Онлайн чтение книги Черные дыры и молодые вселенные Black Holes and Baby Universes
Глава вторая. Оксфорд и Кембридж

Мой отец очень хотел, чтобы я поступил в Оксфорд или Кембридж. Сам он окончил Университетский колледж в Оксфорде и полагал, что мне следует стремиться именно туда, потому что у меня куда больше шансов попасть в это, без сомнения, престижное учебное заведение, чем поступить в Кембридж. В то время Университетский колледж не выделял стипендии студентам-математикам, и это была еще одна причина, по которой отец упорно подталкивал меня к выбору химического факультета: я скорее добился бы стипендии как студент-естественник.

Вся семья в это время уехала на год в Индию, а я остался дома, чтобы сдать экзамены на аттестат зрелости и вступительные в университет. Директор моей школы считал, что я еще слишком юн для Оксфорда. Однако в марте 1959 года вместе с двумя другими мальчиками из старших классов я отправился в этот университетский городок, чтобы добиться своей цели – стипендии. Я был уверен, что экзамены я провалил: во время практического экзамена университетские преподаватели разговаривали с кем угодно, только не со мной. Но через несколько дней после моего возвращения из Оксфорда я получил телеграмму, в которой меня уведомляли о выделении мне стипендии.

Мне было всего семнадцать лет. Большинство студентов моего курса были куда старше и уже отслужили в армии. В течение первых полутора лет моей учебы я был довольно одинок. И только на третьем курсе я ощутил себя счастливым. В то время в Оксфорде считалось не очень модным учиться. Были две категории студентов: первым все давалось легко и они считались успешными, другие должны были признать, что звезд с неба не хватают и их устраивает диплом бакалавра с невзрачным набором оценок. Усердно работать, чтобы получить диплом с отличием, считалось зазорным, и такого студента считали серостью, что было худшим ругательством в лексиконе оксфордских студентов.

В те годы курс физики в Оксфорде был устроен таким образом, что его можно было одолеть, не особенно напрягаясь. Я сдал один вступительный экзамен, а затем обходился без них вплоть до выпускных экзаменов в конце третьего курса. Как-то я подсчитал, что за три года учебы я работал порядка тысячи часов, то есть всего около часа в день. Но я вовсе не горжусь таким малым количеством затраченных усилий. Я всего лишь описываю мое – и большинства моих сокурсников – отношение к учебе: ощущение безнадежной скуки и отсутствие всякого желания прилагать дополнительные усилия. Одним из результатов моей болезни стало изменение этой точки зрения: если вы постоянно находитесь под угрозой ранней смерти, вы начинаете понимать, что жизнь – штука стоящая и что существует еще много вещей, которые вам хочется успеть сделать.

Поскольку мои знания хромали из-за недостаточного усердия, на выпускном экзамене я решил сделать упор на задачи по теоретической физике и избегать вопросов, которые требовали фактологических знаний. Я не спал последнюю ночь перед экзаменом из-за нервного напряжения и не смог хорошо сдать его. Я оказался на тонкой грани между дипломом с отличием первого класса и дипломом с отличием второго класса. Потому мне пришлось отвечать на дополнительные вопросы экзаменаторов. Среди прочего они поинтересовались о моих дальнейших планах. Я ответил, что хочу заниматься исследовательской работой. Отличие первой степени открывало мне дорогу в Кембридж. Отличие второй степени оставляло меня в Оксфорде. Мне присудили первую.

Мне представлялось, что в теоретической физике есть две фундаментальные области, в которых я мог бы себя попробовать. Одна из них – космология, наука о макромире. Другая – элементарные частицы[6]Мельчайшие элементы материи. Когда-то, в начале исследования атома, были известны три элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон. В настоящее время известно более 300 элементарных частиц (вместе с античастицами), и физики-ядерщики продолжают открывать новые. – Прим. ред. , наука о микромире. Элементарные частицы меня привлекали меньше. Хотя ученые все время открывали новые, никакой особой теории в физике элементарных частиц не существовало. Все, что удалось сделать в этой области – это разделить частицы по семействам, как в ботанике[7]Когда Энрико Ферми спросили о названии одной элементарной частицы, он ответил: «Если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником». – Прим. ред. . С другой стороны, в космологии существовала прекрасно разработанная теория, общая теория относительности Эйнштейна.

В Оксфорде никто космологией не занимался, тогда как в Кембридже работал Фред Хойл, выдающийся британский астроном. Мне хотелось работать над диссертацией под руководством Хойла, и я письменно попросил об этом. Благодаря моему диплому с отличием первой степени мое прошение о работе в Кембридже было удовлетворено, но, к моему разочарованию, моим руководителем назначили некоего Денниса Сиаму, о котором я ровно ничего не слышал. Правда, со временем оказалось, что это было к лучшему. Хойл все время проводил в заграничных командировках и едва ли смог бы уделять мне внимание. А Сиама всегда был на месте, всегда помогал мне, хотя я не всегда разделял его идеи.

Поскольку я не слишком прилежно изучал математику в школе и в Оксфорде, вначале общая теория относительности показалась мне очень сложной и успехи мои были весьма скромными. К тому же на последнем курсе Оксфорда я стал замечать, что мне трудно двигаться. Вскоре после того, как я поступил в Кембридж, мне поставили диагноз: боковой амиотрофический склероз (БАС), или болезнь моторных нейронов, как принято говорить в Англии. (В США этот недуг называют болезнью Лу Герига.) К сожалению, врачи не умеют ее лечить.

Сначала болезнь прогрессировала очень быстро. Мне стало казаться, что нет смысла заниматься своими изысканиями, что мне просто не хватит времени закончить диссертацию. Однако со временем течение болезни замедлилось. Более того, мне стала более понятной общая теория относительности и исследования мои ускорились. Но самые большие изменения в мою жизнь внесла помолвка с девушкой по имени Джейн Уайлд, с которой я познакомился примерно в то же самое время, как мне диагностировали болезнь. У меня появилась цель в жизни.

Чтобы мы могли пожениться, я должен был найти место, а для этого мне надо было закончить диссертацию. И вот впервые в жизни я по-настоящему взялся за работу. К моему удивлению, я обнаружил, что мне это нравится. Может быть, не совсем справедливо называть это работой. Кто-то когда-то сказал: ученым и публичным женщинам платят за то, что они делают с удовольствием.

Я подал заявку на исследовательский грант в колледже Гонвилл и Киз. Я надеялся, что Джейн напечатает мою заявку на пишущей машинке, но когда она приехала в Кембридж навестить меня, я увидел гипс на ее руке: это был перелом. Надо признаться, что я не выказал должного сострадания. Поскольку сломана была левая рука, она смогла написать заявку под мою диктовку. А мне пришлось искать другого человека, который смог ее напечатать.

В своей заявке мне нужно было указать имена двух человек, которые могли бы дать положительные отзывы о моей работе. Мой научный руководитель посоветовал мне обраться за рецензией к Герману Бонди. Бонди был в то время профессором математики в Королевском колледже в Лондоне и считался знатоком общей теории относительности. Я встречался с ним пару раз, и он даже представил мою статью к публикации в журнале Proceedings of the Royal Society [8] Proceedings of the Royal Society («Труды Королевского общества») – официальный печатный орган британского Королевского общества. – Прим. ред. . Я изложил ему свою просьбу после лекции, которую он прочел в Кембридже. Он посмотрел на меня рассеянным взором и пообещал, что сделает это. Очевидно, он не запомнил меня, потому что когда колледж запросил у него отзыв, он ответил, что никогда не слышал обо мне. В наши дни, когда столько людей претендуют на стипендии, если один из рецензентов говорит, что понятия не имеет, о ком идет речь, надежды соискателя рушатся. Но те времена были куда более безмятежными. Администрация колледжа сообщила мне о таком, мягко говоря, странном ответе моего рецензента, и мой научный руководитель отправился к Бонди, чтобы освежить его память. После этого Бонди написал обо мне отзыв, который был куда лучше, чем я заслуживал. Я получил стипендию и место и с тех пор являюсь научным сотрудником колледжа Гонвилл и Киз.

Получение места означало, что мы с Джейн могли пожениться. Что мы и сделали в июле 1965 года. Мы провели медовую неделю в Суффолке – все, что мы могли себе позволить. Затем мы поехали на летнюю школу по общей теории относительности в Корнеллском университете (штат Нью-Йорк). Это была ошибка. Мы остановились в общежитии, которое было переполнено молодыми родителями и кричащими младенцами, что не добавило радости нашим супружеским отношениям. Во всех остальных отношениях летняя школа оказалась весьма полезной для меня, так как я познакомился со многими ведущими учеными.

До 1970 года я занимался космологией – исследованием бескрайних просторов Вселенной. Основным объектом моих исследований в то время были сингулярности[9]От англ. singularity – оригинальность, особенность. Слово «сингулярность» появилось в научной литературе после создания Эйнштейном общей теории относительности (ОТО). Эйнштейн, решая уравнения ОТО, показал, что должны существовать особые точки, в которых известные нам физические законы не выполняются. Примером сингулярности является пространство-время под горизонтом событий у черных дыр, которое недоступно для наблюдений извне, потому что никакой посланный внутрь сигнал или объект не возвращается обратно. Таким образом, чтобы исследовать такую сингулярность, надо в буквальном смысле слова пожертвовать собой. – Прим. ред. . Наблюдения за далекими объектами показывают, что галактики удаляются от нас: Вселенная расширяется. Это означает, что в прошлом галактики должны были быть гораздо ближе друг к другу. Тогда возникает вопрос: был ли такой момент в прошлом, когда галактики «терлись боками», а плотность Вселенной была бесконечной? Была ли перед этим расширением стадия сжатия, при которой галактики умудрились избежать столкновения? Может быть, они пролетели мимо друг друга и стали удаляться друг от друга. Чтобы ответить на этот вопрос, требовались новые математические методы. Эти методы появились в период с 1965 по 1970 год, в основном благодаря Роджеру Пенроузу и мне. Пенроуз работал тогда в Лондоне, в Биркбекском колледже. Теперь он в Оксфорде. Мы использовали эти методы, чтобы показать, что если общая теория относительности верна, в прошлом Вселенная должна была иметь бесконечную плотность.

Это состояние бесконечной плотности называется сингулярностью Большого взрыва. В принципе, наука не может описать процессы, происходящие при возникновении Вселенной в рамках общей теории относительности (ОТО). Тем не менее одна из моих последних работ показывает, что предсказать возникновение Вселенной можно, если принять во внимание теорию квантовой физики, рассматривающую бесконечно малые величины.

ОТО также предсказывает, что массивные звезды будут коллапсировать[10]В астрофизике так называют катастрофически быстрое сжатие звезды под действием собственных сил тяготения, в результате чего разрушаются даже атомные ядра. – Прим. ред. («падать в себя»), когда они исчерпают запасы своего ядерного топлива. Совместно с Пенроузом мы показали, что они будут коллапсировать, пока не наступит сингулярность с бесконечной плотностью. Эта сингулярность будет концом времени, по крайней мере для этой звезды и всего того, что на ней находится. Гравитационное поле в точке сингулярности будет таким сильным, что свет не сможет преодолеть его тиски и вырваться из окрестности сингулярности. Область, из которой свет не способен выбраться, называется черной дырой, а ее граница называется горизонтом событий. Для всего и вся, что упадет в черную дыру через горизонт событий, время закончится.

В один из вечеров 1970 года, вскоре после рождения моей дочери Люси, я лег спать, размышляя о черных дырах. Внезапно я понял, что большинство методов, придуманных нами с Пенроузом для объяснения сингулярностей, вполне применимы к черным дырам. В частности, область горизонта событий (граница черной дыры) не может уменьшаться со временем. И когда две черные дыры сталкиваются, превращаясь в одну черную дыру, площадь горизонта событий новой дыры будет больше суммы площадей двух предыдущих дыр. Это ограничивает количество энергии, которое может быть выделено в результате столкновения. Я был так взволнован, что не смог заснуть в ту ночь.

В период с 1970 по 1974 год я занимался преимущественно черными дырами. А в 1974 году я сделал одно из моих самых удивительных открытий: черные дыры не совсем черные! Если принять во внимание поведение материи на очень малых масштабах, то частицы и излучение могут просачиваться из черной дыры наружу. Черная дыра излучает как нагретое тело.

Начиная с 1974 года я работаю над объединением ОТО и квантовой механики в одну стройную теорию. Одним из результатов этой работы явился вывод, сформулированный мною в 1983 году вместе с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре: и время, и пространство не бесконечны, но у них нет ни границы, ни края. В этом смысле они похожи на поверхность Земли, но с двумя дополнительными измерениями. Земная поверхность ограничена по площади, но не имеет никаких границ. Ни в одном из своих многочисленных путешествий я не мог зайти за край света. Если этот вывод справедлив, то никаких сингулярностей не существует и законы науки торжествуют везде и всюду, даже в той реальности, в которой зародилась Вселенная. Тогда они и укажут, как это произошло. В этом случае я вполне преуспел бы в выяснении всех обстоятельств этого процесса. Но я до сих пор не знаю, почему этот процесс был запущен.