Путеводитель по миру Стивена Хокинга

Сингулярность

Точка, где перестают работать все известные законы физики. Набор теорем Хокинга–Пенроуза посвящен ситуациям, приводящим к ее появлению. Роджер Пенроуз — знаменитый математик, изобретатель невозможных геометрических тел и автор книги «Новый ум короля» — первым описал, как сингулярностью заканчивается гравитационный коллапс тяжелых звезд. Внутри образующейся черной дыры происходит «прокол» гладкой ткани пространства-времени. А Хокинг взял за основу те же уравнения, но рассмотрел случай, когда время течет вспять, — и доказал, что из сингулярности родилась Вселенная.

К началу 1970-х, когда вышли работы Хокинга и Пенроуза, их коллеги уже не сомневались, что Вселенная расширяется. Но некоторые предпочитали при этом верить, что космос ведет себя как кузнечные меха — то сжимается (до скромного, но ненулевого объема), то, как сейчас, раздувается. Самый радикальный вариант — вся материя космоса перед Большим взрывом умещалась в одной точке — до появления работ Хокинга всерьез не рассматривался.

• Лампочка из астероида

Черные дыры вовсе не черные, а, наоборот, умеют ярко светиться. Традиционно эти небесные тела описывали как мощные гравитационные ловушки, откуда не способен выбраться наружу даже свет. Границу черной дыры, так называемый горизонт событий, можно пересечь только однажды — назад пути нет.

Хокинг возразил: вообразите пару частиц на границе с черной дырой. Такие пары то и дело порождают вакуум и тут же поглощают: частица и античастица взаимоуничтожаются на месте. Но если одна из частиц пропадет за горизонтом событий, слиться не получится — и частица, оставшаяся без пары, обречена скитаться во внешнем мире. Поток этих частиц называют излучением Хокинга. Чем меньше черная дыра, тем сильнее излучение. Поэтому черная дыра весом с небольшой астероид могла бы заменить стоваттную лампочку.

• Боковой амиотрофический склероз

Неизлечимая болезнь центральной нервной системы, из-за которой Хокинг уже в 28 лет оказался в инвалидном кресле. Кроме него боковым амиотрофическим склерозом страдают еще 350 тысяч человек по всему миру. Врачи называют Хокинга исключительно удачливым пациентом: обычно с таким диагнозом живут не дольше пяти лет. Ученый парализован практически полностью: еще в 1980-х он лишился речи, а в середине нулевых ему стал отказывать указательный палец правой руки, с помощью которого он управлял встроенным в кресло компьютером.

• Годовая подписка на «Пентхаус»

Ее Хокинг проспорил астрофизику Кипу Торну из Калтеха. Спор состоялся в 1975 году и касался подозрений, что в созвездии Лебедя наконец нашли первую настоящую черную дыру. Хокинг прославился теоретическими работами про черные дыры, но сделал парадоксальную ставку на то, что ничего интересного в Лебеде нет. Рассуждал он так: если находка не подтвердится, работа всей его жизни пропадет зря, но зато он получит утешительный приз. Поражение в споре Хокинг признал только в 1998 году — и отправил Торну обещанную 23 года назад подписку («к неудовольствию его жены», как поясняет Хокинг в автобиографической книге «My Brief History»).

• Нет волосам

Загадочный принцип «у черных дыр нет волос» сформулирован другим физиком, Джоном Арчибальдом Уилером (которому принадлежит и авторство термина «черная дыра»), но отсылает к результатам Хокинга и соавторов. Те доказали, что в космосе все-таки есть безупречные вещи, буквально совпадающие со своей платоновской идеей.

Черные дыры — идеальные шары. Это выгодно отличает их от прочих небесных тел: скажем, Земля мало того что сплюснута у полюсов, так еще и имеет сложный рельеф с горами и впадинами. То же самое можно сказать про Марс, Венеру и даже про Солнце. И только любимые объекты Хокинга не отклоняются от строгой геометрической формы ни на тысячную долю миллиметра.

Их правильность означает еще и то, что гигантский космический объект можно исчерпывающе описать набором из трех чисел: масса, электрический заряд и скорость вращения. Две черные дыры с одинаковыми характеристиками — близнецы-братья, и нет никакого способа отличить их друг от друга.

• Пепел бейсбольной энциклопедии

Во Вселенной действует закон сохранения информации. Если вы сожжете энциклопедию в печи, восстановить ее невероятно трудно, но все-таки можно. Суперкомпьютер, куда загрузили сведения о траекториях всех частиц дыма и пепла, в теории способен просчитать их прошлое и таким образом выяснить, что было написано на любой странице.

Но вот если бросить энциклопедию в черную дыру, с информацией придется распрощаться навсегда, заявил однажды Хокинг. Из теоремы об отсутствии волос следует: черная дыра, где исчезла энциклопедия, не отличается от дыры, куда уронили простой кирпич. Может быть, информация спрятана внутри? Но черные дыры со временем испаряются, испуская излучение Хокинга (см. выше). После испарения надежда заполучить энциклопедию обратно исчезнет окончательно. Этот вывод, противоречащий самым фундаментальным принципам квантовой механики, назвали информационным парадоксом черных дыр.

Хокинг по традиции заключил пари с несогласными коллегами. Тому, кто окажется прав, была обещана энциклопедия на выбор. Спустя несколько лет, разуверившись в старых взглядах, Хокинг сам отослал оппоненту энциклопедию по бейсболу («Хотя, возможно, мне стоило отослать ее пепел», — комментирует он свой поступок).

• Нобелевская премия

Ее Хокинг до сих пор не получил — хотя число ссылок на его научные работы в десятки раз превосходит цитируемость многих нобелевских лауреатов. Проблема в том, что теоретические прогнозы Хокинга трудно проверить экспериментально.

Ситуацию мог бы изменить Большой адронный коллайдер — знаменитый ускоритель частиц на границе Швейцарии и Франции, команда которого в 2012 году доказали существование бозона Хиггса. Многие физики рассчитывали, что вместе с бозоном создадут внутри коллайдера и микроскопические черные дыры, которые испарятся у них на глазах по принципу, описанному Хокингом. Теперь вся надежда на более мощные коллайдеры, которые пока только в планах.

• «Краткая история времени»

Популярная книга Хокинга об устройстве Вселенной вышла на английском в 1988 году и продержалась в списке бестселлеров The New York Times 147 недель подряд. И 237 недель подряд (чуть больше четырех с половиной лет) — в списке бестселлеров британской The Times. С тех пор ее перевели на 40 языков и продали чуть больше 10 миллионов экземпляров по всему миру. Именно в ней Хокинг сформулировал золотое правило научпопа: «Каждое уравнение в книге сокращает число ее читателей вдвое». Несмотря на то что вся она написана с оглядкой на это правило, впоследствии Хокинг как минимум дважды пытался пересказать свой бестселлер еще более простым языком — так появились на свет «Кратчайшая история времени» и «Высший замысел».

• Джордж и Вселенная

37-летняя дочь Хокинга Люси в 2007 году уговорила отца сочинить вместе приключенческий роман для детей — ради популяризации астрофизики. В «Джордже и тайнах Вселенной» есть поросята, рассудительные суперкомпьютеры, гигантские газовые пузыри в межзвездном пространстве и вклейка со снимками марсохода. Вслед за ней вышли еще две — «Джордж и сокровища Вселенной» (в 2009-м) и, наконец, «Джордж и Большой взрыв» (в 2011-м).

• Игра для айпэда

Приложение Stephen Hawking’s Snapshots of the Universe («Мгновения Вселенной от Стивена Хокинга») ценой в $4,99 появилось в App Store в декабре 2013 года; это образовательная игра, рекомендованная детям от девяти лет, которая дает первое представление о теории относительности, законах гравитации и орбитах планет Солнечной системы. При всей простоте и схематичности, здесь можно найти, например, двухминутное видео об устройстве струй аккреции вблизи черной дыры, созданное по результатам нескольких лет наблюдения космической обсерватории Chandra. В каждом из восьми эпизодов - свой интерактивный эксперимент. Пример задания: помочь Эйнштейну, который нарисован сидящим в шаттле, подобрать себе подходящую перегрузку в условиях открытого космоса. Или: вместе с Галилеем уронить с высоты перо и молоток — и убедиться, что в пустоте они падают с одинаковой скоростью.

• Невесомость для инвалидов

Парализованный человек не может ходить, зато может летать. В апреле 2007 года Хокинг поучаствовал в экстремальном аттракционе компании Zero G: поднялся в воздух на борту «Боинга-727», чтобы испытать состояние невесомости. Реактивный самолет, набрав высоту, делает короткие параболические нырки. Те, кто находится в салоне «боинга», примерно 30 секунд в течение каждого нырка не испытывают силы тяжести и плавают в воздухе — как на космической станции или в падающем лифте. Хокингу это удалось восемь раз. Еще до этого миллиардер Ричард Брэнсон, создатель суборбитального корабля SpaceShipTwo для экскурсий на границу космоса, пообещал Хокингу место на борту, как только его компания закончит испытания и начнет коммерческие полеты.

Инициалы на снимке древней Вселенной

Желто-зеленый овал, которым любят иллюстрировать научные новости про космологию, это на самом деле нечто вроде снимка Вселенной, какой она была 13,7 миллиарда лет назад. Наши знания о ней основываются на древнем (реликтовом, как говорят физики) излучении, которое до сих пор приходит из всех точек неба одновременно. Создатели первой карты реликтового излучения в 2006 году стали нобелевскими лауреатами. На следующей, более детальной, энтузиасты сразу высмотрели массу загадочных особенностей — вроде «холодных пальцев» или «оси зла».

Наконец в 2010 году команда авторитетных астрофизиков нашла на этой карте явно читающиеся буквы S и H — инициалы Стивена Хокинга. Авторы этого ценного наблюдения хотели намекнуть, что никакого глубинного смысла в разнообразных «холодных пальцах» нет и при желании на карте древней Вселенной можно разглядеть все что угодно — так христиане видят лицо Иисуса на пережаренных тостах.