азательную способность этой теории.
Стивен не впервые оказывался лицом к лицу с парадоксом. Еще в 1977 году он приложил руку к решению подобной загадки в контексте черных дыр. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что почти вся информация о чем бы то ни было, попадающем в черную дыру, навсегда остается скрытой внутри нее. Но Стивен обнаружил, что квантовая теория вносит в эту историю парадоксальный поворот. Он показал, что квантовые процессы вблизи поверхности черной дыры приводят к тому, что она излучает слабый, но устойчивый поток частиц, в том числе и частиц света. Это излучение – теперь его называют излучением Хокинга – слишком слабое, чтобы его можно было зарегистрировать физическими методами, и само его существование оказывается внутренне противоречивым[27]. Дело в том, что, если черные дыры излучают энергию, они должны съеживаться и в конце концов исчезать. Что же происходит с огромным количеством информации, скрытым внутри черной дыры, когда последний грамм ее массы превращается в излучение? Вычисления Стивена показали, что эта информация будет потеряна навсегда. Черные дыры, утверждал он, это идеальные мусоросборники. Однако такой сценарий противоречит основному принципу квантовой теории, который требует, чтобы в ходе физических процессов информация могла преобразовываться и кодироваться, но никогда бы не могла быть необратимо уничтожена. Мы снова приходим к парадоксу: квантовые процессы заставляют черные дыры излучать и терять информацию, но та же квантовая теория говорит, что это невозможно.
Парадоксы, связанные с жизненным циклом черных дыр и с нашим местом в мультивселенной, стали двумя самыми жгучими и наиболее горячо обсуждаемыми загадками физики последних десятилетий. Так как они имеют прямое отношение к природе и судьбе информации в физике, они попадают в самое сердце любой физической теории. Оба этих парадокса возникают в контексте так называемого полуклассического теоретического описания гравитации, которое впервые предложили Стивен и его кембриджская «банда» в середине 1970-х на стыке классического и квантового подходов. Парадоксы начинают сказываться, когда кто-то применяет такой полуклассический подход либо на слишком длинных временных шкалах (в случае черных дыр), либо на слишком больших расстояниях (в случае мультивселенной). Взятые вместе, они дают самую наглядную на сегодня иллюстрацию глубинных трудностей, которые возникают, когда мы пытаемся заставить две основополагающие физические теории XX века, теорию относительности и теорию квантов, работать в гармонии друг с другом. В этой роли они послужили основой для головокружительных мысленных экспериментов, в рамках которых теоретики проэкстраполировали свое полуклассическое описание гравитации до крайних пределов, чтобы посмотреть, где и как именно оно перестанет работать.
Стивен всегда обожал мысленные эксперименты. Отвергая философию, он любил экспериментировать с некоторыми глубокими философскими вопросами – было ли у времени начало, фундаментально ли понятие причинности и – этот вопрос был самым амбициозным – каким образом мы как «наблюдатели» вписываемся в космическую схему. И делал он это, прибегая к построению хитроумных теоретико-физических экспериментов. Все три великих вклада Стивена в физику были результатом изобретательно задуманных и тщательно спланированных мысленных экспериментов. Первым из них стала его серия теорем о сингулярности Большого взрыва в рамках классической гравитации; вторым – сделанное им в 1974 году в области полуклассической гравитации открытие, что черные дыры излучают; и третьим – «предложение об отсутствии границы» при возникновении Вселенной, также сделанное в рамках полуклассической гравитации.
Можно считать, что парадокс черных дыр представляет только академический интерес – специфические особенности излучения Хокинга вряд ли когда-либо станут доступны наблюдениям. Но парадокс мультивселенной непосредственно основывается на наших космологических наблюдениях. Его суть – сложившиеся в современной космологии напряженные отношения между миром живого и явлением наблюдения с одной стороны и физической Вселенной – с другой. Парадокс мультивселенной стал ориентиром в переосмыслении Хокингом этих отношений путем развития полностью квантового взгляда на космос. Его окончательная теория Вселенной, всецело квантовая, перестраивает основы космологии – и это четвертый великий вклад Хокинга в физику. Подготовка грандиозного мысленного эксперимента, на котором основывается эта теория, в некотором смысле заняла пять столетий. Рассказ о его постановке и выполнении и станет содержанием нашего путешествия.
Рис. 7(b). Стивен (слева) и автор (крайний справа) в 2001 году, вскоре после начала их «научных странствий», в брюссельском баре A La Mort Subite
Глава 2День, у которого не было «вчера»
Мы можем сравнить пространство-время с открытой конической чашей. Мы движемся вперед во времени, поднимаясь по стенкам к верхней кромке чаши. Мы движемся в пространстве, описывая круги по стенкам. Если мы представим движение вспять во времени, мы достигнем дна чаши. Это первый момент на дне пространства-времени, это «сейчас», у которого нету «вчера», потому что вчера не было пространства.
В своем интервью[28], переданном по бельгийскому радио в апреле 1957 года по случаю второй годовщины со дня кончины Альберта Эйнштейна, Жорж Леметр вспомнил, как реагировал Эйнштейн, когда он, Леметр, впервые рассказал ему о своем открытии расширения Вселенной. Это было в октябре 1927 года в Брюсселе, в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса по физике, на который съехались самые знаменитые физики всего мира, чтобы обсудить новую квантовую теорию. Тридцатитрехлетний священник и астроном не был участником конгресса – он подошел к Эйнштейну в перерыве между заседаниями. Когда Леметр напомнил Эйнштейну предсказание его общей теории относительности о том, что пространство расширяется и что, следовательно, мы должны наблюдать разбегание галактик, Эйнштейн отмахнулся. «Сделав несколько одобрительных технических замечаний, он закончил разговор, сказав, что с физической точки зрения эта идея кажется ему “отвратной (abominable)”», – вспоминал Леметр.
Но Леметра эти слова не обескуражили. Он относился к своему открытию вполне серьезно. По его мнению, расширение Вселенной означало, что у нее должно было быть начало. Он назвал крошечную крупицу невероятной плотности, в ходе постепенного разрушения которой образовались материя, пространство и время, первичным атомом.
Почему Эйнштейн упорно возражал против идеи начала Вселенной? Он чувствовал, что ее принятие чревато полным разрушением физики. Он считал, что «первичный атом» Леметра или любая другая разновидность Большого взрыва как начала Вселенной станет исходным пунктом для вмешательства Бога в работу Природы. Во время долгих прогулок, которые они вместе совершали в начале 1930-х, Эйнштейн настойчиво убеждал Леметра найти способ избежать идеи «начала всего». «Это слишком сильно напоминает мне христианский догмат о сотворении мира», – говорил он. Ему казалось, что если космологическая теория выдаст Вселенной «свидетельство о рождении», то Вселенной вечно придется хранить молчание о том, кто (или что) в этом свидетельстве указан в качестве родителя, – и тогда придется распроститься с надеждой понять Вселенную на основе одной только науки. И напрасно бельгийский аббат пытался переубедить Эйнштейна, доказывая, что «гипотеза о первичном атоме есть антитезис сверхъестественному сотворению мира»[29]. В сущности, Леметр видел в происхождении Вселенной чудесную возможность расширить сферу применения естественных наук.
Схватка «Эйнштейн против Леметра» во многом предвосхитила схватку «Линде против Хокинга», которая случилась семьдесят лет спустя. Их споры о первопричине расширения Вселенной упираются в самую сердцевину тайны ее «замысла». Что же имел в виду Леметр, когда говорил о Большом взрыве как об «антитезисе сверхъестественному сотворению мира»? Чтобы понять это, нам придется поближе познакомиться с идеями Эйнштейна и Леметра.
Теоретические основания современной космологии заложены эйнштейновской теорией относительности. Эта история возвращает нас к началу XX столетия, ко времени, когда физики располагали ньютоновскими законами гравитации и движения, а еще разработанной Джеймсом Максвеллом теорией электричества, магнетизма и света. Вместе с теорией теплоты все это послужило основой первой промышленной революции. Мировоззрение, выросшее из этих физических теорий XIX века, соответствовало нашему интуитивному представлению о реальности, в том числе о частицах и полях, распространяющихся в фиксированном пространстве в рамках единого универсального времени – этакого космического Биг-Бена. Естественно, поэтому физики считали, что они располагают исчерпывающим описанием Природы и что физика скоро будет завершена.
Однако в 1900 году ирландско-шотландский физик Уильям Томсон, больше известный как лорд Кельвин, один из гигантов классической физики XIX столетия, заметил «на горизонте две тучки»[30]. Одна из этих «тучек», как определил Кельвин, имела отношение к движению света сквозь эфир, другая – к количеству излучения, которое испускают нагретые объекты. Большинство физиков все же полагали, что с этими мелкими деталями нетрудно будет разобраться, а стройное здание физической теории непоколебимо.
И вот в течение одного десятилетия это здание рухнуло. Попытка разобраться с отмеченными Кельвином «мелочами» привела к двум полномасштабным научным революциям – к появлению теории относительности и квантовой механики. Больше того, каждая из этих революций указала физике радикально отличающиеся друг от друга направления. И в результате сегодня над передним краем физики нависает другая туча: проблема согласования теорий, описывающих макро- и микромир.