Мир без Стивена Хокинга. 14 марта ушел из жизни великий британский физик и космолог

Стивен Уильям Хокинг родился 8 января 1942 года в Оксфорде, куда его семья переехала из Лондона из-за немецких бомбежек. Физикой и математикой Хокинг интересовался уже в старших классах, в 1962 году окончил физический факультет Оксфорда, а в 1966 году получил докторскую степень в Кембридже, где изучал космологию.

 

Через год после окончания Оксфорда Хокингу диагностировали боковой амиотрофический склероз (БАС) — хроническое заболевание центральной нервной системы, которое обычно развивается очень быстро и приводит к полному параличу и смерти. Однако у Хокинга была редкая ее разновидность, которая развивалась медленно, и, несмотря на первоначальные прогнозы врачей, ученый прожил с ней более полувека. Пока это один из двух известных случаев такого медленного течения БАС (второй случай — 48-летний американский гитарист-виртуоз Джейсон Беккер).

 

В 1985 году Хокинг после воспаления легких перенес операцию на трахее, потерял способность говорить и стал пользоваться синтезатором речи. Последние 20 лет он управлял компьютером инвалидной коляски с помощью датчика, закрепленного у мимической мышцы щеки — единственной, сохранившей подвижность. В августе 2014 года Хокинг поучаствовал во флешмобе Ice Bucket Challenge, призванном привлечь внимание к его болезни и собрать средства на изучение ее причин: врачи не рекомендовали физику обливаться из-за перенесенной пневмонии, но за него это сделали его дети.

Самая широкая аудитория знакома с именем Хокинга совсем не потому, что вопрос о том, куда же пропадает информация, поглощенная черной дырой, входит в число наиболее волнующих человечество. И не потому, что проблема сведения законов, которым подчиняется квантовый мир, с законами, описывающими самые массивные из известных нам объектов, в единую теорию поля, тревожит людей в той же степени, что и вопросы медицины или социальной справедливости. Хокинг, несомненно, стал мемом — в прямом значении этого слова, т.е. устойчивой единицей современной культуры.

 

Известность в научных кругах принесла Хокингу работа над разрешением некоторых проблем, которые, если сформулировать их популярно, без привлечения технического аппарата, резонируют в той или иной степени с любым человеком, поскольку могут быть в пределе сведены к традиционно возбуждающему наши умы вопросу о том, «откуда есть пошло сущее вообще». Кроме того, историю с черными дырами можно при желании рассматривать как разновидность хоррор-истории о массивных и незаметных прямому взгляду хищниках, пожирающих все, что приблизится к ним.

Черные дыры и сингулярности: не очень краткое, но необходимое введение

 

Рассказ о вкладе Стивена Хокинга в современную физику стоит начать с черных дыр, поскольку именно с ними связана не только работа ученого, но и развитие представлений человечества о Вселенной и, сверх того, о самом пространстве и времени.

 

В XVIII столетии выдающийся естествоиспытатель Джон Мичелл (чья сфера интересов простиралась от геофизики до оптики) описал гипотетическое небесное тело с массой настолько большой, что свет от него попросту не может уйти во внешнее пространство. Мичелл уже знал, что для покидания небесного тела и его окрестностей необходимо набрать вторую космическую скорость, и рассчитал параметры объекта, для которого вторая космическая скорость равна скорости света. Эта «черная дыра» в итоге оказалась совершенно не похожа на настоящую, но мичелловская гипотеза содержала важную идею: если объект в принципе нельзя увидеть сам по себе, то уж обращение других тел вокруг него должно быть заметно.

 

Физика и XVIII, и XIX веков представляла пространство трехмерным, свет — сначала частицами, а потом волнами (в 1861 году Максвелл выводит математическую теорию электромагнитного излучения). Черные дыры оставались сугубо гипотетическими объектами, которые не представляли для ученых большого интереса, но все поменялось с появлением теории относительности Эйнштейна и пересмотром самого понятия пространства.

 

Эйнштейн предложил оперировать не трехмерным пространством, а четырехмерным пространством-временем, причем с не совсем привычной нам по обычному пространству метрикой. Последнее означает, что если на плоскости или в обычном пространстве для вычисления длинной стороны (гипотенузы) в прямоугольном треугольнике нужно по теореме Пифагора сложить квадраты коротких (катетов) и извлечь из суммы квадратный корень, то вот в четырехмерном пространстве-времени расстояние между двумя точками вычисляется по иной формуле. Там сначала в квадрат возводится временной промежуток, потом из него вычитается пространственный и потом опять-таки извлекается корень. Этот на первый взгляд противоестественный математический прием оказался крайне удачен для описания целого ряда явлений, и теория относительности легла в фундамент вообще всей физики XX столетия. Так, она смогла описать гравитацию.

 

Гравитация — до Эйнштейна — была просто распределенным в пространстве (трехмерном и с «нормальным» вычислением сторон треугольников) полем, которое притягивает наделенные массой тела и создается ими же. Но в теории относительности появляется не просто пространство-время, а искривление пространства-времени. С математической точки зрения в привычную формулу Пифагора с суммой квадратов катетов могут вклиниваться другие слагаемые, что можно сопоставить с растяжением или сжатием треугольника, нарисованного на куске резины, — искривление поверхности делает привычную геометрию неработоспособной. Гравитация в теории относительности и есть искривление пространства-времени, и из этого следовало, например, отклонение лучей света массивными телами — в 1919 году этот эффект подтвердили астрономическими наблюдениями.

Кратко: гравитация в современной физике — это искривление пространства-времени, а искривление пространства-времени, равно как и искривление плоскости, описывается через изменение метрики пространства — метрика задает формулу для вычисления расстояний между двумя точками с известными координатами (вершины треугольника, например).

 

Революционный переворот в представлении человечества о пространстве и времени заставил ученых иначе посмотреть и на, казалось бы, малоинтересные черные дыры. Уже в 1916 году немецкий астрофизик Карл Шварцшильд показал, что предложенные Эйнштейном для связи кривизны пространства-времени и материи уравнения могут быть решены так, что из решения будет следовать существование черной дыры — с совершенно новым физическим содержанием, но тем же ключевым свойством — не выпускать за пределы горизонта событий ни материи, ни каких-либо сигналов.

 

Правда, оно же приводило к другому, весьма неприятному результату. С математической точки зрения в центре черной дыры происходит что-то совсем нехорошее, поскольку через эту точку вообще невозможно провести какую-либо линию, и даже предложенное Эйнштейном пространство-время не годится для корректного описания этого странного места. Геометрия, основанная на том, что пространство — пусть кривое, но хотя бы непрерывное, внутри такой черной дыры отказывается работать. Теоретики 1910-х и 1920-х годов назвали это гравитационной сингулярностью, но внятного представления, что же с этим делать, тогда ни у кого не было. А кроме того, черные дыры еще не были обнаружены.

 

Сингулярность, с которой все началось

 

В 1966 году Стивен Хокинг защитил диссертацию «Свойства расширяющихся Вселенных» (именно так, во множественном числе!), в которой показал, что сингулярность — это не издержка переложения реального мира на язык математики, а неизбежность: они должны возникать в нашем мире и, сверх того, сама наша Вселенная возникла из сингулярности.

 

Вот что говорит Алексей Старобинский, академик РАН, физик-теоретик и ведущий российский специалист по квантовой гравитации: «Я был знаком с ним с 1973 года, участвовал с ним в знаменитой конференции 1982 года. Он действительно был выдающийся ученым, его фундаментальные работы — классическая гравитация, квантовая гравитация и космология. Если говорить о классической гравитации, то это теоремы об общности сингулярности: где-то в природе должны быть сингулярности, где пространство очень искривлено и где очень большая характерная энергия. Уже была теория Большого взрыва, но еще были сомнения; после работ Хокинга стало ясно, что такие решения [уравнений Эйнштейна] надо искать».

 

Работы, о которых говорит Старобинский, — диссертация Хокинга и ряд последовавших публикаций — фактически закрепили современное представление о происхождении Вселенной в результате Большого взрыва, перед которым была та самая сингулярность. До этого ученые говорили о расширении Вселенной, но в относительно завершенном виде теория Большого взрыва появилась после указанной публикации.

 

Термодинамика черных дыр

 

В 1970 году, будучи уже тяжело больным (ученый передвигался в кресле-каталке, а его речь стала настолько неразборчива, что понимали ее только ближайшие друзья и родственники), Хокинг делает следующий важный шаг: вместе с группой соавторов он описывает черные дыры с позиции термодинамики, выводя по аналогии с тремя (на самом деле — четырьмя) началами термодинамики законы эволюции черных дыр.

 

К примеру, если третье начало термодинамики говорит нам о недостижимости абсолютного нуля, то третий закон механики черных дыр говорит о невозможности черной дыры с нулевой гравитацией на поверхности. И если последнее может показаться очевидным, то вот закон, связывающий изменение энергии черной дыры с площадью горизонта событий, скоростью вращения и ее электрическим зарядом, — уже совсем иное дело.

 

Квантовая теория черных дыр

 

Начало XX века ознаменовалось не только пересмотром представлений ученых о пространстве-времени и внедрением в физику понятия его кривизны. Вторая, не менее значимая революция, произошла в результате решения совершенно частных, как тогда всем казалось, вопросов: физики пытались понять, почему спектр нагретого тела выглядит так, как он выглядит, и почему при освещении металла из поверхности начинают вылетать электроны (фотоэффект). Работы в этих направлениях привели к представлению о порциях энергии (квантах), новой модели атома и — что самое важное — к появлению принципиально нового математического описания микромира.

 

Квантовая теория позволила создать лазеры, объяснить работу полупроводников, устройство молекул и многое, многое другое. Из нее выросла Стандартная модель, которая описывает устройство вообще всей известной нам материи вкупе с тремя фундаментальными полями. Но вот гравитации в квантовой теории не было и, по большому счету, нет до сих пор: удовлетворительной, соответствующей всем экспериментальным данным Единой Теории Всего у физиков пока нет. Однако из отсутствия единой большой теории всех полей, включая гравитацию, не следует невозможность продуктивной работы на стыке квантовой механики с теорией относительности.

 

В 1970-х Стивен Хокинг занимается именно этим. Он, в частности, едет в Москву и беседует там с Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским: они до этого показали, что черная дыра теоретически могла бы испускать излучение за счет определенных квантовомеханических эффектов. «Я показал ему свою работу, где доказал гипотезу Зельдовича о том, что вращающиеся черные дыры рождают частицы благодаря тому, что у них можно ввести некий аналог химического потенциала, — говорит Алексей Старобинский. — А он тогда сделал следующий шаг и показал, что даже невращающиеся черные дыры рождают частицы и из-за этого они могут испариться полностью. И он же ввел понятие температуры — понятие температуры Хокинга с тех пор в науку вошло».

 

 

Примечание: Химическим потенциалом называют одну из величин в термодинамике. Очень упрощенно можно сказать, что химический потенциал связан с энергией системы и позволяет математически описать процессы в системах, где одни частицы могут превращаться в другие.

 

Вселенная вскоре после Большого взрыва и в первые мгновения после

 

Несмотря на то что сингулярность — как неприятный математический объект — была реабилитирована в диссертации Хокинга и к ней даже было приведено начальное состояние Вселенной, вопрос о смысле этой сущности остался открытым. Кроме того, Андрей Линде, Алексей Старобинский, Вячеслав Муханов и Алан Гут (заметим, что советские физики-теоретики неоднократно проводили в Москве конференции мирового уровня и вносили свой вклад в развитие этой области) разработали инфляционную модель Вселенной: в соответствии с ней, сразу после Большого взрыва расширение Вселенной шло очень быстро, а потом оно замедлилось. Развивая эту идею, Хокинг опубликовал работу, где связал ряд концепций Стандартной модели (в частности, хиггсовское поле, созданное теми самыми бозонами Хиггса, которые ответственны за появление массы у элементарных частиц) с эволюцией Вселенной в период с 10−42 до 10−36 секунд.

 

«Наибольшее значение для космологии имела его работа 1982 года, сделанная в ходе симпозиума в Кембридже, — говорит Старобинский. — Мы посчитали, что должна быть такая специфическая структура начальных неоднородностей, в которой все наблюдаемые сейчас объекты, от скоплений галактик до нас самих, должны образоваться; так мы посчитали наблюдаемый квантовый гравитационный эффект. Сейчас, чтобы исключить сомнения, ведутся очень большие экспериментальные программы по поиску первичного квантового гравитационного излучения, это не буквально, поскольку он не тепловой природы, но аналог хокинговского излучения. Если его обнаружат, этот эффект, — я его рассчитал в 1979 году, то это будет подтверждение работы, которую Хокинг сделал в 1982-м».

 

Кроме того, Стивен Хокинг предложил ряд других теоретических моделей. Он работал над проблемой пропадания информации в черной дыре (на входе — разнообразные частицы, на выходе — хокинговское излучение, характеристики которого никак не связаны с теми частицами; здесь нарушается ряд фундаментальных физических принципов), предложил ответ на вопрос «Что было до Большого взрыва?» и вдобавок ко всему активно — насколько это вообще возможно при практически полном параличе — занимался научно-просветительской деятельностью и даже заключал пари по поводу тех или иных теоретических вопросов.

Хокинг-спорщик и Хокинг-шутник

 

Мы любим группы и классификации, мы ассоциируем идеи и ценности с конкретными людьми. Человек, способный в уме проводить сложнейшие операции, необходимые для прогресса нашего понимания Вселенной, выглядит весьма убедительным доказательством безграничных способностей человеческого разума. А когда этот разум еще и заперт в клетке медленно каменеющего тела, то способность интеллектуально объять Вселенную, демонстрируемая Хокингом, выглядит ярчайшим свидетельством в пользу того, что слово «человек» действительно звучит гордо. И мы тем более ценим в этих людях понятные каждому добродетели. Самые человеческие — например, когда великий разум регулярно прерывает свое уединенное размышление для того, чтобы предаться более приземленным радостям жизни. Guardian пишет, что, когда Хокинг после долгого сопротивления все же сел в инвалидное кресло, он прославился в Кембридже и за его пределами лихой ездой по улицам, намеренными «наездами» на ноги студентов и «маневрами» на танцполах вечеринок.

Отдельно стоит вспомнить о любви Хокинга к заключению пари, что в целом не слишком отличает его от других физиков, но он заключил действительно великое множество подобных сделок со своими товарищами-оппонентами. Вот только некоторые из них.

 

В 1975 году Хокинг поспорил с астрофизиком Кипом Торном о том, окажется ли в конце концов объект X-1 в созвездии Лебедя черной дырой (Хокинг ставил на то, что — не окажется). В тот момент ни одного достаточно убедительного эмпирического свидетельства в пользу фактического существования подобных объектов еще не было и X-1 был первым наиболее вероятным кандидатом на эту роль. В 90-м году Хокинг признал свое поражение, заключив, что черные дыры, которым он посвятил свою карьеру, по-видимому, существуют.

 

В 97-м же Хокинг — вместе с уже упомянутым Торном — заключил пари с Джоном Прескиллом. В этот раз поводом стал доклад Хокинга о том, что информация, попавшая в черную дыру, по всей видимости, пропадает раз и навсегда. Со стороны Хокинга было очень мощное заявление — многие с доводами Хокинга согласиться не смогли. Семь лет спустя, в 2004-м, Хокинг в публичном докладе признал, что был неправ и потому должен считаться проигравшим в споре. Так Прескиллу досталась от Хокинга заслуженная энциклопедия… бейсбола. А в 2012 году открытие бозона Хиггса «проиграло» Хокингу еще один спор: за четыре года до этого он поспорил с американским физиком Гордоном Клейном на сто долларов, что бозон Хиггса никогда не будет обнаружен.

 

«Мне кажется, что Стивен Хокинг был ярким физиком, замечательным, — рассказывает Валерий Рубаков, академик РАН и специалист по космологии, теоретической физике и физике частиц высоких энергий. — Я его знал, общаться с ним было очень интересно, хотя и сложно, потому что долгие годы он общался через компьютер, и это было долго. Тем не менее общаться с ним было интересно, во-первых. Во-вторых, плодотворно. Он был таким ярким человеком, и жизнелюбом, и мужественным человеком, потому что он делал замечательные вещи, будучи в тяжелом физическом состоянии. Тем не менее он очень любил компанию, любил быть среди людей, любил, чтобы с ним разговаривали, иногда выказывал очень нетривиальные суждения. И, конечно, замечательный физик, дал очень много результатов, которые вошли в копилку теоретической физики — наверное, на века. Шутки у него спонтанными не были. Он действительно любил пошутить во время своих выступлений, лекций, разговоров, но шутки у него были заготовлены, как правило. Он был человек не без юмора. Ясно, что он сам их придумал, но он готовился к любой лекции, к любому мало-мальски серьезному разговору. Это даже удивительно, что настолько все сложно это было ему делать чисто физически, и тем не менее он всегда был в великолепной форме. Это производило большое впечатление».

«Самый умный человек планеты»

 

К концу 90-х в популярной культуре за Хокингом уже довольно прочно закрепилась слава «умнейшего человека на планете», которую он не без удовольствия отрабатывал: в «фильмографии» физика не один десяток пунктов. Он спасает Лизу Симпсон из драки горожан Спрингфилда, а после пьет пиво с её отцом, Гомером; не обходит вниманием и героев «Футурамы»; подтрунивает над Шелдоном в «Теории Большого взрыва»; играет в покер с Эйнштейном, Ньютоном и Дейтой в одной из серий «Стар трека», появляется в «Гриффинах». В 2014 году на киноэкраны выходит картина «Вселенная Стивена Хокинга» об истории романа Хокинга с Джейн Уайлд, его первой женой. За роль физика актер Эдди Редмэйн получил Премию Гильдии киноактеров США (она же «Оскар»).

 

В 1993 году Хокинг принял участие в съемках рекламного ролика телекоммуникационной компании, где говорил о том, что величайшие достижения человечества были связаны со способностью говорить и договариваться друг с другом, а величайшие провалы — с отказом этой способностью воспользоваться. Его слова так впечатлили Дэвида Гилмора из Pink Floyd, что тот использовал их в качестве сэмпла для трека Keep Talking, а после позвал Хокинга для записи еще одной песни, «Говорящий Хокинг» (Talkin' Hawkin').

 

 

Когда в октябре 2017 года Кембриджский университет решил выложить диссертацию Хокинга 1966 года в открытый доступ, небольшой университетский сервер оказался к этому не готов, и два дня сайт работал с длительными перебоями. 130-страничный документ за первые две недели скачали около 70 тысяч раз — это совершенно немыслимая популярность для научной работы полувековой давности.

 

Книга Хокинга «Краткая история времени» 1988 года несколько популярнее диссертации: «Гардиан» оценивает ее общий тираж в 10 миллионов экземпляров. Она переведена на 40 языков и попала в Книгу рекордов Гиннеса, продержавшись в списке бестселлеров газеты Sunday Times 237 недель. В числе других его популярных произведений, например, «Мир в ореховой скорлупке» и пять детских книжек, которые он написал в соавторстве с дочерью Люси. А в 2017 году на русском языке вышла книга Хокинга и Леонарда Млодинова «Высший замысел».

 

Закрепившись в статусе публичного интеллектуала, Хокинг использовал свой статус не только для заработка, который был ему необходим для того, чтобы обеспечивать свое весьма высокотехнологичное функционирование, а также содержать семью, но и для того, чтобы высказываться на темы, связанные с гуманитарными рисками, которые зашиты в научно-технический прогресс человечества. Не то чтобы, впрочем, это было для него в новинку: еще в молодости теоретическая физика не мешала Хокингу протестовать против войны во Вьетнаме, а в нулевые — критиковать войну в Ираке, выступать за ядерное разоружение и борьбу с изменением климата.

Но только прогнозами и предупреждениями Хокинг не ограничивался — иногда позволял себе и мечтать. Так, в 2016 году он вместе с Юрием Мильнером объявил о запуске нового проекта стоимостью 100 миллионов долларов, в рамках которого они хотели отправить к альфе Центавра микроспутник на солнечном парусе. Реализовывал он и мечты более персональные: в 2007 году, например, испытал состояние невесомости во время полета над Атлантикой в специальном «Боинге» — это было одно из подготовительных мероприятий к полету в космос на борту частного корабля SpaceShipTwo. Который, к сожалению, для Хокинга уже не состоится.

 

«Чаще смотрите на звезды, а не себе под ноги. Пытайтесь разобраться в том, что видите, и задумывайтесь о том, почему Вселенная существует. Будьте любопытны. И какой бы сложной ни казалась жизнь, вы всегда можете в чем-то преуспеть, главное — не сдаваться», — говорил он. Есть все основания считать, что в его устах это не пустые слова.

 

Источник: Чердак