Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд - Майкл Уайт Страница 7

Правда, работать над теорией черных дыр Хокинг начал по меньшей мере за два года до открытия пульсаров, когда лишь немногие математики интересовались такими экзотическими следствиями из уравнений Эйнштейна, а сам термин «черная дыра» в этой связи еще не употреблялся (как мы вскоре убедимся, такая прозорливость для Стивена типична). Хокинг как ученый, как и все его современники, воспитывался на классических представлениях Ньютона и на теории относительности и квантовой физике в первоначальном виде. Чтобы оценить, как далеко продвинулась с тех пор физика – отчасти при содействии Хокинга, – нужно рассмотреть сами классические идеи, и это станет легкой разминкой у подножия гор перед покорением головокружительных вершин. В общепринятом смысле «классической космологией» принято называть все, что было известно до революции, вызванной открытием пульсаров, то есть именно то, чему учили в институте ровесников Хокинга.

* * *

Исаак Ньютон превратил Вселенную в место логичное и упорядоченное. Он объяснил поведение материального мира при помощи фундаментальных законов, которые, как считалось тогда, встроены в саму ткань мироздания. Самый знаменитый пример – закон всемирного тяготения. Обриты планет, вращающихся вокруг Солнца, до Ньютона оставались полнейшей загадкой, но он рассчитал их при помощи закона всемирного тяготения, который гласит, что планета на определенном расстоянии от Солнца ощущает определенную силу, которая притягивает ее обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца; это называется закон обратных квадратов. Иначе говоря, если планету волшебным образом переместить на вдвое большее расстояние от Солнца, она ощутит четверть силы, втрое дальше – одну девятую, и так далее. Когда планета на стабильной орбите движется в космическом пространстве со своей скоростью, эта сила, направленная вовнутрь, в точности уравновешивает стремление планеты улететь в космос. Более того, Ньютон заключил, что тот же самый закон обратных квадратов объясняет и падение яблока с дерева, и орбиту Луны вокруг Земли, и даже приливы и отливы. Это универсальный закон.

Еще Ньютон объяснил, как материальные тела реагируют на иные силы, помимо гравитации. Когда здесь, на Земле, мы что-то толкаем, оно движется, но только пока мы его толкаем. Любое движущееся тело на Земле подвергается воздействию силы трения, которая противостоит его движению. Перестанешь толкать – и сила трения остановит объект. Но без силы трения (подобно планетам в космосе или атомам, из которых состоит все вокруг), согласно Ньютону, тело движется равномерно и прямолинейно, пока не подвергнется воздействию какой-нибудь силы. И тогда, пока сила действует, тело ускоряется, меняет направление или скорость, либо и то, и другое. Чем легче тело или чем больше сила, тем больше в итоге ускорение. Однако если убрать силу, тело снова начнет двигаться равномерно и прямолинейно, но с другой скоростью – с той, которую оно набрало за время, пока ускорялось.

Когда что-то толкаешь, оно толкает тебя в ответ, и сила действия равна по значению и противоположна по направлению силе противодействия. По этому принципу устроена ракета: она выбрасывает вещество из сопла в одном направлении, и сила противодействия толкает ее в другом направлении. Наглядный пример действия этого закона в наши дни – бильярдный стол: шары сталкиваются и отскакивают друг от друга очень по-ньютоновски. И именно такова картина мира, которая следует из ньютоновой механики: картина, в которой шары (или атомы) сталкиваются и отскакивают друг от друга, а звезды и планеты движутся под воздействием тяготения исключительно правильно и предсказуемо.

Все эти представления описаны в фундаментальном труде Ньютона «Начала» («Principia»), опубликованном в 1687 году (полное название великой работы Ньютона в переводе звучит как «Математические начала натуральной философии»). Представление о мире, которое подарил нам Ньютон, иногда называют «заводная Вселенная». Если Вселенная состоит из материальных объектов, которые взаимодействуют друг с другом посредством сил, подчиняющихся подлинно универсальным законам, и если законы, подобные закону действия и противодействия, в точности соблюдаются во всей Вселенной, значит, Вселенную можно считать исполинской машиной, космическим часовым механизмом, который, единожды придя в движение, будет вечно следовать целиком и полностью предсказуемым путем.

Это порождает всякого рода загадки, которые не давали покоя ни философам, ни богословам. Суть проблемы – вопрос свободы воли. Неужели в подобной «заводной» Вселенной предопределено абсолютно все, в том числе и человеческое поведение во всей его многогранности? Было ли предопределено, заложено в законы физики, что совокупность атомов по имени Исаак Ньютон напишет книгу под названием «Начала», которая выйдет в свет в 1687 году? И если Вселенная подобна космическому часовому механизму, кто завел эти часы, кто привел их в движение?

Даже надежные рамки религиозных представлений Европы XVII века несколько пошатнулись от подобных вопросов: казалось бы, логично сказать, что завел часы и привел их в движение именно Бог, однако традиционное христианство предполагает, что человек обладает свободой воли и, таким образом, может по желанию либо следовать учению Христа, либо нет. Мысль, что грешники, в сущности, не имели никакой свободы выбора в своих поступках, а грешили, подчиняясь незыблемым законам, и следовали по пути к вечным мукам, который заложил изначально сам Господь, решительно не вписывалась в сложившееся христианское мировоззрение.

Как ни странно, со времен Ньютона и до ХХ века наука практически не интересовалась идеей начала Вселенной. Считалось, что Вселенная вечна и неизменна, а «неподвижные» звезды просто висят в пространстве. Библейская история о сотворении мира, в которую в XVII веке ученые верили, как все, была применима только к нашей планете Земля или разве что к семейству планет вокруг Солнца – Солнечной системе – но не к Вселенной в целом.

Ньютон полагал, как выяснилось, ошибочно, что неподвижные звезды могут находиться на своих местах в пространстве вечно, если Вселенная бесконечно велика, поскольку сила тяготения, влияющая на каждую звезду в отдельности, одинакова во всех направлениях. На самом деле подобная конструкция крайне нестабильна. Достаточно легчайшего отклонения, и идеально равномерное распределение звезд приведет к мощному притяжению в том или ином направлении, и звезды придут в движение. А как только звезда двинется в сторону любого источника гравитационной силы, расстояние до источника сократится, сила увеличится – в полном соответствии с законом обратных квадратов Ньютона. То есть стоит звездам прийти в движение, и сила, приводящая к неоднородности, начнет возрастать, поэтому звезды продолжат движение с ускорением. Статическая вселенная вскоре схлопнется под воздействием силы гравитации. Но это стало понятно только после того, как Эйнштейн разработал новую теорию гравитации – теорию, которая, более того, заключала в себе предсказание, что Вселенная определенно не может быть статической и, вероятно, на самом деле не схлопывается, а расширяется.

* * *

Альберту Эйнштейну, как и Ньютону, принадлежит множество научных достижений. И главным трудом его жизни, как у Ньютона, стала теория гравитации – ОТО. Насколько важной оказалась его теория для современного понимания Вселенной, можно судить по тому, что специальная теория относительности (СТО) – та, в результате которой была выведена знаменитая формула E = mc2, – это лишь довольно малая часть работы. Однако СТО, опубликованная в 1905 году, стала главной составляющей нового понимания Вселенной. Но прежде чем перейти к этому, остановимся хотя бы ненадолго на основных чертах специальной теории.