Краткие ответы на большие вопросы

В поисках ответа я изучал, как черная дыра рассеивает квантовые поля или частицы. Я ожидал, что часть волны должна поглощаться, а остальная – рассеиваться. Но, к моему величайшему удивлению, я обнаружил, что излучение исходит от самой черной дыры. Сначала я решил, что ошибся в расчетах. Но оказалось, что излучение – это именно то, что требуется для отождествления горизонта событий с энтропией черной дыры. Эта энтропия, мера беспорядочности системы, выражается в простой формуле

через параметры площади горизонта и трех фундаментальных физических постоянных: c – скорость света, G – гравитационная постоянная Ньютона и h – постоянная Планка. Эмиссия теплового излучения черной дыры теперь называется излучением Хокинга, и я горжусь, что мне удалось ее обнаружить.

В 1974 году меня избрали членом Королевского общества. Это стало сюрпризом для моих коллег, поскольку я был молод и числился простым научным сотрудником. Но в течение трех лет я дослужился до профессора. Работа над черными дырами зародила надежду, что мы сможем создать теорию всего, и это желание стимулировало меня двигаться дальше.

В том же году мой друг Кип Торн пригласил меня с семьей и группой аспирантов в Калифорнийский технологический институт (Калтех) – поработать над общей теорией относительности. В предыдущие четыре года я пользовался механическим инвалидным креслом, а также маленьким синим трехколесным электромобилем, который передвигался со скоростью велосипеда и в котором я порой нелегально возил пассажиров. Приехав в Калифорнию, мы поселились в принадлежащем Калтеху здании в колониальном стиле неподалеку от кампуса, и у меня впервые появилась возможность свободно пользоваться инвалидным креслом с электрическим приводом. Я чувствовал себя в нем намного более свободно; к тому же здания и тротуары в Соединенных Штатах оказались гораздо лучше приспособлены для инвалидов, чем в Британии.

Вернувшись из Калтеха в 1975 году, я несколько упал духом. По сравнению с энергичным американским образом жизни дома, в Британии, мне все казалось провинциальным и ограниченным. В то время страна была охвачена забастовками, а пейзаж отличался множеством поваленных деревьев, погибших от голландской болезни вязов. Но мне стало намного лучше, когда я увидел плоды своих трудов, а в 1979 году меня избрали Лукасовским профессором математики[7 - Учрежденная в 1663 году преподобным Лукасом Генри (1610–1663), священником и политиком, выпускником Кембриджского университета, одна из самых престижных академических должностей в мире. – Прим. ред.] – на должность, которую некогда занимали сэр Исаак Ньютон и Поль Дирак.

В 1970-е годы я в основном занимался черными дырами, но интерес к космологии возобновился благодаря предположению о том, что молодая Вселенная прошла период быстрого инфляционного расширения, в процессе которого она постоянно увеличивалась в размерах, прямо как цены, когда Британия проголосовала за Брексит. Некоторое время я работал с Джимом Хартлом, формулируя теорию рождения Вселенной, которую мы назвали «безграничной».

В начале 1980-х мое состояние продолжило ухудшаться. У меня бывали продолжительные приступы удушья, потому что мышцы гортани ослабли и во время еды кусочки пищи попадали в легкие. В 1985 году, во время поездки в ЦЕРН – Европейскую организацию по ядерным исследованиям, расположенную в Швейцарии, я заболел воспалением легких. Это был судьбоносный момент. Меня срочно доставили в кантональную клинику Люцерна и подключили к аппарату искусственного дыхания. Врачи сообщили Джейн, что ситуация достигла стадии, при которой они ничего сделать не могут, и они собираются отключать аппарат и дать мне умереть. Джейн отказалась, и на санитарном самолете меня переправили в Кембридж, в клинику Адденбрук.

Как вы, наверное, поняли, это было очень тяжелое время, но, к счастью, врачам Адденбрука удалось вернуть меня к состоянию, в котором я был до поездки в Швейцарию. Но, поскольку гортань по-прежнему пропускала пищу и слюну в легкие, им пришлось провести трахеотомию. Как известно, трахеотомия лишает человека способности говорить. Голос имеет огромное значение. Если речь невнятная, как была у меня, люди считают, что ты умственно отсталый, и относятся соответственно. До трахеотомии моя речь была настолько невнятной, что меня понимали только самые близкие. Среди этих немногих были и мои дети. Некоторое время после трахеотомии единственным способом коммуникации для меня была возможность поднимать брови, когда кто-нибудь указывал нужные буквы на листке с алфавитом.

К счастью, о моих трудностях узнал программист из Калифорнии Уолт Уолтосц. Он прислал мне программу «Эквалайзер», которую написал сам. Она позволила мне выбирать слова из меню на экране компьютера, установленного на кресле-каталке, нажимая рукой на ключ. Cпустя годы система усовершенствовалась. Сегодня я пользуюсь программой «Акат», разработанной компанией Intel, которой управляю с помощью маленького датчика на очках движением щеки. Там предусмотрен мобильный телефон с доступом в интернет. Могу с уверенностью сказать, что я самый онлайновый человек в мире. Я сохранил первоначальный синтезатор речи – отчасти потому, что не слышал о более совершенном, отчасти потому, что уже идентифицирую себя с этим голосом, хотя он и говорит с американским акцентом.

Впервые мысль написать научно-популярную книгу о Вселенной пришла мне в 1982 году, когда я размышлял над ее безграничностью. Я решил, что таким образом смогу внести скромный денежный вклад в образование своих детей и оплатить растущие расходы на уход за мной, но прежде всего мне хотелось показать, как далеко, на мой взгляд, мы продвинулись в понимании Вселенной: мы оказались уже очень близко к созданию всеобщей теории, которая описывала бы Вселенную и все, что в ней находится. Важно не только задавать вопросы и искать на них ответы. Как ученый я считал себя обязанным ставить мир в известность о том, что мы изучаем.

«Краткая история времени», что примечательно, вышла в свет 1 апреля в 1988 году. Изначально книга должна была называться «От Большого взрыва к черным дырам: краткая история времени». Название сократили… Остальное известно.

Я совершенно не ожидал, что «Краткая история времени» будет иметь такой успех. Несомненно, этому способствовал простой человеческий интерес к тому, как мне, несмотря на тяжелую инвалидность, удалось стать физиком-теоретиком, а заодно и автором бестселлера. Не все смогли осилить книгу до конца или понять всё, о чем в ней говорится, но читатели, по крайней мере, соприкоснулись с одним из серьезных вопросов нашего существования и усвоили мысль, что мы живем во Вселенной, которая подчиняется рациональным законам, и эти законы, благодаря науке, можно открыть и понять.

Для моих коллег я просто физик, но для широкой публики я стал, наверное, самым известным ученым в мире. Отчасти это объясняется тем, что ученые, если не говорить об Эйнштейне, отнюдь не так популярны, как рок-звезды, и отчасти тем, что я соответствую стереотипу гения-инвалида. Я не могу замаскироваться париком или темными очками – инвалидное кресло выдает меня с головой. Широкая известность и узнаваемость имеют свои плюсы и минусы, но плюсы явно перевешивают. Люди, похоже, искренне рады меня видеть. Самую большую аудиторию я собрал в 2012 году, когда открывал в Лондоне паралимпийские игры.

О чем вы мечтали в детстве и что из этого сбылось?

Я хотел стать великим ученым. Однако в школе я был не самым прилежным учеником и редко учился выше среднего. Задания я выполнял неряшливо, почерк был так себе. Но у меня были хорошие друзья. И мы разговаривали обо всем, в особенности о происхождении Вселенной. Тогда у меня появилась мечта, и я рад, что она сбылась.

Я прожил необыкновенную жизнь на этой планете и одновременно с помощью законов физики совершил мысленное путешествие по Вселенной. Я побывал в самых отдаленных уголках нашей галактики, путешествовал в черную дыру и возвращался к началу времени. На Земле я испытывал взлеты и падения, покой и волнения, успех и страдания. Я был бедным и богатым, физически здоровым и инвалидом. Меня хвалили и критиковали, но никогда не игнорировали. Мне выпала огромная честь своими работами внести определенный вклад в наше понимание Вселенной. Но эта Вселенная была бы поистине пустой, если бы не люди, которых я люблю и которые любят меня. Без них я был бы лишен всего этого чуда.

И в конце концов, сам факт, что мы, люди, представляющие собой лишь набор физических частиц, смогли прийти к пониманию законов, которые управляют нами и нашей Вселенной, – это великий триумф. Я хочу поделиться с вами тем волнением и энтузиазмом, с которыми ищу ответы на эти серьезные вопросы.

Надеюсь, настанет день, когда мы найдем все ответы. Но на планете появятся другие вызовы, другие серьезные вопросы, и на них тоже придется искать ответы, соответственно, появится потребность в новом поколении увлеченных, заинтересованных людей, разбирающихся в науках. Как прокормить постоянно растущее население? Как обеспечить всех чистой водой, как получать возобновляемую энергию, как лечить и предотвращать болезни, как замедлить процесс глобального потепления? Надеюсь, наука и техника найдут ответы на эти вопросы, но для их воплощения потребуются образованные и компетентные люди. Давайте бороться за то, чтобы каждая женщина и каждый мужчина имели шанс на благополучную и спокойную жизнь, полную возможностей и любви. Мы все путешественники во времени, наш путь лежит в будущее. Но давайте работать сообща, чтобы это будущее стало местом, куда мы хотим попасть.

Будьте отважны, пытливы, решительны, преодолевайте трудности. И все получится.

1. Есть ли Бог?

Наука все чаще отвечает на вопросы, которые раньше были прерогативой религии. Религия, собственно, была первой попыткой ответить на вопросы, которые интересуют всех нас: почему мы здесь, откуда мы взялись? В давние времена ответ был почти всегда одинаковым: все создали боги. Мир был пугающим, и даже такие суровые люди, как викинги, верили в сверхъестественных существ, чтобы придать смысл непонятным природным явлениям: молниям, бурям или затмениям. В наши дни наука предлагает более ясные и убедительные ответы, но многие по старинке держатся за религию, потому что им так комфортнее и потому что они не доверяют науке или не понимают ее.

Несколько лет назад газета The Times вышла с крупным заголовком на первой полосе: «Хокинг: Бог не создавал Вселенную». К статье прилагались иллюстрации. Бог был изображен в версии Микеланджело и выглядел устрашающим. А я на опубликованной фотографии казался самодовольным. Они сделали так, словно между нами происходит дуэль. Но я не имею ничего против Бога. Я не хочу, чтобы сложилось впечатление, будто моя работа направлена на оправдание или опровержение существования Бога. Моя работа заключается в поиске рациональной системы понимания окружающей нас Вселенной.

Многие века считалось, что инвалиды, подобные мне, прокляты Богом. Допускаю возможность, что чем-то не угодил Тому, кто там, наверху, но предпочитаю думать, что все можно объяснить иначе, с помощью законов природы. Если вы верите в науку, как я, то вы верите в существование законов, которым всегда подчиняются. Если угодно, можете сказать, что эти законы созданы Богом, – но это будет скорее определение Бога, а не доказательство Его существования.

В III веке до н. э. жил один философ по имени Аристарх, которого очень интересовали затмения, в особенности затмения Луны. Аристарх был поистине первопроходцем науки. Ему хватило мужества усомниться в том, что затмения есть дело рук богов. Он тщательно изучил небесную сферу и пришел к смелому выводу: причиной затмений является тень Земли, в которой оказывается Луна, а отнюдь не божественный умысел. Окрыленный этой мыслью, он представил, что в действительности происходит у него над головой, и даже нарисовал схемы, показывающие реальные взаимоотношения между Солнцем, Землей и Луной. А из этого сделал еще более примечательные выводы. Он предположил, что Земля не является центром Вселенной, как все тогда думали, а обращается по орбите вокруг Солнца. Осмысление взаимоотношений Луны, Земли и Солнца как раз и объясняет затмения. Когда Луна отбрасывает тень на Землю, происходит солнечное затмение. Когда Земля отбрасывает тень на Луну – лунное затмение. Но Аристарх пошел еще дальше. Он осмелился утверждать, что звезды – это не дырки в небесном пологе, как думали его современники, а солнца, подобные нашему, только расположенные гораздо дальше от нас. Какое ошеломительное открытие для того времени. Вселенная – механизм, действующий по определенным принципам или законам, и эти законы доступны для человеческого понимания.

Я убежден, что открытие этих законов стало величайшим достижением человечества, поскольку именно они – законы природы, как мы их теперь называем, – дают нам возможность понять, нуждаемся ли мы в Боге для объяснения Вселенной в целом. Законы природы описывают то, как все происходило в прошлом, действует сейчас и станет происходить в будущем. Говорят, теннисный мячик летит туда, куда его направляет игрок. Но при этом на него действует множество других законов. Они управляют всем, что происходит, – полет мяча зависит от энергии удара, которую производят мышцы игроков, и даже от скорости, с которой растет трава у них под ногами. Но самое важное в том, что эти физические законы, помимо того, что неизменны, еще и универсальны. Они применимы не только к полету мяча, но и к движению планет, и ко всему остальному во Вселенной. В отличие от законов, созданных людьми, законы природы нарушить нельзя, вот почему они такие могущественные – и, если смотреть с религиозной точки зрения, противоречивые.

Если вы, как и я, согласны с существованием законов природы, то мы подходим к вопросу: а какая роль в них отводится Богу? В этом и состоит существенная часть противостояния науки и религии, и хотя мои взгляды оказались вынесены на первую полосу, на самом деле это древнейший конфликт. Можно определить Бога как воплощение законов природы. Однако большинство людей полагают иначе. Они представляют Бога человекоподобным существом, с которым можно вступить в непосредственные отношения. Если представить себе бескрайние размеры Вселенной и подумать, насколько незначительной и случайной является в ней человеческая жизнь, это выглядит крайне маловероятно.

Как и Эйнштейн, я использую слово «бог» в обезличенном смысле, связывая его с законами природы, поэтому постижение замысла Божьего – это постижение законов природы. Допускаю, что уже к концу этого столетия мы постигнем замысел Бога.

Остается одна область, на которую сейчас может претендовать религия, – происхождение Вселенной. Но даже здесь наука уже достигла прогресса и вскоре сможет предложить убедительный ответ на вопрос о том, как все начиналось. Я опубликовал книгу, в которой ставится под сомнение божественное создание Вселенной, и она вызвала определенные волнения. Люди были недовольны тем, что ученый высказывается на религиозные темы. У меня нет ни малейшего желания указывать кому-то, во что верить, но, на мой взгляд, вопрос о существовании Бога – вполне правомерный для науки. В конце концов, трудно представить более важную или более фундаментальную тайну, чем что или кто создал Вселенную и управляет ею.

Я полагаю, Вселенная возникла спонтанно, из ничего – согласно научным законам. Базовая предпосылка науки – научный детерминизм. Научные законы определяют эволюцию Вселенной в каждый конкретный момент ее развития. Эти законы могут быть, а могут и не быть установлены Богом, но Он не может вмешаться и нарушить эти законы, иначе они не были бы законами. Это оставляет Богу свободу выбрать первоначальный момент Вселенной, но даже и в этом, судя по всему, должны быть законы. Так что у Бога, по сути, нет никакой свободы.

Несмотря на сложность и разнообразие Вселенной, оказывается, что для ее создания требуются всего три ингредиента. Представим, что мы можем перечислить их в своего рода космической кулинарной книге. Так какие три ингредиента нам нужны, чтобы приготовить Вселенную? Первый – материя, вещество, имеющее массу. Оно окружает нас всюду – вещество и в земле под ногами, и в небесах над головой. Пыль, камни, лед, жидкости. Огромные газовые облака, массивные спиральные галактики с миллиардами звезд, растянувшиеся на невообразимые расстояния.

Второе, что нам требуется, – энергия. Даже если вы никогда об этом не думали, вам известно, что такое энергия. Это то, с чем мы сталкиваемся ежедневно. Посмотрите на Солнце, и вы почувствуете на лице энергию, которую производит звезда, расположенная в 150 миллионах километров от нас. Энергия пронизывает Вселенную, приводя в действие процессы, которые поддерживают ее динамичное, бесконечно изменяющееся состояние.

Итак, у нас есть материя и энергия. Третий ингредиент, необходимый нам для создания Вселенной, – пространство. Много пространства. Можно называть Вселенную как угодно – грандиозной, прекрасной, страшной, но ее никак нельзя назвать тесной. Куда ни бросишь взгляд – увидишь пространство, пространство и еще больше пространства. Оно простирается во все стороны. Этого достаточно, чтобы голова закружилась. А откуда взялась вся эта материя, энергия и пространство? Мы не имели об этом никакого понятия до ХХ века.

Ответ пришел благодаря прозрению одного человека, возможно, самого выдающегося ученого всех времен. Его звали Альберт Эйнштейн. К сожалению, мне не удалось с ним встретиться, поскольку мне было всего тринадцать лет, когда он скончался. Эйнштейн понял нечто удивительное: два ингредиента, необходимые для создания Вселенной – масса и энергия, – по сути, одно и то же, две стороны одной монеты, если угодно. Его знаменитое уравнение E = mc попросту означает, что массу можно рассматривать как своего рода энергию, и наоборот. Так что теперь можно сказать, что для создания Вселенной вместо трех ингредиентов достаточно двух – энергии и пространства. А откуда взялись энергия и пространство? Ответ был получен после нескольких лет напряженной работы ученых: пространство и энергия спонтанно возникли в момент, который сейчас называется Большим взрывом.

В момент Большого взрыва начала существовать вся Вселенная, а вместе с ней и пространство. Все расширялось, как надуваемый воздушный шарик. Но все-таки откуда взялись энергия и пространство? Каким образом все произошло? Неужели Вселенная, полная энергии, головокружительные пространства космоса и все, что в нем есть, просто возникли из ничего?

Некоторые считают, что в этот момент в игру вступает Бог. Что именно Бог создал энергию и пространство. Большой взрыв – это момент Творения. Но наука утверждает иное. Рискуя создать себе проблемы, смею утверждать, что мы сейчас гораздо лучше понимаем природные явления, которые пугали викингов. Мы даже можем пойти дальше прекрасной симметрии вещества и энергии, открытой Эйнштейном. Размышляя о зарождении Вселенной, мы можем использовать законы природы и выяснить, возможно ли объяснить этот феномен исключительно существованием Бога.

Я рос в Англии. Годы после Второй мировой войны были временем самоограничений. Нам говорили, что за все надо платить. Но спустя много лет научной деятельности я могу сказать, что на самом деле можно бесплатно получить целую Вселенную.

Главной тайной Большого взрыва остается вопрос: каким образом вся фантастически огромная Вселенная пространства и энергии могла материализоваться из ничего? Секрет кроется в одном очень странном космическом явлении. Законы физики требуют существования того, что называется «отрицательной энергией».

Чтобы помочь вам вникнуть в эту странную, но важную идею, позвольте провести простую аналогию. Представьте человека, который хочет сделать холм на ровном месте. Холм – это Вселенная. Для реализации своего замысла нашему человеку нужно выкопать яму в земле и использовать почву для насыпки холма. То есть он создает не только холм – он создает еще и яму, по сути – отрицательную версию холма. Вещество, которое было в яме, теперь находится в холме, так что все идеально уравновешено. Точно такой же принцип лежит в основе создания Вселенной.

Когда Большой взрыв произвел огромное количество положительной энергии, он одновременно произвел такое же количество отрицательной энергии. Таким образом, отрицательная и положительная энергия в сумме дают ноль – как обычно. Очередной закон природы.

А где сейчас вся эта отрицательная энергия? В третьем ингредиенте нашего космического кулинарного рецепта – в пространстве. Может показаться странным, но, согласно законам природы, имеющим отношение к гравитации и динамике – одним из древнейших научных законов, – пространство является огромным хранилищем отрицательной энергии. Достаточной, чтобы все уравновесить и свести к нулю.

Я понимаю, что, если вы не сильны в математике, в это трудно поверить, но это правда. Безграничная сеть миллиардов и миллиардов галактик, между которыми действуют силы взаимного тяготения, ведет себя как гигантский накопитель. Вселенная похожа на огромный аккумулятор, хранящий отрицательную энергию. Положительная сторона вещей – масса и энергия, которую мы знаем сегодня, – это холм. Соответствующая яма, или отрицательная сторона вещей, находится в пространстве.

Но что это значит для нашего стремления выяснить, есть ли Бог? Это значит, что если Вселенная сводится к нулю, то для ее создания Бог не нужен. Вселенная – идеальный бесплатный ланч.

Поскольку мы знаем, что сумма положительного и отрицательного дает ноль, остается лишь выяснить, что – или, осмелюсь сказать, кто — запустило весь этот процесс. Что могло стать причиной спонтанного возникновения Вселенной? Поначалу это кажется непостижимой загадкой – в конце концов, в повседневной жизни вещи не возникают сами по себе. Нельзя щелкнуть пальцами и получить чашечку кофе, когда вам этого хочется. Кофе надо приготовить из разных компонентов: из кофейных зерен, воды, – возможно, даже добавить молока и сахара. Но давайте отправимся в глубину этой кофейной чашки – сквозь частицы молока доберемся до атомов и попадем на субатомарный уровень. Мы окажемся в мире, где вполне реален этот фокус: здесь все может создаваться из ничего. По крайней мере, на некоторое время. Дело в том, что на этом уровне такие частицы, как протоны, ведут себя согласно законам природы, которые мы называем квантовой механикой. И они действительно могут возникать случайно, соединяться на время, а потом исчезать снова, чтобы появиться где-то в другом месте.

Поскольку мы знаем, что Вселенная изначально была очень мала – возможно, даже меньше протона, – это приводит нас к одному примечательному выводу. Вселенная при всей своей головокружительной величине и сложности могла просто внезапно начать существование, не нарушая при этом законов природы. И с этого момента в процессе выброса гигантского количества энергии пространство начало расширяться и становиться местом для хранения всей отрицательной энергии, необходимой для подведения сальдо. Конечно, тут опять возникает принципиальный вопрос: может быть, Бог создал законы квантовой физики, которые допустили Большой взрыв? Короче, нужен ли Бог для того, чтобы произошел Большой взрыв? Не имею ни малейшего желания оскорблять чувства верующих, но, на мой взгляд, у науки есть более убедительное объяснение, чем наличие божественного Творца.

Повседневный опыт подсказывает, что все происходящее возникает из-за того, что случилось раньше во времени, поэтому нам естественно думать, что нечто – возможно, Бог – должно было стать причиной начала существования Вселенной. Но если говорить о Вселенной в целом, это не обязательно. Представьте ручей, бегущий по горному склону. Что является причиной ручья? Ну, допустим, раньше в горах прошли дожди. А что стало причиной дождей? Хороший ответ – солнце светит над океаном, влага испаряется, и в небе образуются облака. Прекрасно, а что является причиной солнечного света? Если заглянуть внутрь Солнца, мы увидим процесс, называемый синтезом, во время которого атомы водорода соединяются, образуя гелий, и выделяется огромное количество энергии. Пока все хорошо. А откуда взялся водород? Ответ: от Большого взрыва. И вот тут принципиальный момент. Законы природы не только говорят, что Вселенная может внезапно возникнуть без посторонней помощи, как протон, но и не исключают того, что у Большого взрыва вообще не было причины. Никакой.

Это объяснение опирается на теории Эйнштейна и его идею о том, что пространство и время во Вселенной имеют фундаментальную взаимосвязь. В момент Большого взрыва произошло нечто очень интересное. Началось само Время.

Чтобы понять эту ошеломительную идею, представьте себе черную дыру, плывущую в пространстве. Типичная черная дыра – это звезда, масса которой столь велика, что она обрушивается внутрь себя. Она настолько массивна, что даже свет не может преодолеть силу ее гравитации, вот почему она почти идеально черная. Гравитационное притяжение настолько сильное, что оно искривляет и искажает не только свет, но и время. Чтобы это понять, представьте часы, которые затягивает в эту дыру. По мере того как часы приближаются к черной дыре, они начинают идти все медленнее и медленнее.

Как существование Бога сочетается с вашими представлениями о начале и конце Вселенной? А если бы Бог существовал и у вас был шанс с Ним встретиться, о чем вы спросили бы Его?

Вопрос стоит так: есть ли вероятность того, что Вселенная создана Богом по причинам, которые нам не дано понять, или ее рождение детерминировано физическими законами? Я верю во второе. Если угодно, вы можете называть законы природы «богом», но это не тот персонифицированный Бог, с которым вы можете встретиться и задать ему вопрос. Впрочем, если такой Бог действительно существует, я спросил бы Его, что Он думает, например, об одиннадцатимерной М-теории.

Время начинает замедляться. И вот часы оказались в черной дыре – предположим, они смогут выдержать невероятную силу гравитации. И что же? Они совсем остановятся. И остановятся не потому, что сломались, а потому, что внутри черной дыры времени не существует. Именно так было при рождении Вселенной.