Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Хокинг

Это был величайший триумф Эйнштейна. Его открытие совершенно изменило наше представление о пространстве и времени. Они больше не были пассивным фоном, на котором происходят события. Мы больше не можем представлять пространство и время как длящиеся вечно, независимо от того, что происходит во Вселенной. Это динамические величины, которые сами влияют на события, а происходящие в них события, в свою очередь, влияют на них.

Важным свойством массы и энергии является то, что они всегда положительны. Вот почему гравитация всегда притягивает тела друг к другу. Например, земная гравитация притягивает нас даже на обратной стороне Земли. Вот почему жители Австралии с нее не падают. Аналогично гравитация Солнца удерживает планеты на орбитах и не дает Земле улететь в темноту или межзвездное пространство. Согласно общей теории относительности, тот факт, что масса всегда положительна, означает, что пространство-время искривляется внутрь себя, как земная поверхность. Если бы масса была отрицательной, пространство-время искривлялось бы по-другому, как седлообразная поверхность. Это положительное искривление пространства-времени, отражающее факт гравитационного притяжения, представлялось Эйнштейну большой проблемой. Тогда было широко распространено мнение, что Вселенная статична, однако если пространство, а особенно время искривляются внутрь себя, как же может Вселенная вечно оставаться в более-менее неизменном состоянии, в том же, что и сейчас?

Первоначальная Эйнштейнова формула общей теории относительности предсказывала, что Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Поэтому Эйнштейн добавил в уравнение дополнительный член, связывающий массу и энергию во Вселенной с искривлением пространства-времени. Эта так называемая космологическая постоянная порождает эффект гравитационного отталкивания. Таким образом становилось возможным уравновесить притяжение материи отталкиванием, порожденным космологической постоянной. Другими словами, отрицательное искривление пространства-времени, вызванное космологической постоянной, могло компенсировать положительное искривление, вызванное массой и энергией Вселенной. Это позволило получить модель Вселенной, остающейся вечно в одном и том же состоянии. Если бы Эйнштейн настоял на своей первоначальной формуле, не вводя космологического члена, он бы предсказал, что Вселенная или расширяется, или сжимается. А так никто и не думал, что она изменяется со временем, вплоть до 1929 года, пока Эдвин Хаббл не открыл, что удаленные галактики движутся от нас. Вселенная расширяется. Позднее Эйнштейн назвал космологическую постоянную «величайшей ошибкой в своей жизни».

Но с космологической постоянной или без таковой, тот факт, что материя заставляет пространство-время искривляться внутрь себя, оставался проблемой, хотя не все это признавали. Из него следовало, что материя может искривить область внутрь себя настолько, что эта область окажется изолированной от остальной Вселенной. Она превратилась бы в то, что мы называем черной дырой. Объекты могли бы падать в черную дыру, но ничто не могло бы вырваться оттуда. Чтобы вырваться, объекту пришлось бы двигаться со сверхсветовой скоростью, чего теория относительности не позволяла. Таким образом, материя внутри черной дыры оказалась бы в ловушке и сжалась бы до какого-то неведомого состояния с чрезвычайно большой плотностью.

Эйнштейна очень обеспокоил вывод об этом коллапсе, и он отказался поверить, что такое случается. Но в 1939 году Роберт Оппенгеймер показал, что старые звезды, более чем вдвое превышающие массой Солнце, неизбежно коллапсируют, когда выработают все свое ядерное топливо. Потом вмешалась война, Оппенгеймер был вовлечен в проектирование атомной бомбы и потерял интерес к гравитационному коллапсу. Других ученых больше заботила физика, которую можно изучать на Земле. Они не верили предсказаниям о далеких уголках Вселенной, так как казалось, что их нельзя проверить наблюдениями. Однако в шестидесятых годах огромный прогресс в широте и качестве астрономических наблюдений вызвал новый интерес к гравитационному коллапсу и к ранней Вселенной. Что же точно предсказывала общая теория относительности Эйнштейна насчет этих ситуаций, оставалось неясно, пока Роджер Пенроуз и я не доказали несколько теорем. Эти теоремы показали, что из факта искривления пространства-времени внутрь себя вытекает, что должны быть сингулярности – места, где пространство-время имеет начало и конец. Оно должно было иметь начало в Большом Взрыве примерно пятнадцать миллиардов лет назад и должно закончиться коллапсом звезды, когда все упавшее в черную дыру сжавшаяся звезда оставит в прошлом.

Тот факт, что общая теория относительности Эйнштейна предсказывала неизбежность существования сингулярностей, привел к кризису физики. Уравнения общей теории относительности, связывающие искривление пространства-времени с распределением массы и энергии, теряют смысл в сингулярной точке. Это означает, что общая теория относительности не может предсказать, что получается из сингулярности. В частности, общая теория относительности не может предсказать, как должна возникать Вселенная при Большом Взрыве. Таким образом, общая теория относительности – не завершенная теория. Ее нужно дополнить некоторой составляющей, которая определила бы, что происходит, когда материя коллапсирует под действием собственной гравитации.

Необходимой дополнительной составляющей представляется квантовая механика. В 1905 году, в тот же год, когда написал свою статью о специальной теории относительности, Эйнштейн также написал о феномене, называемом фотоэлектрическим эффектом. Было замечено, что, когда свет падает на определенные металлы, выделяются заряженные частицы. Удивительно в этом было то, что, если интенсивность света снижалась, число выделенных частиц тоже уменьшалось, но скорость, с которой они вылетали, оставалась прежней. Эйнштейн показал, что это можно объяснить, если свет поглощается не в произвольных количествах, как все мы полагали, а лишь набором пакетов строго определенного размера. Идея о том, что свет существует в виде пакетов, названных квантами, была предложена несколькими годами раньше немецким физиком Максом Планком. Это смахивает на супермаркет, когда вам говорят, что нельзя купить сахару столько, сколько вам нужно, а только в расфасовке по килограмму. Планк воспользовался идеей о квантах просто для объяснения того, почему раскаленный докрасна кусок металла не выдает сразу бесконечное количество энергии, но он рассматривал кванты всего лишь как теоретическую хитрость, которую не соотносил с чем-либо в физической реальности. Статья Эйнштейна показала, что возможно непосредственно наблюдать отдельный квант. Каждая излучаемая частица соотносилась с одним квантом света, падающего на металл. Это было широко признано как очень важный вклад в квантовую теорию, что принесло Эйнштейну Нобелевскую премию 1922 года (ему следовало дать Нобелевскую премию за общую теорию относительности, но мысль, что пространство и время искривляются, все еще считалась слишком умозрительной и парадоксальной, так что вместо этого ему дали премию за фотоэлектрический эффект, – но нельзя сказать, что это само по себе не заслуживало Нобелевской премии).

Полные выводы из фотоэлектрического эффекта не были сделаны до 1925 года, когда Вернер Гейзенберг указал, что лежащие в его основе представления не позволяют точно измерить положение частицы. Чтобы увидеть, где находится частица, нужно посветить на нее. Но Эйнштейн показал, что нельзя взять очень малое количество света, а придется использовать целый пакет – один квант. Такой пакет света подвинет частицу и придаст ей скорость в некотором направлении. Чем точнее вы хотите измерить положение частицы, тем бо́льшую энергию пакета вам придется использовать и тем большее возмущение он придаст частице. Какие бы измерения с частицей вы ни пытались произвести, неопределенность ее положения, умноженная на неопределенность скорости, всегда будет больше некой определенной величины.