Объяснить гравитацию как работу частиц-вестников не получается. Если попытаться описать силу, удерживающую нас на Земле, в виде обмена гравитонами (частицами-вестниками гравитации) между частицами вещества нашего тела и частицами вещества, из которого состоит Земля, то вроде бы получается квантово-механическая версия теории всемирного притяжения. Однако этим гравитонам тоже придется обмениваться гравитонами, и математически выйдет довольно неопрятно: мы уходим в бесконечность, в математическую бессмыслицу. Бесконечность не вмещается в физическую теорию. Когда бесконечность все-таки пролезает в теорию, физики прибегают к “перенормировке”. Ричард Фейнман использовал перенормировку, создавая теорию для объяснения электромагнитных сил, но его это нисколько не радовало. “Словцо-то умное, — писал он, — но уловка безумная”[8]. Для перенормировки приходится добавлять в уравнения другие бесконечности, а потом сокращать старые и новые. Выглядит сомнительно, хотя на практике вроде бы работает: в результате складываются теории, вполне согласующиеся с практикой. Перенормировка выручила при создании теории электромагнетизма, но с гравитацией она справиться не помогает. Бесконечности, пролезающие в теорию гравитации, куда упорнее и противнее, чем электромагнетические: раз появившись, они уже не уходят. В ХХ веке большие надежды были связаны с теорией супергравитации, которую Хокинг упоминал в своей Лукасовской лекции, и с теорией суперструн, представляющей основные объекты вселенной в виде не точек-частиц, но скорее струн или струнных петель. В этой книге мы расскажем о еще более многообещающих прорывах последних лет. Но полностью решить проблему так и не удалось. А что произойдет, если допустить квантовую механику в область крупных объектов, туда, где безраздельно царит сила всемирного притяжения? Что получится, если пересмотреть объяснение гравитации, предлагаемое общей теорией относительности, в свете того, что нам известно о принципе неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно замерить и положение частицы, и ее движение? Хокинг подошел к проблеме именно с этой стороны и получил парадоксальные результаты: черные дыры оказались белыми, а основным граничным условием оказалось отсутствие граничных условий. И раз мы взялись перечислять парадоксы, вот еще один: пустое пространство не пусто. Позднее мы обсудим, как ученые пришли к такому выводу, а пока лишь скажем, что из принципа неопределенности следует: пустое якобы пространство кишит частицами и античастицами. (Полагаю, по научной фантастике всем знакомы понятия материи и антиматерии.) Общая теория относительности предсказывает искривление пространства-времени в присутствии материи или энергии. Один из примеров такого искривления мы уже приводили: лучи света далеких звезд отклоняются от своего пути, когда проходят мимо массивных объектов вроде Солнца. Обратите внимание на эти два пункта: 1) “пустое” пространство заполнено частицами и античастицами, а значит, и огромным количеством энергии; 2) присутствие этой энергии вызывает искривление пространства-времени. Если оба пункта верны, вселенная должна была свернуться в крошечный мячик. Такого не произошло. То есть при одновременном использовании общей теории относительности и квантовой механики их предсказания, по-видимому, оказываются совершенно неправильными. Обе эти теории сами по себе очень удачны, каждая из них стала плодом замечательных научных достижений ХХ века. Они годятся не только для умозрительных построений, но и для решения многих практических задач. И тем не менее в совокупности они порождают бесконечности и бессмыслицу. Теория всего должна каким-то образом извлечь из этой бессмыслицы смысл. Предсказание в подробностях Вообразите себя вновь инопланетянином, незнакомым с нашей вселенной. Теория всего позволит вам предсказывать любые события в ней… так или не так? Понятно, что вы сможете предсказать существование солнц и планет, галактик и черных дыр. Но сможете ли вы предсказать победителя на следующем Дерби? Насколько подробным будет предсказание? Скорее всего, не очень подробным. Чтобы обработать все данные вселенной, понадобился бы компьютер, во много раз превосходящий мощностью все те, что мы в состоянии хотя бы представить. Хокинг напоминал, что, пусть мы и умеем решать уравнения движения двух тел согласно теории всемирного притяжения, уже уравнение с тремя телами не поддается точному решению — не потому, что для трех тел перестает действовать теория Ньютона, а потому, что слишком усложняются сами вычисления. А в реальной вселенной тел несколько больше трех. Мы не можем предсказать состояние своего здоровья, хотя и понимаем основные принципы медицины, химии и биологии. И здесь тоже проблема в том, что в реальной системе — даже если это всего-навсего система одного человеческого тела — чересчур много элементов, миллиарды и миллиарды. Даже создав теорию всего, мы не научимся делать всеохватывающие прогнозы. Даже если основные принципы окажутся простыми и понятными, работают они весьма сложным образом. “Выучишь за минуту, совершенствуешься всю жизнь вселенной”, перефразируя слоган очередной игры. Но эту игру не осилить и за множество жизней вселенной[9]. Что из этого следует? Теория всего могла бы предсказать, какая лошадь выиграет кубок в следующем году, но ни один компьютер не вместит данные и не осилит вычисления, которые необходимы для такого предсказания. Так, что ли? Есть и другая проблема. Вернемся вновь к принципу неопределенности в квантовой механике. Беспорядок бесконечно малых В царстве бесконечно малых, на квантовом уровне вселенной, нашу способность предсказывать ограничивает принцип неопределенности. Подумайте о странных, вечно занятых обитателях квантового мира — фермионах и бозонах. Прямо-таки зоопарк частиц. Среди фермионов значатся электроны, протоны, нейтроны, каждый протон и каждый нейтрон состоит из трех кварков-фермионов. А еще бозоны: фотоны (вестники электромагнитных сил), гравитоны (представители силы всемирного тяготения), глюоны (сильные взаимодействия), W и Z (слабые взаимодействия). Хотелось бы знать, где все эти господа и другие им подобные находятся, куда несутся и с какой скоростью. Возможно ли это установить? Рис. 2.1. В резерфордовской модели ядра гелия электроны вращались вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Теперь мы знаем, что в силу принципа неопределенности орбиты планет нельзя прочертить так отчетливо, как в этой схеме. На рисунке 2.1 изображен атом, каким его представил Эрнест Резерфорд в Лаборатории Кавендиша в начале ХХ века. На этом рисунке электроны кружат вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Теперь нам известно, что на квантовом уровне все происходит несколько иначе. Орбиты электронов нельзя представлять себе в виде планетарных орбит. Точнее было бы сказать, что они окружают ядро облаком или ульем. Почему эта картинка размыта? Принцип неопределенности превращает жизнь на квантовом уровне в беспорядок и неопределенность — так живут не только электроны, но и все остальные частицы. Как бы внимательно мы ни наблюдали за ними, невозможно одновременно зафиксировать и положение частицы, и характер ее движения. Чем точнее мы измеряем движение, тем менее точно знаем положение частицы, и наоборот. Словно дети на качелях: когда точность одного параметра взмывает вверх, точность другого параметра идет на понижение. Чтобы сделать одно точное измерение, придется соглашаться с возрастающей неопределенностью другого. Чтобы описать движение частицы, приходится рассмотреть все возможные варианты ее движения, а затем вычислить вероятность каждого из этих вариантов. Так мы вступаем в область вероятностей. С такой-то вероятностью частица движется туда, с такой-то вероятностью — сюда. И все же это весьма ценная информация. Немного смахивает на попытки предсказать результаты выборов. Эксперты виртуозно работают с данными опросов. Обрабатывая достаточно большие числа, они получают статистические таблицы, позволяющие предсказать, кто и с каким отрывом победит на выборах, — при этом вовсе не требуется знать, как именно проголосует каждый избиратель. Так и квантовая физика: если рассмотреть множество вариантов движения частиц, то вероятность, что они движутся так-то и так или что находятся скорее в том месте, чем в этом, превращается в конкретную информацию. Эксперты по выборам учитывают, что опрос может повлиять на голосование: отвечая на вопросы, избиратель начинает задумываться над последствиями своего решения. Такая же дилемма стоит и перед физиками, когда они проникают на квантовый уровень: их вмешательство отражается на полученных ими результатах. До сих пор сравнение результатов выборов и жизни частиц работало, но дальше придется от него отказаться: в день выборов каждый гражданин подаст свой голос либо “за”, либо “против”. Его голос будет сохранен в тайне, и тем не менее это вполне конкретное решение. Если бы эксперты разместили в кабинках для голосования скрытые камеры (чудом избежав при этом ареста), они смогли бы узнать, как проголосовал каждый. В квантовой физике подобное невозможно. Физики изобретают хитроумнейшие способы проследить за частицами, но все напрасно. Мир элементарных частиц не просто кажется неопределенным, потому что мы не сумели придумать эффективный метод наблюдения, — этот мир действительно полон неопределенности. Не зря Хокинг в Лукасовской лекции назвал квантовую механику “теорией того, чего мы не знаем и не умеем предсказывать”[10]. Учтя это ограничение, физики по-новому сформулировали задачу науки: теория всего должна представлять собой набор законов, которые позволят предсказывать события в пределах, заданных принципом неопределенности, то есть в большинстве случаев нам придется удовлетвориться статистической вероятностью, без конкретных подробностей. Об этой проблеме и ведет разговор Стивен Хокинг. На вопрос, предопределено ли все теорией всего (или Богом), он отвечает утвердительно: по его мнению, это так. “Но может быть, и не так, потому что мы никогда не сможем узнать, что предопределено. Если теория предопределяет кому-то смерть на виселице, значит, он не утонет, но до какой же степени нужно быть уверенным в судьбе, чтобы отважиться выйти в шторм в море на хлипкой лодчонке”[11]. По этой причине Хокинг считает концепцию свободной воли “вполне удачной теорией, приблизительно описывающей поведение человека”[12]. Существует ли на самом деле теория всего? Некоторые ученые не верят в теорию всего или, допуская, что единый набор законов существует, полагают, что человеку его не обнаружить. Наука будет и впредь совершенствовать накопленные знания, делать новые открытия, влезать в коробочки внутри других коробочек, но до последней, самой глубинной коробочки никогда не доберется. Другие и вовсе считают, что события непредсказуемы, работает элемент случайности. Есть и такие, кто верит, что Бог и люди действуют в тварном мире с куда большей свободой, чем допустила бы детерминистская теория всего. Приверженцы этой веры сравнивают мир, например, с игрой огромного оркестра: ноты записаны, и от них отступаться нельзя, но каждый музыкант исполняет свою партию вдохновенно и творчески, и каждый оттенок каждой ноты предсказать невозможно. Пусть спор о том, возможно ли создать теорию всего и будет ли она когда-нибудь нам по силам, не улажен, среди нас есть люди, готовые хотя бы попытаться. Человек бесстрашен, и его любопытство неутолимо. Иных, того же Стивена Хокинга, вообще ничем не остановишь. Один из участников великого похода, физик Марри Гелл-Манн, так описывает это приключение: “Попытки постичь вселенную, как она устроена, откуда произошла — самое упорное, самое увлекательное занятие во всей человеческой истории. Не удивительно ли, что кучка обитателей маленькой планеты, кружащей вокруг ничем не замечательной звезды в небольшой галактике, чувствует себя призванной постичь вселенную? Эта ничтожная частица творения и впрямь верит, что способна осмыслить целое!”[13] Глава 3 Никому не уступать! Когда Стивену Хокингу исполнилось двенадцать лет, двое одноклассников заключили пари о его будущем: Джон Маккленаген утверждал, что из Стивена “ничего не выйдет”, а Бэзил Кинг — что он “окажется необычайно талантливым”[14]. Заклад — пакетик леденцов. Юный Хокинг отнюдь не казался вундеркиндом. В некоторых воспоминаниях он предстает гением, хотя и непонятно, к чему пригодным, но сам Хокинг помнит себя обычным английским школьником: читать он учился с трудом, его почерк приводил учителей в отчаяние. В классе он болтался где-то посередине, хотя и оговаривается теперь: это, мол, был “на редкость одаренный класс”[15]. Мог ли кто-нибудь предсказать ему научную или техническую карьеру на том основании, что Стивен страстно мечтал понять, как устроены механизмы, и вечно разбирал радио или часы, вот только собрать их обратно не получалось? С координацией у Стивена уже тогда дело обстояло плохо, он не любил спорт и вообще не отличался подвижностью. В играх его принимали в команду одним из последних. Джон Маккленаген имел все основания рассчитывать на свой пакетик сладостей. Бэзил Кинг, вероятно, спорил лишь из верности другу, а может быть, любил ставить на темную лошадку. Или он угадывал в Стивене то, чего не видели учителя, родители и сам Стивен? Свой заклад Кинг так и не востребовал, а пора бы, ведь Стивен Хокинг, ничем в ту школьную эпоху не примечательный, превратился в крупнейшее научное светило нашего времени и стал одним из наших любимых героев. Объяснить тайну подобного преображения не сумеет и самый дотошный биограф. Сам Хокинг говорит, что он “попросту остался ребенком. Я все еще твержу свои “как” и “почему” и порой добиваюсь ответа на свои вопросы”[16]. 1942–1959 Стивен Уильям Хокинг родился в Оксфорде во время Второй мировой войны, 8 января 1942 года. Зима отчаяния и страха, не лучшее время появиться ребенку на свет. Хокинг любит подчеркнуть, что родился ровно через триста лет после смерти Галилея, отца современной науки. Но кто в январе 1942-го вспоминал о Галилее? Родители Стивена, Фрэнк и Изобел Хокинг, были небогаты. Преуспевавший одно время йоркширский дед Фрэнка зарвался, скупая фермерские участки, и разорился во время великой сельскохозяйственной депрессии начала ХХ века. Его отважная супруга, бабушка Фрэнка и прабабушка Стивена, спасла семью от нищеты, открыв школу на дому. Ее решение стать учительницей и наличие у нее достаточной подготовки свидетельствуют, что уже в том поколении семьи образование было в чести. Изобел, мать Стивена, была второй из семерых детей. Ее отец работал в Глазго семейным врачом. Когда Изобел исполнилось двенадцать, семья переехала в Девон. Обеим семьям нелегко было наскрести денег и послать детей в Оксфорд, но обе семьи сделали это. Особенно трогательна решимость родителей Изобел, ведь в 1930-х немногие женщины получали университетское образование. Хотя принимать студенток Оксфорд начал с 1878 года, лишь с 1920 года он начал выдавать им дипломы. Причем Изобел выбрала очень широкий спектр предметов, что необычно для этого университета: здесь, в отличие от американских колледжей свободных искусств и университетов, студенты специализируются рано. Изобел штудировала философию, политику и экономику[17]. Отец Стивена, Фрэнк, добросовестный и целеустремленный молодой человек, с четырнадцатилетнего возраста непрерывно вел дневник и не бросал его до конца жизни[18]. В Оксфорд он попал раньше Изобел и изучал там медицину со специализацией по тропическим болезням. Начало Второй мировой войны застало его на востоке Африки, где он проводил полевые исследования. Фрэнк преодолел огромное расстояние, чтобы добраться до гавани, сел на корабль, вернулся в Англию и хотел записаться в добровольцы. Вместо этого ему поручили продолжать научную работу. Изобел по окончании Оксфорда устраивалась на разные работы, но все они не соответствовали ее способностям и уровню образования. В том числе она трудилась в налоговой инспекции, но это место надоело ей до такой степени, что Изобел ушла и устроилась секретаршей в медицинский институт в Хэмпстеде. Там она и познакомилась с Фрэнком Хокингом. Вскоре после начала войны они поженились. В январе 1942 года Хокинги жили в Хайгейте, северном пригороде Лондона. Столицу и ее окрестности бомбили почти каждую ночь, и супруги решили, что Изобел следует переехать в Оксфорд и там в сравнительной безопасности родить первенца. Немцы щадили оба университетских города, Оксфорд и Кембридж, якобы в обмен на обещание англичан не трогать Гейдельберг и Геттинген. В Оксфорде, где прошли ее студенческие годы, Изобел провела последнюю неделю беременности: сперва в отеле, а затем, с приближением родов, персонал гостиницы занервничал и уговорил ее перебраться в больницу. Из больницы пациентку выпускали на прогулки, и, неторопливо бродя по городу зимним днем, она забрела в книжный магазин и обменяла ваучер на астрономический атлас. Позднее Изобел сочла эту покупку пророчеством[19]. Вскоре после рождения Стивена перевезли обратно в Хайгейт. Их дом уцелел до конца войны, хотя однажды в их отсутствие “Фау-2” угодила в соседнее здание, а у Хокингов выбило окна, и осколки стекла маленькими кинжалами вонзились в противоположную стену[20]. Как удачно, что семья отлучилась из дома. После войны Хокинги до 1950 года оставались в Хайгейте. Там в 1943 году родилась сестра Стивена Мэри (Стивену еще не было и двух лет), а вторая сестра, Филиппа, появилась на свет в 1946-м. В 1955 году, когда Стивен будет уже подростком, родители усыновят мальчика Эдварда. В Хайгейте Стивен посещал начальную школу Байрон-Хаус, чей “прогрессивный метод”, по мнению самого Стивена, мешал ему научиться читать, пока он не перешел в другое учебное заведение. Тем временем доктор Фрэнк Хокинг завоевал блестящую репутацию в своей области, возглавил отдел паразитологии Государственного института медицинских исследований, и семья переехала в Сент-Олбанс. Эксцентрик из Сент-Олбанса