможет собрать воедино разрозненные фрагменты диссертации. Ручаться за успех было еще нельзя, но тут все решил еще один счастливый случай.

Исследовательская группа Сиамы заинтересовалась работами молодого прикладного математика Роджера Пенроуза, который тогда работал в Биркбек-колледже в Лондоне. Пенроуз был сыном выдающегося генетика, учился в Университетском колледже в Лондоне, а в начале 1950-х перебрался в Кембридж. После стажировки в США он в начале 1960-х начал разрабатывать идеи теории сингулярности, которые прекрасно соответствовали представлениям, следовавшим из работ сотрудников кафедры прикладной математики и теоретической физики. Кембриджская группа стала ходить на доклады в Королевском колледже в Лондоне, где профессором прикладной математики был великий математик и соавтор теории стационарной вселенной Герман Бонди. Оказалось, что Королевский колледж – очень удобное место встречи для Пенроуза (которому нужно было приехать с другого конца Лондона), кембриджских ученых и небольшой компании физиков и математиков из того же колледжа. Сиама брал на эти встречи Картера, Эллиса, Риса и Хокинга с мыслью о том, что обсуждавшиеся на семинарах вопросы полезны для их работы. Однако иногда Хокингу было настолько трудно добраться до Лондона, что поездки едва не срывались.

Брендон Картер вспоминает один такой случай, когда они опоздали на станцию и поезд уже подъехал. Они побежали за вагоном, забыв про Стивена, который ковылял следом, опираясь уже на две трости. Только в вагоне они сообразили, что его рядом нет. Картер выглянул в окно, увидел жалкую фигуру, плетущуюся к ним по платформе, и понял, что поезд сейчас тронется и Стивен может не успеть. Все знали, как Хокинг злится, если к нему относятся не так, как ко всем, и старались не навязывать ему помощь. Но в тот раз Картер с приятелем спрыгнули на платформу, чтобы помочь Стивену дойти до дверей и сесть в поезд.

Если бы Хокинг пропустил хотя бы одну из этих лондонских встреч, это была бы горькая гримаса судьбы, поскольку именно благодаря им наметился новый поворот во всей его научной карьере. Как-то раз на докладе в Королевском колледже Роджер Пенроуз познакомил коллег с представлением о сингулярности пространства-времени в центре черной дыры, и кембриджскую группу это, естественно, очень увлекло. Вечером по дороге домой в Кембридж они сидели в купе второго класса и обсуждали все, что узнали сегодня на докладе. Хокингу не хотелось разговаривать, и он смотрел в окно на темнеющие поля, мчавшиеся мимо, и на отражение приятелей в стекле. Коллеги спорили о тонкостях математической модели Пенроуза. Тут Хокинга осенило, и он отвернулся от окна и сказал сидевшему напротив Сиаме: «Интересно, что будет, если применить теорию сингулярности Пенроуза ко всей Вселенной». Как выяснилось, одна эта идея, в сущности, спасла диссертацию Хокинга и открыла перед ним дорогу к славе звезды первой величины в мире науки.

Пенроуз опубликовал свои идеи в январе 1965 года; к этому времени Хокинг уже принялся за работу, а все благодаря вдохновению, которое снизошло на него по дороге домой из Лондона в Кембридж вечером после доклада. Применить теорию сингулярности ко всей Вселенной – задача отнюдь не из простых, и через несколько месяцев Сиама заподозрил, что его юный студент вот-вот совершит поразительное открытие. А Хокинг впервые погрузился в работу с головой. Он рассказывает:

Я… всерьез взялся за работу впервые в жизни. И неожиданно обнаружил, что мне это нравится. Может быть, нечестно называть это работой. Кто-то когда-то сказал: «За то, что нравится, платят только ученым и проституткам».[22 - Hawking. A Short History.]

Когда Хокинг решил, что математические расчеты, стоящие за его идеями, его устраивают, он приступил к самому тексту. Тут пришлось основательно повозиться, поскольку первую половину пребывания в Кембридже Хокинг, в сущности, блуждал в потемках. Они с Сиамой долго не могли подобрать ему подходящую тему, поэтому в диссертации осталось много пробелов и вопросов без ответа. Но все спасло применение теории сингулярности, мысль, посетившая Хокинга на третьем году.

Последняя глава диссертации Хокинга – шедевр научной мысли, и именно за нее ему присудили степень доктора философии. Оценивали работу научный руководитель Деннис Сиама и независимый эксперт. Диссертацию могут не только принять или отклонить, но и отложить защиту, и тогда соискатель должен подать ее повторно через некоторое время, обычно через год. Благодаря последней главе Хокинг избежал подобных унижений, и комиссия присудила ему искомую степень. С тех пор двадцатитрехлетний физик получил право именоваться «доктор Стивен Хокинг».

Глава 5

От черных дыр к большому взрыву

К началу 1960-х астрономы уже выяснили, что любая звезда, в которой содержится в три раза больше вещества, чем в нашем Солнце, обречена рано или поздно погибнуть, схлопнувшись под воздействием собственной массы в так называемую черную дыру. Более чем за два десятка лет до этого ученые, опираясь на уравнения ОТО Эйнштейна, вычислили, что такой объект искривляет пространство-время вокруг себя таким образом, что эта масса оказывается полностью отрезанной от остальной Вселенной. Если мимо черной дыры пройдет луч света, его согнет так, что даже фотоны будут кружиться по орбите вокруг центральной «звезды» и никогда не смогут вырваться во внешнюю Вселенную. Очевидно, поскольку такой объект не излучает света, он будет черным, и именно поэтому американский релятивист Джон Уилер в 1969 году назвал эти мертвые звезды черными дырами.

Но хотя все знали, что ОТО предсказывает существование подобных объектов, к тому времени, когда Хокинг завершал учебу в университете и переходил к самостоятельным исследованиям, к идее черных дыр никто не относился серьезно. Дело в том, что было открыто уже очень много звезд с массой гораздо больше трех масс Солнца. Они не схлопываются, потому что идущие в их недрах ядерные реакции поддерживают высокую температуру. Жар создает направленное наружу давление, которое и позволяет звезде сопротивляться гравитации. Астрономы знали, что, когда у таких звезд кончается ядерное «топливо», они взрываются и выбрасывают в космическое пространство свою внешнюю оболочку. Еще тридцать лет назад астрономы считали, что в результате подобного взрыва выбрасывается столько вещества, что масса оставшегося ядра меньше трех масс Солнца, а может быть, когда остатки звезды начинают сжиматься, в игру вступает какое-то другое давление, природу которого еще не выяснили.

Это ошибочное представление подкреплялось еще и тем, что астрономы постоянно открывали старые мертвые звезды. Эти звездные останки всегда имели массу чуть меньше массы Солнца, однако сжимались в объем, примерно равный объему Земли. Такие звезды размером с планету называются белыми карликами. Гравитации, которая сжимает их изнутри, противостоит давление высвободившихся из атомов электронов, которые действуют как электронный газ. Белые карлики такие плотные, что каждый кубический сантиметр их вещества весит миллион граммов. До 1967 года это были самые плотные известные объекты во Вселенной.

Но, хотя астрономы не предполагали всерьез, что может существовать что-то плотнее белого карлика, некоторым математикам нравилось развлекаться с уравнениями Эйнштейна, чтобы разобраться, что будет с веществом, если его сжать до еще более высоких плотностей. Уравнения говорили, что, если в три раза больше вещества, чем в Солнце, сжать до сферы с радиусом чуть меньше девяти километров, пространство-время в окрестностях этой сферы исказится так сильно, что оттуда не сможет вырваться даже свет. Мы знаем, что быстрее света перемещаться невозможно, следовательно, из окрестностей такого объекта не может вырваться в принципе ничего, поэтому математики иногда называли его «коллапсар» («коллапсирующая звезда»). Коллапсар – это бесконечный бездонный провал, куда может упасть все что угодно, но откуда ничего никогда не выходит. А плотность внутри коллапсара выше, чем в ядре атома, а это, как думали теоретики того времени, конечно, невозможно.

На самом деле ученые рассматривали вероятность существования звезд с плотностью атомного ядра, правда, не всерьез. К 1930-м годам физики знали, что ядро атома состоит из тесно упакованных частиц – протонов и нейтронов. Каждый протон несет единицу положительного заряда, нейтроны, как следует из их названия, электрически нейтральны, однако масса нейтрона примерно равна массе протона. В обычных атомах вроде тех, из которых состоит эта книга, каждое ядро окружено облаком электронов. Каждый электрон несет единицу отрицательного заряда, и электронов в атоме столько же, сколько протонов, так что атом в целом электрически нейтрален.

Но в атоме очень много пустого пространства. Ядро крошечное, но очень плотное, а электронное облако огромное (по сравнению с ядром) и разреженное. Пропорции атома таковы, что ядро в нем – словно песчинка посреди концертного зала. В белых карликах некоторые электроны из-за высокого давления оказываются вырванными из атомов, и ядра плавают в море «обобществленных» электронов, принадлежащих звезде в целом, а не конкретному ядру. Но между ядер все равно остается много свободного пространства, хотя это пространство и содержит электроны. Каждое ядро заряжено положительно, а поскольку одинаковые заряды отталкиваются, ядра держатся на расстоянии друг от друга. Однако квантовая теория учит нас, что все же есть способ сделать звезду плотнее белого карлика. Если звезда под воздействием гравитации еще сильнее сжимается, электроны вынуждены соединяться с протонами, образуя нейтроны. В результате получается звезда, состоящая из одних нейтронов, а их можно упаковать тесно, как протоны и нейтроны в ядре атома. Это и есть нейтронная звезда.

Расчеты показывают, что такое может произойти с любой мертвой звездой с массой более чем на 20 % больше массы Солнца (то есть с массой больше 1,2 массы Солнца). Нейтронная звезда с такой массой упакована в сферу радиусом примерно 10 километров, чуть выше земных гор. Плотность вещества нейтронной звезды составляет 10

граммов на кубический сантиметр – то есть 1 с 14 нулями, сто тысяч миллиардов. Но даже такой плотный объект – еще не черная дыра, поскольку свет с его поверхности все же может излучаться во Вселенную.

Чтобы сделать из мертвой звезды черную дыру, нужно сокрушить даже нейтроны, и это хорошо понимали теоретики начала 1960-х. Более того, согласно квантовым уравнениям даже нейтроны не выдержат веса мертвой звезды с массой больше трех масс Солнца, к тому же если после взрывной агонии массивной звезды и останется подобный объект, он полностью схлопнется и превратится в математическую точку под названием «сингулярность». Задолго до того, как коллапсирующая звезда достигнет состояния нулевого объема и бесконечной плотности, она искривит пространство-время вокруг себя, и коллапсар окажется отрезан от внешней Вселенной.

На самом деле уравнения говорят, что, если достаточно сильно сжать любое количество вещества, оно поведет себя точно так же – тоже коллапсирует.

Особая черта объектов массой больше трех масс Солнца состоит в том, что они схлопываются сами, под собственным весом. Но если бы удалось сжать наше Солнце в сферу с радиусом около трех километров, оно тоже превратилось бы в черную дыру. Как и Земля, если сжать ее примерно до сантиметра. В любом случае, если сжать объект до критического размера, гравитация возьмет верх, замкнет пространство-время вокруг объекта, и тот продолжит сжиматься в сингулярность бесконечной плотности внутри черной дыры. Однако следует отметить, что сделать черную дыру гораздо проще, если у тебя есть много массы. Критический размер не просто пропорционален количеству массы, которой вы располагаете: чем меньше сжимаемая масса, тем больше плотность, при которой формируется черная дыра.

Для каждой массы есть свой критический радиус, при достижении которого образуется черная дыра, – так называемый радиус Шварцшильда. Как показывают приведенные примеры, у менее массивных объектов радиус Шварцшильда меньше: чтобы сделать черную дыру, Землю придется сжимать сильнее, чем Солнце, а Солнце – сильнее, чем более массивную звезду. Когда черная дыра сформируется, вокруг нее возникнет поверхность (что-то вроде поверхности моря), отмечающая границу между Вселенной в целом и регионом сильно искаженного пространства-времени, откуда не может вырваться ничего. Это будет горизонт, который можно пройти только в одном направлении (в отличие от поверхности моря!): излучение и материальные частицы проходят за него без всяких затруднений и под воздействием гравитации примыкают к накапливающейся массе сингулярности, но изнутри не прорывается ничего, даже свет.

Тридцать лет назад многих математиков тревожило, что по расчетам в черной дыре обязательно должна быть сингулярность. Их смущала мысль о бесконечной плотности. Однако большинство астрономов придерживались более прагматических представлений. Прежде всего, они сомневались, существуют ли вообще черные дыры. Возможно, думали они, есть какой-то закон физики, из-за которого останки мертвой звезды не могут обладать достаточной массой, чтобы коллапсировать. И даже если черные дыры существуют, их природа такова, что заключенные в них сингулярности невозможно ни наблюдать, ни исследовать. Тогда какая разница, что гласит теория? Ведь даже если точки бесконечной плотности существуют, они скрыты за непроходимыми горизонтами!

Однако у астрономов уже тогда появился повод для беспокойства. Чтобы получить черную дыру из маленькой массы, ее нужно сжимать очень сильно; но если масса больше, сжимать можно слабее. То есть масса около 4,5 миллиардов солнечных масс превратилась бы в черную дыру, если бы сосредоточилась в пределах сферы с диаметром всего вдвое больше солнечной системы.

Казалось бы, такой массы в природе не существует, о ней и говорить смешно. Но вспомним, что в одной только нашей галактике Млечный Путь содержится сто миллиардов звезд. Подобная сверхмассивная черная дыра могла бы сформироваться всего из 5 % их общей массы. А плотность такого объекта была бы несопоставимо меньше, чем плотность атомного ядра или нейтронной звезды: всего грамм на кубический сантиметр, как у воды. То есть черную дыру можно сделать даже из воды – надо только взять ее очень много!