Сиэтле. По-видимому, та поездка не слишком ранила его детскую душу.
С моим первенцем Робертом
Джейн и Роберт
Люси, наш второй ребенок, родилась примерно через три года в здании родильного дома, в котором когда-то располагалась тюрьма. Ожидая появления Люси, мы жили в пригороде, в доме с соломенной крышей, который нам любезно предоставили наши друзья, так как в нашем доме велись работы по расширению. Мы смогли вернуться в свое обновленное жилище буквально перед самыми родами.
Гравитационные волны
В 1969 году Джозеф Вебер сделал сообщение о наблюдении всплесков гравитационных волн, которые он зафиксировал при помощи двух алюминиевых цилиндров, подвешенных в вакууме. При распространении гравитационная волна расширяла предметы в одном направлении (перпендикулярно направлению распространения самой волны) и сжимала в другом (перпендикулярном первому). Это вызывало колебания цилиндров с резонансной частотой 1660 циклов в секунду, и эти колебания регистрировались при помощи кристаллов, размещенных на цилиндрах. Я нанес визит Веберу в его лаборатории, находившейся недалеко от Принстона, в начале 1970 года и имел возможность посмотреть на его оборудование. Я не заметил ничего, что могло бы заставить меня сомневаться, но результаты, о которых заявлял Вебер, были поистине невероятными. Единственным источником, приводившим к достаточно сильным всплескам гравитационных волн, вызывавших движение цилиндров Вебера, мог быть либо коллапс массивной звезды с последующим образованием черной дыры, либо столкновение и слияние двух черных дыр. Причем этот источник должен был находиться в пределах нашей Галактики. Все прошлые свидетельства говорили, что подобные явления регистрировались не чаще одного раза в столетие, Вебер же утверждал, что наблюдает их по одному или два раза ежедневно. Но это означало бы, что Галактика теряет массу с такой скоростью, которая вряд ли могла сохраняться на протяжении всего ее существования, иначе от нее бы уже ничего не осталось[56].
Вернувшись в Англию, я решил, что громкие заявления Вебера нуждаются в независимой проверке. Вместе с одним из моих студентов, Гари Гиббонсом, я написал статью по теории детектирования всплесков гравитационных волн, в которой предложил модель более чувствительного детектора волн. Когда оказалось, что никто кроме нас не был заинтересован в создании такого детектора, мы с Гари отважились на отчаянный для двух теоретиков шаг и подали заявку на предоставление гранта в Британский Совет по научным исследованиям. (Но нам необходимо было два детектора, только совпадение данных, полученных с двух детекторов, могло дать результат, исключавший влияние шумов и вибрации Земли.) Пока Совет рассматривал заявку, Гари рыскал по распродажам военного имущества в поисках декомпрессионных камер, а я подыскивал подходящее помещение.
Однако вскоре в Совете по научным исследованиям, располагавшемся на тринадцатом этаже одной из лондонских высоток (в Совете не могли опуститься до предрассудков, тем более что помещение это досталось им со скидкой) произошла наша встреча с другими учеными, заинтересованными в подтверждении заявлений Вебера. Обрадовавшись, что есть люди, готовые реализовать данную идею, мы с Гари быстренько отозвали свою заявку. И это было чудесное избавление! Физическая недееспособность напрочь лишала меня возможности проводить практические опыты. Тем более что практическая область, как правило, отвергает единоличные усилия, там нужна целая команда, а на проведение опытов уходят годы. Другое дело теоретики – их может осенить в любое мгновение, в моем случае это произошло, когда я укладывался спать. И чтобы сделать себе имя, остается только написать статью самому или в соавторстве с кем-нибудь из коллег.
Уже в 1970-е годы появились гораздо более чувствительные детекторы. Сегодня в них используются лазерные дальномеры, позволяющие сравнивать длины плеч под прямым углом. В США есть два детектора LIGO[57]. И хотя их чувствительность в десятки миллионов раз превосходит чувствительность детектора Вебера, даже с их помощью ученым не удалось уверенно зарегистрировать возмущение гравитационных волн[58]. Я счастлив, что остался теоретиком.
Большой взрыв
Главным для космологии начала 1960-х годов оставался вопрос о начале Вселенной. Многие ученые подсознательно отвергали идею о том, что Вселенная в принципе могла иметь начало. Вместе с ней они отвергали и теорию Большого взрыва, ощущая, что сотворение Вселенной – концепция, объяснить которую не под силу ни одной из наук. Пытаясь ответить на вопрос о начале Вселенной, многие ссылались на религию, видя в нем Божье Провидение.
В качестве обоснования выдвигались два альтернативных сценария. Один – стационарная теория, согласно которой по мере расширения во Вселенной создавалась все новая и новая материя, что позволяло поддерживать практически постоянный уровень плотности. Но стационарная теория была лишена сильной теоретической основы, так как создание материи требовало поля отрицательной энергии, из-за существования которого Вселенная потеряла бы устойчивость и могла беспрепятственно создавать материю и отрицательную энергию. Зато эта теория позволяла делать вполне определенные прогнозы, которые можно было проверить при помощи наблюдений.
Но к 1963 году группа радиоастрономов под руководством Мартина Райла из Кавендишской лаборатории пошатнула позиции теории стационарной Вселенной, проведя исследование источников слабых радиосигналов. Выяснилось, что они распределены по небу практически равномерно, это означало, что все они находятся за пределами нашей Галактики, так как в противном случае они были бы сосредоточены вдоль Млечного Пути. Но график зависимости числа источников от их яркости шел вразрез с выкладками теории стационарной Вселенной. Слабых источников было слишком много, что позволяло говорить о том, что в далеком прошлом их плотность была гораздо выше.
Хойл и его сторонники выдвигали новые, все более невероятные объяснения данному явлению, но последний гвоздь в крышку гроба стационарной теории был забит в 1965 году после открытия слабого фонового микроволнового излучения. (Оно подобно излучению в микроволновой печи, но его температура составляет всего 2,7° Кельвина, то есть чуть выше абсолютного нуля.) Этому явлению теория стационарной вселенной объяснения дать не могла, хотя Хойл и Нарликар не оставляли попыток подыскать такое объяснение. Какое счастье, что в свое время Хойл не взял меня к себе, а то теперь мне пришлось бы отстаивать стационарную теорию.
Наличие микроволнового реликтового излучения указывало на то, что в прошлом Вселенная прошла горячую плотную стадию. Правда, это и не доказывало, что именно эта стадия стала ее началом. Можно было предположить, что этой фазе предшествовала фаза сжатия, после которой при высокой, но конечной плотности произошел отскок от сжатия к расширению. Вопрос «происходило ли все именно так?» был фундаментальным, и ответ на него был нужен мне, чтобы завершить диссертацию.
Гравитация уплотняет материю, а вращение разрывает ее на части. Поэтому в первую очередь меня интересовал вопрос, могло ли вращение спровоцировать отскок Вселенной. Вместе с Джорджем Эллисом я сумел доказать, что ответ на этот вопрос отрицательный, при условии, что Вселенная пространственно однородна, то есть если она одинакова в любой точке пространства. Однако советские ученые Евгений Лившиц и Исаак Халатников утверждали, что им удалось доказать: общее сжатие при отсутствии полной симметрии всякий раз будет приводить к отскоку, как только будет достигаться конечная плотность. Такое объяснение было весьма удобным для марксистко-ленинского диалектического материализма, так как снимало вопрос о происхождении Вселенной. Поэтому их теория стала непреложной догмой для советских ученых[59].
Лившиц и Халатников были представителями старой школы изучения общей теории относительности, то есть они, как все, записывали огромные системы уравнений и пытались решить их[60]. Однако нельзя было с большой долей уверенности утверждать, что эти решения описывают общие случаи. Роджер Пенроуз предложил новый подход, который не требовал решения уравнений поля Эйнштейна в явном виде, а напротив, использовал лишь определенные свойства, к примеру, что энергия положительна, а гравитация обладает свойством притягивать. В январе 1965 года Пенроуз провел семинар на эту тему в Королевском колледже Лондона. Я на этот семинар не попал, но мне рассказал о нем мой коллега Брэндон Картер, с которым в то время мы работали в одном кабинете на новой кафедре прикладной математики и теоретической физики в Кембридже, располагавшейся на Силвер-стрит.
Сначала я никак не мог понять, в чем суть новой теории. Пенроуз показал[61], что как только умирающая звезда достигает определенного радиуса, возникает сингулярность – точка, где заканчиваются время и пространство. Мы и так знаем, думал я, что невозможно препятствовать коллапсу массивной холодной звезды, который происходит под действием ее собственной гравитации до тех пор, пока она не достигнет состояния сингулярности с бесконечной плотностью. Но фактически это уравнение было решено лишь для звезды абсолютно правильной сферической формы, но где найти такую звезду? Если Лившиц и Халатников были правы, то отклонения от симметрии сферы будут увеличиваться по мере распада звезды и приведут к тому, что разные части звезды будут пролетать мимо друг друга, что сделает невозможным достижение точки сингулярности с бесконечной плотностью. Но Пенроуз доказал, что этот вывод был ошибочным, показав, что небольшие отклонения от сферической симметрии не будут препятствовать достижению сингулярности.