Стивен Хокинг — один из самых влиятельных физиков последних десятилетий, который не устает удивлять мир своей теоретической работой и критическими взглядами, с завидным постоянством меняя наши представления о Вселенной. Например, в начале этого года Хокинг «отменил» черные дыры. Почему Вселенная — это древняя игра и по каким правилам она идет — T&P публикуют отрывок из биографии ученого «Стивен Хокинг: Жизнь и наука», которая выходит в издательстве Corpus.

Сама по себе мысль, что всю дивную сложность, все разнообразие мира можно свести к поразительно простому объяснению, не так уж нова или странна. В VI веке до н. э. мудрец Пифагор и его ученики на юге Италии исследовали соотношение длины лирной струны и издаваемого ею звука и обнаружили за внешним хаосом природных явлений повторяющийся узор, разумный порядок. И в последующие века наши предки убеждались — порой, как и пифагорейцы, к собственному изумлению и восторгу, — что природа устроена отнюдь не так сложно, как кажется.

Вообразите себя (если получится) умнейшим инопланетянином, ничего не знающим о нашей вселенной: существует ли некий исчерпывающий свод правил, который вы могли бы изучить и полностью разобраться во всем, что тут творится? И насколько этот свод правил объемист?

«Если теория всего существует, значит, мы, как и вселенная, подчиняемся ее правилам — и в то же время пытаемся их постичь»

На протяжении десятилетий многие ученые верили, что «учебник вселенной» краток и содержит довольно простые принципы, а то и вовсе состоит из одногоединственного правила, которое лежит в основе всего, что случилось, случается и случится впредь в нашем мире. В 1980 году Стивен Хокинг отважно заявил, что к концу столетия мы будем держать в руках этот учебник.

В моей семье хранилась музейная копия антикварной настольной игры. При раскопках города Ура в Междуречье археологи наткнулись на изящно инкрустированную доску и несколько резных фигурок при ней. Очевидно, это была довольно сложная игра, но правила ее нам неизвестны. Создатели копии пытались вывести правила, исходя из дизайна доски и облика фигурок, но вместе с тем предлагали покупателям (и нам в том числе) самим придумывать и открывать правила этой игры.

Такова и наша вселенная: сложная, величественная, таинственная игра. Правила, конечно, должны быть, но к игре не прилагается никаких инструкций. И вселенная — отнюдь не археологическая находка, словно та игра из Ура. Это древняя игра, но она все еще продолжается. И мы сами, и все, что мы знаем (и все, нам неведомое), втянуты в эту игру. Если теория всего существует, значит, мы, как и вселенная, подчиняемся ее правилам — и в то же время пытаемся их постичь.

Казалось бы, полный свод правил вселенской игры должен заполнить обширную библиотеку, с трудом уместиться в суперкомпьютере. Нужны правила возникновения и движения галактик, причины, по которым функционирует или отказывается функционировать тело человека, почему замерзает вода, как живут растения, зачем лает собака — подробные правила внутри подробных правил внутри правил. Мыслимо ли свести все это к нескольким основополагающим принципам?

Ричард Фейнман, американский физик, лауреат Нобелевской премии, приводил замечательный пример того, как осуществляется редукция правил. Было время, напомнил он, когда мы различали «движение», «тепло» и «звук».

«Но затем выяснилось, — пишет Фейнман, — после того, как сэр Исаак Ньютон объяснил законы движения, что некоторые с виду различные явления представляют собой аспекты одного и того же. Например, звук удалось полностью объяснить движением атомов в воздухе, и тем самым звук перестал рассматриваться как отличающийся от движения феномен. Также обнаружилось, что из законов движения вполне объяснимо и тепло. Таким образом, целые глыбы теоретической физики сплавились в одну простую теорию».

Жизнь среди мельчайших частиц

Материя, из которой, как мы себе представляем, строится все во вселенной — вы и я, воздух и лед, звезды, газы, микробы, эта книга, — состоит из крошечных «кирпичиков» — атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц, а также из пустот между ними.

Самые известные частицы — электрон, который вращается вокруг ядра атома, а также протоны и нейтроны, которые собраны в ядре. Протоны и нейтроны можно разделить на еще более крохотные частицы — кварки. Все частицы материи принадлежат к классу фермионов, названных в честь великого итальянского физика Энрико Ферми. У них есть своя система сообщений, которая побуждает их определенным образом действовать или меняться. Представьте себе группу знакомых, чья система передачи сообщений состоит из четырех разных видов: телефон, факс, электронная почта и обычная почта. Не все люди посылают или получают сообщения и влияют друг на друга с помощью всех четырех видов связи. Система сообщений между фермионами также состоит из четырех разных видов связи — мы называем их «силами». Существует особый вид частиц, который передает сообщения между фермионами, а иногда и друг другу. Эти частицы-вестники именуются «бозонами». По-видимому, любая частица во вселенной является либо фермионом, либо бозоном.

К числу четырех фундаментальных сил природы относится гравитация. Можно рассматривать гравитацию, которая удерживает нас на Земле, как «сообщения», передаваемые бозонами-гравитонами между частицами атомов человеческого тела и частицами атомов Земли и побуждающие их притягиваться друг к другу. Гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, но зато, как мы вскоре убедимся, она имеет огромный радиус действия и влияет на все во вселенной. В сумме гравитационные взаимодействия превосходят все остальные.

«Стивена Хокинга в особенности интересовал ответ на вопрос: как выглядела вселенная в миг начала, когда еще ничего не произошло?»

Вторая сила — электромагнетизм. Это сведения, передаваемые бозонами-фотонами между протонами и находящимися поблизости от них электронами, а также между электронами. Электромагнетизм вынуждает электроны вращаться вокруг ядра. В повседневной жизни фотоны проявляют себя как свет и тепло, радиоволны, микроволны и другие виды волн. Сила электромагнетизма тоже действует на больших расстояниях, и она сильнее гравитации, но ей подчинены лишь частицы, имеющие заряд.

Третья служба сообщений — сильные ядерные взаимодействия. Этой силой удерживается воедино ядро атома.

Четвертая служба — слабые ядерные взаимодействия. Они обуславливают явления радиоактивности, играют ключевую роль в начале жизни вселенной и звезд, в формировании элементов.

Гравитация, электромагнетизм, сильные ядерные взаимодействия, слабые ядерные взаимодействия — эти четыре силы отвечают за все сообщения, передаваемые между всеми фермионами вселенной, за любое взаимодействие между ними. Без этих сил каждый фермион существовал бы (если бы вообще существовал) в изоляции, не имея возможности сообщаться с другими и влиять на них, не замечая существования других. Проще говоря, без действия этих сил не происходит ничего. Если так, то, полностью поняв эти силы, мы постигнем и принципы, лежащие в основе всего, что происходит во вселенной. И мы уже получили весьма лаконичную книгу правил.

В ХХ веке усилия физиков в значительной мере сосредотачивались на том, чтобы лучше понять действие этих четырех сил и взаимоотношения между ними. Как мы в своей жизни убеждаемся, что телефон, факс и электронная почта не противопоставлены друг другу, а представляют собой разные проявления одной и той же сути, так и физики с немалым успехом старались объединить известные силы в единую «систему сообщений». Они стремятся обнаружить в итоге теорию, которая сумеет объяснить все четыре силы как одну, хотя и проявляющую себя по-разному, и, быть может, эта теория сумеет «примирить» и бозоны с фермионами. Сложится, как они это называют, «единая теория».

Но теория, полностью объясняющая вселенную, теория всего, должна зайти еще дальше. Стивена Хокинга в особенности интересовал ответ на вопрос: как выглядела вселенная в миг начала, когда еще ничего не произошло? Говоря языком физиков, каковы были «начальные условия», или «граничные условия начала вселенной»? Поскольку вопрос о граничных условиях всегда составлял самую суть исследований Хокинга, мы должны посвятить ему отдельную подглавку.

Проблема граничных условий

Представьте себе, что вы построили модель железной дороги, поставили на рельсы поезда, предусмотрели переключатели, с помощью которых будете регулировать скорость поездов. Пока вы еще не начали игру — вы задали граничные условия. Для вашей железной дороги бытие и реальность начнутся именно с такого, а не с иного состояния. Где окажется каждый поезд через пять минут после включения тока, столкнутся какие-то поезда или нет — все это определяется граничными условиями.

Допустим, вы позволили поездам покататься десять минут, ни разу не вмешавшись в их движение. И тут в комнату входит ваш приятель, и вы отключаете ток. Теперь появился новый набор граничных условий: точное положение каждой детали на момент, когда дорога остановилась. Предложите другу установить точное положение каждой детали на момент, когда вы впервые запустили игру. Казалось бы, простая картина: поезда стоят там-то и там-то, включены такие-то стрелки и переключатели, но для решения этой задачи придется задать множество вопросов. До какой скорости разгоняются и как быстро тормозят поезда? Одинаково ли сопротивление на всех участках пути? Каков угол наклона там, где дорога идет под горку? Обеспечена ли бесперебойная подача тока? Точно ли не было никаких вмешательств в работу железной дороги — может быть, участвовала какая-то сила со стороны, а теперь следов этого вмешательства не сохранилось? Огромная, непосильная задача. Ваш друг сполна ощутит проблемы современных ученых, которые пытаются восстановить исходное состояние — граничные условия в начале времени.

Понятие «граничные условия» относится отнюдь не только к истории вселенной. Речь идет о любой ситуации на данный момент времени — например, в начале лабораторного эксперимента. Но, в отличие от игрушечной железной дороги и лабораторного эксперимента, при обсуждении истории вселенной мы сталкиваемся подчас с невозможностью задать граничные условия. Одна из любимых забав Стивена — гадать, сколькими разными способами вселенная могла бы начаться, чтобы в итоге все же прийти к нынешнему своему состоянию (с той оговоркой, что наши знания и понимание законов физики верны и что эти законы не изменились во времени). В этой игре граничными условиями для Стивена служит «нынешняя картина вселенной». Он также (тут дело тонкое) использует в качестве граничных условий основные законы физики и предположение, что эти законы никогда не менялись, и пытается вывести граничные условия на момент начала вселенной, ее «первоначальное состояние»: как выглядела она в момент пуска, какой минимальный набор законов требовался, чтобы к определенному моменту в будущем вселенная стала такой, какой мы наблюдаем ее ныне? Именно работа над этим вопросом привела Хокинга к некоторым из его наиболее интересных — и удивительных — открытий.

Получить единое описание частиц и сил и прийти к пониманию граничных условий при возникновении вселенной было бы потрясающим научным достижением, но и это еще не теория всего. Всеохватывающая теория должна была бы учесть еще и «произвольные элементы», присутствующие во всех современных теориях.

Урок языка

К произвольным элементам относятся такие «природные константы», как масса и заряд электрона и скорость света. Мы знаем их по наблюдениям, но ни одна теория не способна объяснить эти величины или предсказать их. Другой пример: физикам известна сила электромагнитного поля и слабых ядерных взаимодействий. Теория электрослабых взаимодействий включает оба явления, но не объясняет, как вычислить разницу между этими двумя силами. Эта разница сил — «произвольный элемент», теория бессильна предсказать его. Физики наблюдают разницу и попросту вставляют ее в теорию «вручную», но, конечно же, видят в этом изъян, недостаток научной стройности.

Предсказание в физике не означает обращенное в будущее пророчество. Задавая вопрос, предсказывает ли та или иная теория скорость света, физик не подразумевает, что теория должна угадать, какова будет скорость света в ближайший вторник. Ученый хочет знать, сумели бы мы, опираясь на эту теорию, вычислить скорость света, если бы не было возможности замерить эту скорость в наблюдении. Так вот, ни одна из ныне признанных теорий не предсказывает скорость света. Это — произвольный элемент во всех физических теориях.

«Модель вселенной — не картонный цилиндр, не рисунок, который мы могли бы разглядеть или пощупать. Это мысленный образ, а то и рассказ»

Когда Хокинг взялся за «Краткую историю времени», он хотел, помимо прочего, прояснить и сам термин «теория». Теория — это не истина с большой буквы, не правило, не факт, не последнее и окончательное слово в науке. Теория — словно игрушечный кораблик: чтобы проверить, поплывет ли он, нужно спустить кораблик на воду. Опускаем осторожно, смотрим — если наш кораблик тонет, вытаскиваем его из воды и что-то в нем переделываем или же вовсе строим новый, учитывая полученные в этом опыте знания.

Некоторые теории оказываются хорошими корабликами, они долго держатся на воде. Кое-где в них имеются течи, и ученые об этом знают, но для практических целей и такие кораблики сойдут. Некоторые теории служат нам так хорошо, так убедительно подтверждаются опытом, экспериментами, что мы начинаем принимать их за истину. Правда, сами ученые, зная, как сложна и полна неожиданностей наша вселенная, не спешат произносить слово «истина». Пусть одни теории подкреплены множеством экспериментов, а другие остаются лишь прекрасными чертежами в умах физиков — великолепно задуманные суда, так и не испытанные на воде, — опасно принимать любую из них за абсолютную, фундаментальную, научную «истину».

С другой стороны, нельзя и колебаться вечно, бесконечно перепроверять надежные теории, если не появилось новых причин усомниться в них. Для развития науки необходимо отобрать среди теорий те, на которые можно положиться, которые в достаточной мере соответствуют данным наблюдений, и, начав строительство с этих блоков, продвигаться дальше. Разумеется, в какой-то момент появятся новые идеи или открытия и попытаются затопить нашу лодку. О том, как это происходит, мы расскажем позднее.

В «Краткой истории времени» Стивен Хокинг дал такое определение научной теории: «Это всего лишь модель вселенной или какой-то ее ограниченной части и набор правил, соотносящих количественные данные этой модели с нашими наблюдениями. Модель существует только у нас в головах и не обладает иной реальностью (что бы ни означало это слово)». Проще всего понять это определение, обратившись к конкретным примерам.

Сохранилась короткая видеозапись, предположительно начала 1980-х: Хокинг через ассистента читает студентам лекцию. К этому времени речь Хокинга была уже настолько затруднена, что его понимали только самые близкие люди. В этом фильме аспирант «переводит» невнятную речь Хокинга — мы слышим: «Мы прихватили на это занятие модель вселенной», — и водружает на стол большой картонный цилиндр. Хокинг хмурится, бормочет что-то, понятное одному лишь ассистенту, и тот, извиняясь, хватает цилиндр и переворачивает его. Хокинг одобрительно кивает, студенты хохочут.

Разумеется, модель вселенной — не картонный цилиндр, не рисунок, который мы могли бы разглядеть или пощупать. Это мысленный образ, а то и рассказ — математическое уравнение или миф о творении.

В каком смысле картонный цилиндр мог представлять вселенную? Чтобы извлечь из него полноценную теорию, как фокусник извлекает из цилиндра кролика, Хокингу пришлось бы объяснить связь этой модели с тем, что мы видим вокруг, с «данными наблюдений» или с теми данными, которые мы могли бы получить, располагай мы более точной аппаратурой для наблюдений. И даже если кто-то поставит на стол картонный цилиндр и объяснит его связь с реальной вселенной, мы еще не обязаны признать этот цилиндр единственной моделью вселенной. Никто не заставляет нас доверчиво глотать любые теории: сперва нужно присмотреться и разобраться. Это всего лишь идея, существующая «только у нас в голове». Может быть, этот картонный цилиндр и годится в модели, а может быть, найдутся факты, противоречащие такой теории. Возможно, мы убедимся, что правила игры, в которую мы вовлечены, в чем-то отличаются от правил, подразумеваемых этой картонной моделью. Означает ли это, что нам предложили «плохую» теорию? Нет, вполне вероятно, что для своего времени это была очень даже хорошая теория, и пока ученые разбирались с ней, проверяли, что-то в ней меняли или опровергали ее, они многому успели научиться.

И для того чтобы покончить с этой теорией, понадобились новый подход, эксперименты, открытия, в результате которых сложилась новая, более удачная теория или же эта работа окупилась каким-то иным образом.

По каким же критериям оценивается, насколько «хороша» теория? Процитируем вновь Хокинга: она должна «точно описывать целый класс наблюдений на основании модели, содержащей не слишком много произвольных элементов, и должна с определенностью предсказывать результаты будущих наблюдений».

Например, теория всемирного тяготения Ньютона охватывает огромный класс наблюдений. Она предсказывает как поведение объектов, падающих на Землю, так и движение планет по их орбитам.

«Если вселенная едина и гармонична, то граничные условия при возникновении вселенной, элементарные частицы и управляющие ими силы, физические константы — все взаимосвязано и полностью совпадает и подчиняется единому закону, неизбежному, абсолютному и самоочевидному»

Однако следует учесть, что хорошая теория рождается не только из наблюдения — это может быть шальная догадка, подвиг воображения. «Способность к скачкам воображения — дар, необходимый физику-теоретику», — утверждает Хокинг. Тем не менее хорошая теория не должна противоречить уже известным данным наблюдений, разве что к ней прилагается убедительное объяснение, почему этими наблюдениями можно пренебречь. Так, теория суперструн, одна из самых интересных современных теорий, предсказывает существование более трех пространственных измерений, и это со всей очевидностью противоречит тому, что мы видим собственными глазами. Теоретики предлагают объяснение: дополнительные измерения свернуты и потому недоступны нашему зрению.

Что подразумевает второе требование Хокинга — ограничить число произвольных элементов в теории, — нам уже известно. И последнее требование: хорошая теория должна предсказывать результаты будущих наблюдений. Она бросает ученым вызов: проверьте меня в эксперименте! Она говорит нам, чтó мы увидим, если эта теория верна. Она также подскажет нам, какие наблюдения смогут опровергнуть эту теорию, если она окажется неверной. Например, общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывает искривление световых лучей дальних звезд при прохождении мимо тел, обладающих большой массой, — например, мимо Солнца. Это предсказание можно проверить, и проверка подтвердила правоту Эйнштейна.

Некоторые теории, в том числе большинство теорий Стивена Хокинга, не поддаются проверке с помощью современных технологий. Может быть, подходящих технологий не создадут и в будущем. Тем не менее эти теории проверяются — математически. Они должны математически соответствовать тому, что нам известно и что мы наблюдаем. Однако ранние стадии формирования вселенной нам наблюдать не дано, и нет прямых данных за или против гипотезы об отсутствии граничных условий (о ней мы поговорим в дальнейшем). Кое-какие тесты для доказательства или опровержения существования «кротовых нор» предлагались, но сам Хокинг сомневался в результативности этих проверок. Зато он поведал нам, что мы обнаружим, если когда-нибудь обзаведемся нужной технологией, и он убежден, что его теории не противоречат уже имеющимся данным. В некоторых случаях он отваживался предсказывать вполне конкретные результаты опытов и наблюдений, которые должны раздвинуть границы нынешних наших возможностей.

Если вселенная едина и гармонична, то граничные условия при возникновении вселенной, элементарные частицы и управляющие ими силы, физические константы — все взаимосвязано и полностью совпадает и подчиняется единому закону, неизбежному, абсолютному и самоочевидному. Достигни мы такого уровня понимания, мы бы действительно открыли теорию всего, абсолютно всего, вероятно, получили бы даже ответ на вопрос, почему вселенная устроена именно таким образом. Проникли бы в «замысел Бога», как формулирует Хокинг в «Краткой истории времени», в «Высший замысел», как он выражается в недавней книге, именно так и озаглавленной.