Квантовые миры Стивена Хокинга

Первый фрагмент из будущей книги Хокинг посвятил истории возникновения и крушения одного из самых загадочных в истории науки понятий – «пятого эфирного элемента». Обращаясь к любимой теме рождения современной науки в смутных проблесках античной метафизики, профессор Хокинг подробно объяснял, какое значение имел термин «эфир» в той же греческой мифологии, часто обозначая всего лишь «божественно чистый свежий воздух». Именно богам-олимпийцам, парящим в заоблачной выси, и предназначался «небесный эфир» для дыхания, подобно амброзии (цветочной пыльце с нектаром) для питания, в отличие от обыкновенного воздуха и пищи простых смертных. Древние греки ассоциировали эфир с одноименным божеством, сыном богини ночи Никс и ее брата – бога тьмы Эребуса.

Позднее Аристотель ввел эфир как пятый элемент – квинтэссенцию – в систему классических элементов: земли, воздуха, воды и огня, изобретенную Ионической философской школой. Он мотивировал свое нововведение тем, что четыре земных элемента находятся в непрерывном изменении и могут перемещаться по прямым линиям, тогда как небесные тела казались ему вечными и неизменными и двигались исключительно по округленным траекториям. Таким образом, эфир в представлении Аристотеля не имел обычных физических свойств и какой-либо внутренней структуры, не был подвержен изменениям и в своем движении вращался исключительно по идеальным окружностям.

Впоследствии эта таинственная гипотетическая субстанция послужила основой для теории распространения света, став «светоносным мировым эфиром». Невидимо пронизывая всю Вселенную, «мировой эфир» определял распространение электромагнитных волн. Он господствовал в физике более двух тысячелетий, вплоть до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою первую работу по теории относительности. Из теории Эйнштейна следовало, что эфир не является необходимой природной сущностью (что со всей определенностью подтвердили эксперименты Майкельсона – Морли, не выявившие каких-либо проявлений эфира при движении в нем Земли).

Таким образом, все теории, которые базировались на гипотетическом «пятом элементе», заняли свое место в паноптикуме науки рядом с теплородом и флогистоном. При этом они постепенно перекочевали со страниц серьезных научных изданий в труды непризнанных гениев-мистиков и разномастных эзотериков, где и деградировали окончательно.

Вот тут профессор Хокинг и поразил всех неожиданной ассоциацией, сопоставляя устаревший эфир и наисовременнейшую идею невидимой темной энергии. Эта всепроникающая субстанция наполняет Вселенную, «расталкивая» материю и заставляя ускоренно разлетаться скопления галактик. По словам Хокинга, еще древним грекам представлялось самоочевидным, что существует некая преимущественная скорость, которую приобретают все частицы, не подверженные действию внешних сил. Наличие этой преимущественной скорости приводит к концепции «абсолютного пространства». Лишь в конце XVI века Галилео Галилей показал ошибочность этих представлений. Идеи и наблюдения Галилея были систематизированы Исааком Ньютоном в законах механики. Кроме того, великий физик создал свой бессмертный труд «Оптика», где попытался связать воедино эффекты влияния гравитации и вещества на свет. Согласно Ньютону, изменение скорости света (ведь скорость света постоянна только в вакууме) объясняется соответствующими изменениями плотности мирового светоносного эфира. Ньютоновские частицы света отклоняются в сторону более высокой плотности или в сторону более сильно притягивающей массы.

Галилей и Ньютон сохранили концепцию «абсолютного времени». Оно могло измеряться хорошо отрегулированными часами, которые согласовывались в пределах возможностей тех часовых механизмов. Абсолютное значение времени можно было задать, отсчитывая его от сотворения мира, которое по оценке англиканского архиепископа Ашера произошло в 4004 году до н. э.

Профессор Хокинг с гордостью подчеркивал, что средневековое понятие эфира выкристаллизовалось именно в… Кембридже! Именно тогда местные философы-схоласты пришли к мнению, что небесный эфир необходимо дополнить еще и плотностью. В то же время они вполне разумно предположили, что плотность небесных тел, включая звезды, должна быть значительно больше плотности эфира. Причем парадокса вечного парения более плотных тел в практически невесомой среде, похоже, никто и не заметил, списав все вопиющие нелепости этой странной картины на божественные силы, понимание сути которых недоступно простым смертным.

Разноречивая информация о мировом эфире, дополненная мифами о его божественном происхождении, сделала эту ошибочную научную идею весьма привлекательной для околонаучных дилетантов. Наиболее упорные из них так и не смирились с полным отсутствием наблюдаемых данных, наделяя эфир богатой внутренней структурой. Так живучие эфирные представления породили множество причудливых теорий, объясняющих те или иные явления с помощью этой вечной всепроникающей среды.

В следующем фрагменте рукописи Хокинг рассказал о самых ранних попытках построить всеобщий образ окружающего Мира. В этой древней картине Вселенной все объяснялось предельно просто, поскольку ход событий и природных явлений направлялся духами. Эти духи населяли природные объекты, такие как реки и горы, а также небесные тела вроде Солнца и Луны. Они обладали человеческими эмоциями, действуя нелогично и непредсказуемо. Этих высших существ нужно было умиротворять и ублажать, чтобы день сменял ночь, нивы плодоносили, а за зимой наступали весна и лето. Текли столетия, и кто-то с критическими взглядами на окружающие вещи подметил существование определенных закономерностей: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, были принесены жертвы богу дневного светила или нет. Более того, Солнце, Луна и планеты двигались по небу строго определенными путями, которые удавалось довольно точно предсказать. Солнце и Луна все еще могли считаться богами, но эти боги повиновались строгим законам, очевидно, никогда не позволяя себе отступлений, если не принимать в расчет таких историй, как предание об Иисусе Навине, остановившем Солнце.

Когда речь заходила об этом воскресшем библейском пророке, влачащем странную полужизнь-полусмерть в подлунном мире, профессор Хокинг вспоминал знаменитый мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шрёдингером. Этому выдающемуся австрийскому теоретику чрезвычайно досаждала соседская кошка с ее невыносимыми мартовскими концертами.

Одна жды Шрёдингер размышлял о зыбкости основ Мироздания, непрерывно сотрясаемого волнами сверхмикроскопических квантовых флуктуаций. Его мысли постоянно отвлекали возмутительные кошачьи рулады под окном. Неожиданно у него родилась мысль о любопытном эксперименте, который впоследствии стал широко известен как «кошка Шрёдингера». Кошку помещают в наглухо закрытый ящик с детектором радиоактивного распада и молотком, закрепленным над колбой с летучим ядом. Если радиоактивный элемент распадается, то срабатывает пусковой механизм, и молоток разбивает колбу. Вероятность этого грустного события (для кошки) – ровно пятьдесят процентов.

Таким образом, когда экспериментатор открывает ящик, то у него равные шансы обнаружить живую или мертвую кошку. При этом по законам квантовой физики получается, что квантовое состояние кошки в закрытом ящике будет смесью состояния мертвой кошки с состоянием живой. Понять это с точки здравого смысла совершенно невозможно, хотя уже два тысячелетия церковники дурачат нам рассказами о воскресших (то есть де-факто мертвых, но де-юре живых) святых пророках.

Философы науки до сих пор путаются в объяснении подобных парадоксов. Кошка не может быть одновременно наполовину живой и наполовину мертвой от яда, как не может быть человек наполовину усопшим в могиле и наполовину воскресшим на небесах.

Сам Хокинг так объяснял смысл мысленного опыта с кошкой Шрёдингера: суть парадокса в том, что подчеркивается противоречивость объединения большого и сверхмалого. Трудности интерпретации возникают оттого, что экспериментатор подходит к «квантовой кошке» с мерками повседневной реальности, где любой живой организм – кошка или человек – имеет определенную и единственную предысторию. Но весь фокус в том, что в квантовой физике предлагаются совсем иные взгляды на реальность. Каждый микроскопический квантовый объект имеет не единственную предысторию, а целый их веер. В большинстве случаев вероятность какой-то одной предыстории отменяется вероятностью несколько иной, но в определенных случаях вероятности соседних предысторий только усиливают друг друга. И одну из этих усиленных предысторий мы видим как предысторию объекта.

В случае с кошкой Шрёдингера две возможные предыстории усилили друг друга. В одной кошка отравлена, а в другой – жива. В квантовой теории обе возможности могут существовать вместе. Но некоторые современные философы сбиваются с толку, поскольку косвенно предполагают, что кошка или некий Иешуа Назаретянин могут иметь только одну предысторию.

Спор между сторонниками и противниками абсолютной фундаментальности квантовой теории еще далеко не закончен и изредка разгорается с новой силой, вводя в круг обсуждаемых вопросов весьма необычные и даже фантастические предметы, такие как «квантовое сознание наблюдателя». Все это еще раз подчеркивает, насколько далеки от повседневной действительности современные концепции теоретической физики. Во всяком случае они, так или иначе, во многом противоречат обыденным представлениям об окружающем нас классическом мире. Исходя из этого многие ученые, особенно занимающиеся другими разделами физики, просто считают квантовую теорию очень удачным математическим образом, позволяющим успешно предсказывать исход тех или иных экспериментов в микрофизике.

Глава 3. Тайны застывших звезд

Падение в черную дыру стало одним из ужасов научной фантастики. На самом деле о черных дырах сейчас можно сказать, что это научный факт, а не фантастика. Есть достаточные основания утверждать, что черные дыры должны существовать, и наблюдения четко указывают на присутствие в нашей Галактике множества черных дыр, а в других галактиках их еще больше.

С. Хокинг.

Черные дыры и младенцы-вселенные

Когда говорят о творческом наследии Хокинга, первым делом упоминают о его гипотезе квантового испарения черных дыр.

Свой рассказ о бездонных провалах Вселенной Хокинг всегда начинал с истории становления Общей теории относительности (ОТО). Дело в том, что Давид Гильберт вывел уравнения гравитационного поля почти одновременно с Эйнштейном, который опередил его всего лишь на пару недель. Поэтому, хотя Гильберт исходил из идей Эйнштейна, главные уравнения общей теории относительности называют уравнениями Гильберта – Эйнштейна. Сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании ОТО. Уравнения Гильберта – Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Оказалось, что там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальные тела как бы прогибают пространство и катятся по образовавшимся впадинам, минуя выпуклости. И вот что замечательно: из уравнений следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий, и он разный в различных областях пространства. В перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать или резко ускоряться.

В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу о том, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно. Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.

Строение черной дыры

Можно сказать, что гравитационный коллапсар все поглощает и почти ничего не выпускает. Собственно говоря, в этом и состоит смысл термина «черная дыра».

Внутри черной дыры располагается нечто грандиозное и загадочное, называемое сингулярностью. Само по себе понятие сингулярность очень трудно сопоставить с реалиями нашей жизни. Слово singularis в переводе с латыни означает «единственный» или «особенный» (отсюда в музыке «сингл» – одна песня).

Сингулярности возникают, когда звезды находятся в конце жизненного пути, когда ослабевают их внутренние силы. Тогда тяжесть внешней оболочки затухающего светила выигрывает борьбу с потоком ядерного излучения, и звезда начинает стремительно обрушиваться внутрь самой себя. Это звездное «схлопывание» называют гравитационным коллапсом, от латинского collapsus – упавший. В этом случае на месте звезды возникает «гравитационный коллапсар», или черная дыра, иногда ее называют более поэтично – застывшая (замерзшая, темная) звезда.