Краткие ответы на большие вопросы

В более широком смысле нам казалось, что гравитационные волны настолько сильно отличаются от электромагнитных волн, что благодаря им мы почти гарантированно сможем совершить новую революцию в понимании Вселенной, возможно, сопоставимую по масштабам с электромагнитной революцией, произошедшей после Галилея, – если эти неуловимые волны удастся обнаруживать и отслеживать. Но это значительное «если»: по нашим оценкам, гравитационные волны, которые окутывают Землю, настолько слабы, что зеркала в концах Г-образной трубки, придуманной Раем Вайссом, будут колебаться относительно друг друга не более чем на одну сотую диаметра протона (это 1/10 000 000 размера атома), даже если расстояние между зеркалами составит несколько километров. Сложность измерения столь незначительных колебаний была колоссальной.

В общем, в течение того славного года, когда Стивен работал с моей исследовательской группой, я в основном занимался гравитационно-волновыми перспективами. Стивен помог мне в этом, поскольку сам со своим аспирантом Гэри Гиббонсом за несколько лет до этого спроектировал гравитационно-волновой детектор (но они его так и не построили).

Вскоре после возвращения Стивена в Кембридж я целую ночь разговаривал с Раем Вайссом в номере его вашингтонского отеля и окончательно убедился, что шансы на успех в области изучения гравитационных волн весьма велики и я должен посвятить свою дальнейшую карьеру, как и будущие исследования моих аспирантов, помощи Раю и другим экспериментаторам в осуществлении наших гравитационно-волновых идей. Остальное, как говорится, вошло в историю.

Четырнадцатого сентября 2015 года гравитационно-волновой детектор в обсерватории LIGO зарегистрировал первые гравитационные волны (сооснователями проекта, в котором было задействовано 1000 человек, являются Рай, я и Рональд Древер, а организатором и руководителем процесса был Барри Бариш)[4 - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория; состоит из двух лазерных установок, одна из которых находится в г. Ливингстоне, штат Луизиана, а другая – в г. Хэнфоре, штат Вашингтон. Идея создания LIGO была предложена Кипом Торном, Райнером Вайссом и Рональдом Древером в 1992 году; работает с 2003 года. – Прим. ред.]. Сравнив волновые характеристики с полученными на компьютерном симуляторе, наша команда пришла к выводу, что волны возникли от столкновения двух массивных черных дыр, которое произошло в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Это стало началом гравитационно-волновой астрономии. Наша команда достигла с гравитационными волнами того, что Галилей достиг с электромагнитными.

Я уверен, что в ближайшие десятилетия следующее поколение гравитационно-волновых астрономов будет работать с этими волнами не только для проверки физических законов черных дыр, выведенных Стивеном, но и для обнаружения и слежения за гравитационными волнами, возникшими при сингулярном рождении нашей Вселенной, тем самым проверяя идеи о ее возникновении, выдвинутые Стивеном и другими.

В течение славного 1974/75 года, когда я занимался проблемами гравитационных волн, а Хокинг во главе объединенной группы изучал черные дыры, ему пришла в голову идея еще более блестящая, чем «излучение Хокинга». Он дал исчерпывающее, почти неоспоримое доказательство того, что черная дыра после испарения не выпускает содержащуюся в ней информацию. Информация, которая попадает в черную дыру, исчезает бесследно.

Радикальность этой идеи в том, что, согласно законам квантовой физики, информация не может исчезнуть окончательно. Но если Стивен был прав, черные дыры нарушают самый фундаментальный закон квантовой механики.

Как такое возможно? Излучение черной дыры подчиняется объединенным законам квантовой механики и общей теории относительности – плохо еще понимаемым законам квантовой гравитации. Таким образом, утверждал Стивен, пылкий союз теории относительности и квантовой физики должен вести к разрушению информации.

Подавляющее большинство физиков-теоретиков считают это утверждение неприемлемым. Они настроены крайне скептически. На протяжении сорока четырех лет они борются с этим так называемым парадоксом потери информации. Борьба вполне стоит мучительных усилий тех, кто в ней участвует, поскольку этот парадокс является важнейшим звеном для понимания законов квантовой гравитации. В 2003 году сам Стивен нашел способ, благодаря которому в процессе испарения черной дыры информация может вырываться наружу, но это не успокоило теоретиков. Стивен не доказал, что информация может покидать черную дыру. Поэтому борьба продолжается.

В прощальном слове при погребении пепла Стивена в Вестминстерском аббатстве я отметил эту борьбу следующими словами: «Ньютон дал нам ответы. Хокинг дал нам вопросы. И вопросы Хокинга сами по себе будут работать, генерируя научные прорывы еще не одно десятилетие. Когда мы наконец овладеем законами квантовой гравитации и полностью поймем, как родилась наша Вселенная, этим мы во многом будем обязаны именно Хокингу».

* * *

Славный 1974/75 год оказался не только началом моих изысканий в области гравитационных волн, но и началом попыток Стивена разобраться в законах квантовой гравитации, в том, что эти законы говорят об истинной природе информации и хаотичности черных дыр, а также об истинной природе сингулярного рождения нашей Вселенной и истинной природе сингулярности внутри черных дыр – об истинной природе рождения и смерти времени.

Это серьезные вопросы. Очень серьезные.

Я всегда старался уходить от серьезных вопросов. Мне не хватает умения, мудрости и уверенности в себе, чтобы браться за них. Стивена, напротив, всегда привлекали серьезные вопросы, неважно, связанные с его научными интересами или нет. У него были необходимые для этого навыки, мудрость и уверенность в себе.

Эта книга – сборник его ответов на серьезные вопросы, ответов, над которыми он размышлял до самой смерти.

Ответы на шесть вопросов глубоко связаны с научными интересами Стивена («Есть ли Бог?», «Как все началось?», «Можно ли предсказать будущее?», «Что находится внутри черных дыр?», «Возможно ли путешествие во времени?», «Как мы формируем будущее?»). В этой книге вы найдете его глубокие размышления над теми проблемами, которых я кратко коснулся в этом предисловии, и еще многое, многое другое.

Ответы на четыре других серьезных вопроса не имеют прямого отношения к науке, которой он занимался («Сохранится ли жизнь на Земле?», «Есть ли другая разумная жизнь во Вселенной?», «Надо ли осваивать космос?», «Превзойдет ли нас искусственный интеллект?»). Тем не менее его ответы и здесь демонстрируют глубокую мудрость и креативность, чего и следовало ожидать.

Надеюсь, для вас эта книга окажется такой же вдохновляющей и содержательной, как для меня. Наслаждайтесь!

Кип Стивен Торн

Июль 2018 года

Почему мы должны задавать серьезные вопросы

Люди всегда хотели получить ответы на серьезные вопросы. Откуда мы взялись? Как родилась Вселенная? Стоит ли за всем этим глубокий замысел? Есть ли еще кто-то, кроме нас, в космосе? Истории о сотворении мира из прошлого сейчас уже не кажутся нам актуальными и достоверными. Им на смену пришло разнообразие того, что можно назвать суевериями – от нью-эйдж до «Звездных войн». Но реальная наука может оказаться гораздо более удивительной, чем научная фантастика, и доставлять гораздо больше удовлетворения.

Я ученый. Ученый, которого безумно интересует физика, космология, Вселенная и будущее человечества. Родители воспитывали во мне неуемное любопытство; вслед за отцом я стремился искать ответы на многие вопросы, которые ставит перед нами наука. Я всю жизнь мысленно путешествовал по Вселенной. Благодаря теоретической физике я нашел ответы на некоторые очень важные вопросы. В какой-то момент мне даже показалось, что я увижу конец физики в том виде, в каком мы ее знаем, но теперь я считаю, что чудесные открытия будут совершаться долго после того, как меня не станет. Мы уже близки к ответам на некоторые вопросы, но еще их не знаем.

Проблема в том, что большинство людей считают серьезную науку слишком трудной и запутанной для понимания. Но я думаю, дело не в этом. Изучение фундаментальных законов, по которым живет Вселенная, требует значительного времени, которого у большинства просто нет. Прогресс быстро зайдет в тупик, если мы все займемся теоретической физикой. Но большинство людей в состоянии понять и оценить основные идеи, если их преподносить ясным языком и без формул, что, на мой взгляд, вполне возможно и чем я иногда с удовольствием занимался на протяжении всей жизни.

Славное было время – жить и заниматься вопросами теоретической физики. За последние пятьдесят лет наше представление о Вселенной кардинальным образом изменилось, и я рад, что в какой-то степени принимал в этом участие. Одним из главных открытий космической эры стало то, что она прибавила нам всем веры в человечность. Когда мы видим Землю из космоса, мы видим себя как целое. Мы видим единство, а не различия. Очень простой образ с исчерпывающим смыслом: одна планета, одно человечество.

Я хочу присоединить свой голос к тем, кто требует незамедлительных действий по ключевым вопросам существования мира. Надеюсь, двигаясь вперед, даже когда меня уже не будет, люди, наделенные властью, смогут проявить креативность, мужество и лидерские способности. Надеюсь, они сумеют достойно ответить на вызовы прогресса и действовать не в собственных, а в общественных интересах. Я очень хорошо понимаю ценность времени. Не упустите момент. Действуйте сейчас.

Мне уже приходилось рассказывать о своей жизни, но сейчас, размышляя о том, почему меня всегда безумно увлекали серьезные вопросы, полагаю, имеет смысл вновь обратиться к некоторым из моих ранних впечатлений.

Я появился на свет ровно через 300 лет после смерти Галилея, и хочется думать, что это случайное совпадение каким-то образом повлияло на то, как сложилась моя жизнь в науке. Впрочем, в день моего рождения, по моим подсчетам, появилось на свет еще 200 тысяч младенцев. Не знаю, заинтересовался ли потом кто-то из них астрономией.

Я вырос в высоком, узком викторианском доме в лондонском районе Хайгейт. Мои родители купили его по дешевке во время Второй мировой войны, когда все считали, что Лондон будет стерт с лица земли под градом бомб. И одна из них, Фау-2, действительно упала в нескольких домах от нашего. Мы с сестрой и матерью в то время были в другом месте, а отец, к счастью, не пострадал. На месте падения образовалась огромная воронка, в которой мы несколько лет играли с моим другом Говардом. Мы исследовали результаты взрыва с тем же любопытством, которое будет подстегивать меня всю жизнь.

В 1950 году место работы моего отца переместилось на север Лондона, в Милл Хилл, где открылся новый Национальный институт медицинских исследований. Наша семья перебралась в расположенный неподалеку городок Сент-Олбанс. Меня отдали в среднюю школу для девочек, куда, несмотря на название, принимали и мальчиков в возрасте до десяти лет. Позже я перешел в знаменитую школу Сент-Олбанс для мальчиков. В классе я был середнячком – ребята собрались очень умные, – но одноклассники дали мне прозвище Эйнштейн, наверное, потому, что смогли во мне что-то разглядеть. Когда мне было двенадцать, один из них поспорил с другим на коробку конфет, что я никогда ничего не добьюсь в жизни.

В Сент-Олбанс у меня было шесть-семь друзей, и я помню, что мы часто подолгу беседовали и спорили обо всем на свете, от радиоуправляемых моделей до религии. Одной из наших любимых тем было происхождение Вселенной и так ли уж необходим был Бог для ее сотворения. Я слышал, что свет далеких галактик смещается в красную сторону спектра, а это предполагало, что Вселенная расширяется. Но я был уверен, что этому должно быть какое-то другое объяснение. Может, свет устает и краснеет по пути к нам? Принципиально неизменная и вечная Вселенная казалась мне гораздо более естественной. (Только спустя много лет, после открытия фонового микроволнового космического излучения на второй год подготовки своей докторской диссертации, я понял, что был неправ.)

Меня всегда интересовал принцип действия разных механизмов, и я обычно разбирал их, чтобы понять, как они работают. А вот собрать их обратно было гораздо сложнее. Мои практические способности всегда уступали теоретическим. Отец поощрял мой интерес к науке и очень хотел, чтобы я поступил в Оксфорд или Кембридж. Он сам окончил Университетский колледж в Оксфорде и полагал, что мне следует поступать туда же. В то время Университетский колледж не давал стипендию на изучение математики, поэтому мне не оставалось ничего другого, кроме как попытаться получить ее на отделении естественных наук. Я очень удивился, когда мне это удалось.

В то время в Оксфорде среди студентов «не напрягаться» считалось почетным. Ты должен был демонстрировать блестящие успехи без видимых усилий – либо смириться с собственной ограниченностью и получить четвертую степень[5 - Средний балл диплома в британском бакалавриате. В данном случае, очевидно, имеется в виду Ordinary degree – обычная степень, без отличия. – Прим. ред.]. Я воспринял это как предлог, чтобы учиться спустя рукава. Я не горжусь этим, просто описываю свое настроение того времени, которое разделяли большинство моих однокурсников. Одним из следствий моей болезни стало то, что я изменил отношение к учебе. Когда узнаешь, что, возможно, скоро умрешь, быстро понимаешь, как много должен успеть сделать до того, как твоя жизнь закончится.

Поскольку я особо не напрягался, на последнем экзамене я планировал избежать вопросов, требующих фактических знаний, и сосредоточиться на проблемах теоретической физики. Ночью перед экзаменом мне не удалось заснуть, и выступил я не очень удачно. Ответы оказались на грани между первой и второй степенью, и мне предстояло пройти собеседование с экзаменаторами. В процессе меня спросили о дальнейших планах. Я ответил, что хочу заниматься исследовательской работой. Если мне дадут первую степень, я отправлюсь в Кембридж. Если вторую – останусь в Оксфорде. Мне присудили первую.

На время длительных каникул после выпускного экзамена колледж предложил на выбор несколько небольших грантов на путешествия. Я решил, что мои шансы будут выше, если я решу поехать куда-нибудь подальше, и заявил, что хотел бы побывать в Иране. Летом 1962 года я отправился в путь – поездом до Стамбула, далее в Эрзерум на востоке Турции, затем в Тебриз, Тегеран, Исфахан, Шираз и Персеполис – древнюю столицу персидских царей. На обратном пути мы с моим спутником Ричардом Чином оказались почти в эпицентре катастрофического землетрясения в Буин-Захра силой 7,1 балла по шкале Рихтера, в результате которого погибли более 12 тысяч человек. Я его не заметил, потому что был болен, а автобус, в котором мы ехали по ухабистым иранским дорогам, и без того нещадно трясло.

Несколько дней мы провели в Тебризе, где я восстанавливался после тяжелой дизентерии и перелома ребра, полученного в автобусе, когда меня бросило на переднее сиденье. О катастрофе мы не знали, потому что не владели фарси. Только в Стамбуле нам стало известно, что произошло. Я отправил открытку родителям, которые десять дней провели в тревожном неведении, поскольку знали только о том, что я в день землетрясения уехал из Тегерана как раз в район будущей катастрофы. Несмотря на землетрясение, от Ирана у меня остались очень теплые воспоминания. Чрезмерное любопытство к окружающему миру может, конечно, довести до беды, но у меня это был, пожалуй, единственный раз в жизни, когда такое могло случиться.

В октябре 1962 года мне исполнилось двадцать дет. Я поступил в Кембридж на факультет прикладной математики и теоретической физики. Я решил записаться на семинар Фреда Хойла, самого знаменитого британского астронома того времени. Я говорю «астроном», поскольку космология тогда не считалась официальной наукой. Однако у Хойла к тому времени было достаточно студентов, поэтому, к моему глубокому разочарованию, мне пришлось пойти к Деннису Сиаме, о котором я ничего не слышал. Но в том, что я не стал учеником Хойла, оказались и свои плюсы, потому что мне пришлось бы в таком случае защищать его теорию стационарной Вселенной – а это оказалось бы сложнее, чем вести переговоры по Брекситу[6 - Процесс выхода Великобритании из Европейского союза; от слов Britain (Британия) и Exit (выход). – Прим. ред.]. Я начал с чтения старых учебников по общей теории относительности – как всегда, интересуясь самыми серьезными вопросами.

Некоторые из вас, возможно, видели фильм, в котором Эдди Редмэйн сыграл симпатичную версию меня. Там показано, как на третий год в Оксфорде я стал замечать, что становлюсь несколько неуклюжим. Я пару раз падал, не понимая, в чем дело, и обратил внимание, что у меня не очень-то получается управляться с веслами на гребной лодке. Стало ясно, что что-то не так, и я ужасно расстроился, когда врач посоветовал мне отказаться от пива.

Первая зима после моего поступления в Кембридж выдалась очень холодной. Я приехал домой в Сент-Олбанс на рождественские каникулы. Мама уговорила пойти покататься на коньках на озеро, хотя я понимал, что это не для меня. Я упал и поднялся с огромным трудом. Мама почувствовала, что дело плохо, и повезла меня к врачу.

В лондонском госпитале Святого Варфоломея я провел неделю. Мне сделали множество анализов. В 1962 году все анализы были гораздо примитивнее, чем сейчас: у меня взяли образец мышечной ткани из руки, обвешали с ног до головы электродами и закачали в позвоночник рентгеноконтрастную жидкость. Врачи наблюдали на рентгене, как она движется, когда кровать наклонялась вниз и вверх. Диагноз мне тогда не сказали, но я понял, что дело серьезное, и, признаться, не хотел выяснять. По разговорам врачей я догадывался, что «это» – непонятно что – все хуже и что они ничего не могут сделать, кроме как напичкать меня витаминами. Врач, который проводил анализы, попросту умыл руки, и я никогда его больше не видел.

В какой-то момент мне все-таки пришлось узнать диагноз – боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь моторных нейронов, при которой нервные клетки головного и спинного мозга атрофируются, а затем рубцуются. Я также узнал, что люди с таким заболеванием постепенно теряют контроль над своими движениями, теряют способность говорить, есть и в конце концов – дышать.

Болезнь моя, судя по всему, быстро прогрессировала. Естественно, я впал в депрессию и не видел смысла продолжать работу над диссертацией, поскольку не знал, доживу ли до ее завершения. Но затем болезнь замедлилась, и у меня появилось желание продолжить работу. После того как мои ожидания упали до нуля, каждый новый день стал для меня подарком. Я начал ценить все, что у меня было. Пока есть жизнь – есть и надежда.

И конечно, была молодая женщина по имени Джейн, с которой я познакомился на вечеринке. Она была твердо убеждена, что вместе мы сможем побороть мое состояние. Ее уверенность укрепила во мне надежду. Помолвка взбодрила меня, и я понял, что, если мы собираемся пожениться, мне придется искать работу и защищать диссертацию. Я начал усердно работать, и мне это нравилось.

Чтобы каким-то образом обеспечить себя, я подал заявку на должность штатного научного сотрудника в колледж Гонвиль и Киз. К моему огромному удивлению, меня приняли, и я с тех пор являюсь его сотрудником. Это стало поворотным моментом моей жизни. Работа в колледже означала, что я могу продолжать исследования, несмотря на прогрессирующую беспомощность. Это означало также, что мы с Джейн можем пожениться, что мы и сделали в июле 1965 года. Наш первенец, Роберт, появился на свет, когда мы прожили в браке два года. Второй ребенок, Люси, на три года позже. Третий ребенок, Тимоти, родился в 1979 году.

Как отец я всегда настаивал на необходимости задавать вопросы. Мой сын Тимоти однажды в интервью рассказал, как боялся задать вопрос, который, по его мнению, я мог бы посчитать нелепым. Он хотел узнать, не существует ли вокруг нас множество маленьких Вселенных. Я сказал ему, что никогда не надо бояться высказывать идеи или гипотезы, какими бы глупыми (его слово, не мое) они ни казались.

* * *

Одним из главных вопросов космологии начала 1960-х годов был вопрос: есть ли у Вселенной начало? Многие ученые инстинктивно противились этой идее, потому что им казалось, что точка сотворения может стать тем местом, где кончится наука. Люди обычно обращаются к религии и руке Бога, чтобы объяснить, как зародилась Вселенная. Это действительно фундаментальный вопрос, и как раз такой мне был нужен для завершения докторской диссертации.

Роджер Пенроуз уже показал, что, когда умирающая звезда сжимается до определенного размера, неизбежно должна возникать сингулярность, то есть точка, в которой пространство и время подходят к концу. Разумеется, подумал я, мы уже знаем, что ничто не может помешать массивной холодной звезде коллапсировать под воздействием собственной гравитации до тех пор, пока она не достигнет сингулярности бесконечной плотности. Я понял, что сходные аргументы могут быть применимы к расширению Вселенной. В таком случае я мог бы доказать, что были сингулярности, в которых пространство-время имело свое начало.

Эврика пришла ко мне в 1970 году, через несколько дней после рождения моей дочери Люси. Собираясь вечером ложиться в постель, что при моей инвалидности представляло весьма длительный процесс, я понял, что к черным дырам можно применить теорию причинных структур, которую я разработал для теорем сингулярности. Если общая теория относительности верна и плотность энергии имеет позитивное значение, то площадь поверхности горизонта событий – границы черной дыры – обладает свойством увеличиваться, когда в нее попадает новое вещество или излучение. Более того, если две черные дыры столкнутся и образуют единую черную дыру, то площадь горизонта событий вокруг образовавшейся черной дыры будет больше, чем сумма площадей горизонтов событий вокруг первоначальных черных дыр.

Это был золотой век. Мы решили большинство проблем, связанных с теорией черных дыр, даже раньше, чем появились данные наблюдений за черными дырами. На самом деле, мы так успешно разобрались с общей теорией относительности, что после публикации нашей с Джорджем Эллисом книги «Крупномасштабная структура пространства-времени» (1973) я на время остался без дела. Мое сотрудничество с Пенроузом показало, что общая теория относительности неприменима к сингулярности, поэтому следующим очевидным шагом было попробовать объединить общую теорию относительности (теорию очень большого) с квантовой теорией (теорией очень малого). В частности, я задумался, а могут ли существовать атомы, ядро которых представляет собой маленькую первичную черную дыру, образованную в молодой Вселенной? Мои исследования показали глубокую связь, о которой раньше не подозревали, между гравитацией и термодинамикой, наукой о тепле, и разрешили парадокс, над которым ученые без особого успеха ломали голову более тридцати лет: как может излучение, остающееся от сжимающейся черной дыры, нести всю информацию о том, из чего она состояла? Я обнаружил, что информация не теряется, но и не возвращается в полезном виде – это как сжечь энциклопедию, от которой останется лишь дым и пепел.