Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Хокинг

В первые годы XX века две новые теории совершенно изменили наше представление о пространстве и времени, да и о самой реальности тоже. Более чем через семьдесят пять лет мы все еще осознаем их смысл и пытаемся обобщить их в единую теорию, которая опишет все во Вселенной. Эти две теории – общая теория относительности и квантовая механика. Общая теория относительности имеет дело с пространством и временем: как они в большом масштабе искривляются и деформируются материей и энергией во Вселенной. Квантовая механика имеет дело с малыми масштабами. Она включает в себя так называемый принцип неопределенности, утверждающий, что одновременно нельзя точно измерить и положение, и скорость частицы, – чем точнее измеряешь одно, тем менее точно измеряешь другое. Всегда есть элемент неопределенности или случайности, и это фундаментальным образом влияет на поведение материи в малом масштабе. Эйнштейн почти единолично создал общую теорию относительности и сыграл важную роль в развитии квантовой механики. Его чувства к последней выражаются фразой «Бог не играет в кости». Но все свидетельствует о том, что Бог – заядлый игрок и при всякой возможности Он бросает кости.

В данном эссе я попытаюсь изложить основные идеи, стоящие за этими теориями, и объяснить, почему Эйнштейн был так недоволен квантовой механикой. Я также опишу некоторые примечательные моменты, которые, похоже, имеют место при попытках объединить эти две теории. Существует утверждение, что время началось примерно пятнадцать миллиардов лет назад и что когда-то в будущем оно может закончиться. И все же в другом виде времени Вселенная не имеет границ. Она не возникла и не исчезнет. Она просто есть.

Начну с теории относительности. Государственные законы действуют лишь в одной стране, но физические законы одинаковы и в Британии, и в Соединенных Штатах, и в Японии. Они действуют и на Марсе, и в туманности Андромеды. Более того: законы всё те же, с какой бы скоростью мы ни двигались. Законы на сверхскоростном экспрессе или на реактивном самолете такие же, что и для тех, кто стоит на месте. В действительности, конечно, стоящий неподвижно на Земле движется вокруг Солнца со скоростью примерно 18,6 мили (30 км) в секунду. Но все это движение не имеет никакого значения для физических законов – они одни и те же для всех наблюдателей.

Эта независимость от скорости системы впервые была открыта Галилеем, который разработал законы движения таких объектов, как пушечное ядро или планета. Однако когда люди попытались распространить эту независимость от скорости наблюдателя на законы движения света, возникла проблема. В XVIII веке было открыто, что свет распространяется от источника до наблюдателя не мгновенно, он движется с определенной скоростью – около 186 000 миль (300 000 км) в секунду. Но относительно чего эта скорость? Казалось, что во всем пространстве должна быть какая-то среда, через которую проходит свет. Эту среду назвали эфиром. Идея заключалась в том, что свет со скоростью 186 000 миль в секунду распространяется в эфире, и это означало, что наблюдатель, неподвижный относительно эфира, измерит скорость света, равную примерно 186 000 милям в секунду, а наблюдатель, движущийся в эфире, измерит бо́льшую или меньшую скорость. Однако в 1887 году тщательный эксперимент, выполненный Майкельсоном и Морли, показал, что скорость света неизменна. Не важно, с какой скоростью движется наблюдатель, – он всегда измерит скорость света, равную 186 000 милям в секунду.

Как это может быть? Как могут наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, измерять одну и ту же скорость? Ответ один: этого не может быть – если только наши обычные представления о пространстве и времени верны. Однако в своей знаменитой статье, написанной в 1905 году, Эйнштейн указал, что все пресловутые наблюдатели могут измерять одну и ту же скорость света, если отказаться от идеи об универсальном времени. Вместо этого у каждого из них будет свое индивидуальное время, измеренное их часами. Если часы движутся относительно друг друга медленно, время, измеренное разными часами, будет почти точно совпадать, но если они движутся с большой скоростью, время будет существенно отличаться. Такой эффект был действительно замечен путем сравнения часов, помещенных на земле и на авиалайнере, – часы на лайнере несколько отстали по сравнению с неподвижными. Однако для обычных скоростей передвижения разница в ходе часов очень мала. Чтобы добавить к вашей жизни одну секунду, вам придется пролететь вокруг земли 400 миллионов раз, но все эти самолетные завтраки сократят вашу жизнь гораздо значительнее.

Как людям, движущимся с разными скоростями, сохранить собственное индивидуальное время, чтобы измерить одну и ту же скорость света? Скорость импульса света – это расстояние, которое он проходит между двумя событиями, деленное на временной интервал между этими событиями (событием в данном случае мы считаем нечто, имеющее место в одной точке пространства в определенный момент времени). Люди, движущиеся с разными скоростями, не сойдутся во мнении насчет расстояния между двумя событиями. Например, если я измерю скорость автомобиля, едущего по дороге, то могу подумать, что он проехал всего один километр, но для наблюдателя на Солнце он переместился на 1800 километров, потому что, пока автомобиль ехал по дороге, Земля переместилась. Поскольку люди движутся с разными скоростями, измеряя разное расстояние между событиями, они должны также измерять разные интервалы времени, если сходятся насчет скорости света.

Первоначальная теория относительности Эйнштейна, выдвинутая им в статье 1905 года, теперь называется специальной теорией относительности. Она описывает, как объекты передвигаются в пространстве и времени, и показывает, что время – не универсальная величина, существующая сама по себе, отдельно от пространства. А будущее и прошлое – это просто направления, как верх и низ, право и лево, вперед и назад, в так называемом пространстве-времени. Во времени вы можете двигаться только в направлении будущего, но можете двигаться немного под углом к нему. Именно поэтому время может двигаться с разными скоростями.

Специальная теория относительности Эйнштейна объединила время с пространством, но пространство и время по-прежнему оставались фоном, на котором происходили события. Вы можете выбирать, в каком направлении двигаться в пространстве-времени, но не можете ничего сделать, чтобы изменить предысторию пространства и времени. Однако все изменилось, когда в 1915 году Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности. Он выдвинул революционную идею, что гравитация – это не просто сила, действующая в фиксированном пространстве-времени, а искривление пространства-времени, вызванное массой и заключенной в ней энергией. Объекты, например пушечные ядра, и планеты пытаются двигаться сквозь пространство-время по прямой, но поскольку пространство-время не прямое, а искривлено, изогнуто, траектории искривляются. Земля пытается двигаться через пространство-время по прямой, но его искривление, вызванное массой Солнца, заставляет ее двигаться по кругу. Подобным же образом свет пытается двигаться по прямой, но искривление пространства-времени вблизи Солнца заставляет свет далеких звезд загибаться при прохождении рядом. Но во время затмения, когда бо́льшая часть солнечного излучения задерживается Луной, свет этих звезд можно наблюдать. Эйнштейн создал свою общую теорию относительности во время Первой мировой войны, не в самых благоприятных условиях для наблюдений, но сразу же после войны британская экспедиция, наблюдая затмение 1919 года, подтвердила предположение общей теории относительности: пространство-время не прямое, а искривляется заключенными в нем материей и энергией.