Kitobni o'qish: «О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга»

Посвящается Наталии

© Масленников К. Л., перевод на русский язык, 2023

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2023

От автора

Наши многочисленные разговоры со Стивеном, продолжавшиеся на протяжении двадцати лет, бережно сохранены и вплетены в ткань повествования. Ссылки на высказывания Стивена, которые появлялись в опубликованном виде, даны в Примечаниях.

Вопрос о происхождении скрывает происхождение вопроса.

Франсуа Жакмен

Предисловие

Дверь кабинета Стивена Хокинга была оливкового цвета. Стивен любил держать ее чуть приоткрытой, хотя в помещении перед его кабинетом вечно было полно народу. Я постучал и вошел, чувствуя себя так, будто перенесся в лишенный времени мир размышлений и созерцания.

Стивен сидел за рабочим столом лицом к двери. Его голова, слишком тяжелая, чтобы держаться прямо, лежала на подголовнике его кресла-каталки. Он медленно поднял глаза и приветствовал меня приглашающей улыбкой, как будто все это время дожидался меня. Сиделка указала мне на стул рядом с ним. Я сел и взглянул на экран настольного компьютера. По нему непрерывно бежала строка экранной заставки: To boldly go where Star Trek fears to tread¹.

Стоял июнь 1998 года. Мы находились глубоко в лабиринте коридоров знаменитого факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета – сокращенно DAMTP. Факультет размещался в скрипучем викторианском здании в районе Олд Пресс на берегу речки Кем. Вот уже почти три десятилетия здесь был базовый лагерь Стивена, место, где сплетались его научные планы и начинания. Именно отсюда он, прикованный к своему креслу и неспособный иногда даже палец поднять, страстно стремился подчинить своей воле космос.

Нил Турок, коллега Стивена, сказал мне, что шеф хочет меня видеть. Это его, Турока, вдохновенный курс лекций, входящий в знаменитую серию курсов по высшей математике, которой славился DAMTP, незадолго до этого возбудил во мне интерес к космологии. Стивен, по-видимому, прослышал об отличных результатах моих экзаменов и захотел взглянуть на меня – может, под его руководством мне удастся написать хорошую диссертацию.

Пыльный, старый кабинет Стивена, заваленный книгами и научными статьями, показался мне уютным. Там были высокий потолок и большое окно, которое, как я позже узнал, Стивен держал открытым даже в пронизывающе холодные зимние дни. На стене у двери висело фото Мэрилин Монро; под ним – вставленная в рамку и надписанная фотография Хокинга, играющего в покер с Эйнштейном и Ньютоном на голопалубе космолета «Энтерпрайз». Справа от нас на стене висели две доски, исписанные математическими символами. На одной я узнал недавно сделанные вычисления, касавшиеся последней разработанной Нилом и Стивеном теории происхождения Вселенной, но рисунки и уравнения на второй, казалось, восходили к началу 1980-х. Может, это были его последние собственноручные каракули?

Тишину нарушило слабое пощелкивание. Стивен заговорил. Больше десяти лет назад он лишился голоса из-за трахеотомии, которую ему пришлось перенести после воспаления легких, и с тех пор мог общаться только посредством бестелесного голоса компьютера. Это делало процесс разговора медленным и трудным.

Рис. 1. Эта доска висела в кабинете Стивена Хокинга в Кембриджском университете как память об организованной им в июне 1980 года конференции по супергравитации.

Исписанная закорючками, рисунками и уравнениями, она представляет собой настоящее произведение искусства и одновременно позволяет заглянуть внутрь абстрактной Вселенной физика-теоретика. Внизу в центре доски виднеется и спина самого Хокинга². (См. рис. 10 на вклейке.)

Собирая последние остатки сил в своих атрофированных мышцах, он слабо надавливал на пощелкивавшее устройство, очень похожее на компьютерную мышку; это устройство ему заранее осторожно положили на правую ладонь. Экран, прилаженный к ручке его кресла-каталки, засветился, устанавливая виртуальную соединительную артерию между его мозгом и внешним миром.

Стивен пользовался компьютерной программой «Эквалайзер» – в нее была встроена лексическая база данных и синтезатор речи. По-видимому, он ориентировался в электронном словаре «Эквалайзера» инстинктивно, ритмично нажимая на кнопку пульта, который как будто танцевал в такт излучению волн его мозга. Экранное меню состояло из букв и часто употребляемых слов. В базу данных программы был включен жаргон, на котором говорят физики-теоретики; программа предвосхищала выбор следующего слова, показывая пять его возможных опций в нижней строке меню. К несчастью, выбор слов основывался на элементарном алгоритме поиска, который не делал различия между обычной разговорной лексикой и строгим языком теоретической физики. Иногда это приводило к уморительным результатам, от «космического микроволнового ризотто» до «дополнительных секс-измерений».

«Андрей утверждает», – появилось на экране ниже меню. Я ждал, затаив дыхание, отчаянно надеясь понять, что за этим последует. Спустя минуту или две Стивен перевел курсор на иконку «Говорите» в левом верхнем углу экрана и электронный голос произнес:

«Андрей утверждает, что вселенных бесконечно много. Это безобразие».

Ну вот – Стивен заговорил.

Андрей – знаменитый советский и американский космолог Андрей Линде, один из отцов-основателей предложенной в начале 1980-х космологической теории инфляции, которая развивает теорию Большого взрыва и постулирует, что Вселенная началась с короткого всплеска сверхбыстрого расширения – инфляции. Позже Линде придумал экстравагантное расширение своей теории, предположив, что инфляция создала не одну, а много вселенных.

ВСЕЛЕННАЯ, КОТОРУЮ МЫ НАБЛЮДАЕМ, ВЫГЛЯДИТ СПРОЕКТИРОВАННОЙ. ПОЧЕМУ ВСЕЛЕННАЯ ТАКАЯ, КАКАЯ ОНА ЕСТЬ? И ПОЧЕМУ В НЕЙ ЕСТЬ МЫ?

Я раньше думал, что Вселенная – это все, что существует. Но сколько же этого «всего»? В схеме Линде то, что мы называли Вселенной, – лишь крупица неизмеримо большей «мультивселенной». Он представлял себе космос как огромную раздувающуюся совокупность бесчисленных отдельных вселенных, лежащих далеко за горизонтами друг друга, подобно островам в бесконечно расширяющемся океане. Космологи ввязались в сумасшедшую авантюрную гонку. И Стивен, самый неугомонный из них, не мог стоять в стороне.

– А нам-то какое дело до других вселенных? – спросил я.

Ответ Стивена прозвучал загадочно.

«Вселенная, которую мы наблюдаем, выглядит спроектированной, – сказал он. Пауза, и пощелкивание возобновилось: – Почему Вселенная такая, какая она есть? И почему в ней есть мы?»

Никто из моих учителей физики никогда не говорил о физике и космологии в таких метафизических выражениях.

– Разве это не чисто философский вопрос? – попробовал я возразить.

«Философия умерла», – сказал Стивен. Глаза его блеснули, как бы приглашая меня к дискуссии.

Я не чувствовал себя готовым к этому разговору, однако не мог не подумать, что отрицание философии странно слышать от Стивена. Ведь он часто – и творчески – пользовался ею в своей работе.

В Стивене была какая-то магия. Оставаясь почти неподвижным, он вдыхал в нашу беседу столько жизни! Он излучал такой магнетизм, такую харизму, какие мне редко случалось видеть. Его широкая улыбка и выразительное лицо, одновременно теплое и озорное, наполняли слова, произносимые механическим голосом робота, обаянием его личности, все глубже погружая меня в космические тайны, над которыми он размышлял.

Он, как дельфийский оракул, виртуозно владел искусством вкладывать многое в несколько слов. Результатом этого был уникальный способ думать и разговаривать о физике – но также, о чем я дальше расскажу, и сама новая физика. Однако при такой лаконичности даже малейшая заминка вроде одного пропущенного слова – частицы «не», к примеру, – могла вызвать, и часто вызывала, досаду и замешательство у собеседника. Мне же в тот день было не до этих шероховатостей – наоборот, я был рад, что, пока Стивен отыскивает нужный символ в «Эквалайзере», у меня есть время подумать над тем, что ему ответить.

Я знал: говоря, что Вселенная кажется спроектированной, Стивен имел в виду необыкновенный наблюдательный факт – из взрывного, катаклизмического акта своего рождения она вышла поразительно хорошо приспособленной для поддержания в себе жизни, возникшей миллиарды лет спустя. Этот простой факт столетиями сводил с ума мыслителей – он и правда выглядит искусственно привнесенным. Дело обстоит почти так, как будто генезис жизни и космоса переплетены друг с другом, как будто космос всегда знал о том, что в один прекрасный день он станет нашим домом. Какой же вывод следует сделать из этого таинственного ощущения умышленности? Это один из главных вопросов, которые люди задают себе о Вселенной, и Стивен глубоко чувствовал, что космологическая теория должна как-то ответить на него. Перспектива разгадки космического «проекта» – или хотя бы надежда на ее достижимость – в значительной степени и были двигателем его работы.

И это само по себе было исключительно необычно. Большинство физиков либо предпочитали избегать таких сложных, казавшихся чисто философскими, вопросов, либо верили в то, что тончайшим образом сконструированная архитектура Вселенной когда-нибудь окажется вытекающей из элегантного математического принципа, лежащего в основе «общей теории всего». Если бы это произошло, видимая конструкция Вселенной стала бы просто счастливой случайностью, непрогнозируемым следствием объективных и безличных законов Природы.

Но ни Стивен, ни Андрей Линде не были обычными физиками. Неохотно полагаясь на красоту абстрактной математики, они чувствовали, что «тонкая настройка» Вселенной, в рамках которой естественно порождается жизнь, указывает на глубочайшую проблему, коренящуюся в самых основах физики. Не удовлетворяясь всего-навсего применением законов Природы, они искали более широкого подхода к физике, в который входило бы исследование самого происхождения этих законов. Такой подход и привел их к размышлениям над Большим взрывом – ведь таинственный «проект» должен был быть заложен в сам процесс рождения Вселенной! И именно в вопросе о рождении Вселенной Стивен и Андрей категорически расходились друг с другом.

Андрей видел космос как гигантское раздувающееся пространство, в котором множество «больших взрывов» непрерывно порождали всё новые вселенные – каждая со своими собственными физическими свойствами, настолько же разными, насколько разной может быть наша земная погода. Нам не следует удивляться, что мы оказались в редком экземпляре благоприятной для жизни Вселенной, утверждал он, – ведь ясно, что мы не могли бы существовать ни в одной из множества вселенных, в которых жизнь невозможна. В мультивселенной Линде любое предположение о каком-то высшем замысле, стоящем за всем сущим, было бы не более чем иллюзией, порожденной ограниченностью наших взглядов на космос.

Стивен утверждал, что идея Линде о «великом космическом расширении», от Вселенной до мультивселенной, была метафизической фантазией, которая ничего не объясняет, – хотя я чувствовал, что как следует доказать этого он не может. Тем не менее я был заинтригован и восхищен тем, что самые выдающиеся космологи мира, категорически не соглашаясь друг с другом, обсуждали столь основополагающие вопросы с такой непоколебимой убежденностью с каждой стороны.

– Но разве Линде не прибегает к антропному принципу как к условию нашего существования, чтобы выделить благоприятную для жизни Вселенную из мультивселенной? – осмелился я подать голос.

Стивен оторвал взгляд от экрана и посмотрел на меня; губы его слегка искривились. Я не понял значения его мимики. Позже я узнал, что она означала полное несогласие. Когда он догадался, что я еще не посвящен в тонкости невербального уровня общения, который был обычным в его «ближнем кругу», он снова перевел взгляд на экран и принялся составлять новое длинное предложение. Точнее, даже два.

«Антропный принцип – это жест отчаяния, – написал он, и мое изумление росло тем сильнее, чем дольше продолжалось пощелкивание машины. – Это прощание со всеми нашими надеждами на понимание скрытого порядка Вселенной на основе научных законов». А вот это уж было совсем неожиданно. Я читал «Краткую историю времени» и хорошо знал, что ранний Хокинг частенько заигрывал с антропным принципом, считая его частью объяснения той Вселенной, которую мы видим. Космолог до мозга костей, он рано оценил значение неожиданной переклички между крупномасштабными физическими свойствами Вселенной и существованием жизни как таковой. И еще в конце 1960-х, работая с Уильямом Коллинзом, он выдвинул – впоследствии оказалось, что ошибочно, – антропный аргумент как объяснение того, почему расширение Вселенной происходит с одной и той же скоростью во всех трех направлениях в пространстве³. Выходит, он изменил свой взгляд на полезность антропных соображений в космологии?

Во время медицинской паузы, которая понадобилась Стивену для прочистки его трахеи, я оглядел кабинет. На полке, протянувшейся вдоль всей левой стены, громоздились груды экземпляров «Краткой истории времени», переведенной на всякие экзотические языки. Интересно, от каких еще центральных идей этой книги он отказался? Рядом с «Краткими историями» я заметил целый ряд диссертаций, принадлежавших его бывшим докторантам. Еще в начале 1970-х Стивен основал в Кембридже быстро завоевавшую известность научную школу, участниками которой были принадлежавшие к его постоянно обновлявшемуся «ближнему кругу» аспиранты, докторанты и постдоки.

Названия их диссертаций затрагивали некоторые из самых фундаментальных вопросов, стоявших перед физикой в конце XX века. К 1980-м годам относились работа Брайана Витта «Гравитация: квантовая теория?» и диссертация Реймонда Лафламма «Время и квантовая космология». Название труда Фэй Доукер «Пространственно-временные кротовые норы и фундаментальные постоянные» перенесло меня в начало 1990-х, время, когда Стивен и его сотрудники думали, что кротовые норы – геометрические мосты через пространство – влияют на свойства элементарных частиц. (Позже друг Стивена Кип Торн найдет кротовым норам применение в фильме «Интерстеллар» – через такую нору герой фильма Купер вернется в Солнечную систему.) Справа от Фэй я увидел «Проблемы M-теории» Марики Тэйлор, последней по времени научной «дочки» Стивена. Под его руководством Марика погрузилась в самую гущу «второй струнной революции», как вдруг теория струн переросла в гораздо более масштабную M-теорию, и Стивен наконец начал постепенно проникаться расположением к этой идее.

Все оставшееся место на левой полке занимали два экземпляра книги в толстом зеленом переплете, озаглавленной «Свойства расширяющейся Вселенной». Это была докторская диссертация самого Стивена, написанная еще в середине 1960-х, во времена, когда большая рупорная радиоантенна лаборатории «Белл телефон» зарегистрировала первые радиоотголоски горячего Большого взрыва в виде очень слабого микроволнового излучения. В своей диссертации Стивен показал: если теория тяготения Эйнштейна верна, само существование этих отголосков означало, что у времени должно было быть начало. И как же это совмещалось с мультивселенной Андрея Линде, о которой мы только что говорили?

Справа от книги Стивена я заметил «Гравитационное излучение и гравитационный коллапс» Гэри Гиббонса. Он был первым докторантом Стивена, и было это в начале 1970-х, когда американский физик Джо Вебер объявил, что регистрирует частые всплески гравитационных волн, идущие из центра Млечного Пути. Измеренная им интенсивность гравитационного излучения была огромной: выходило, что Галактика теряет массу со скоростью, которая никак не могла бы сохраняться на протяжении длительного времени. Будь это так, очень скоро от Галактики не осталось бы ничего. Захваченные решением этого парадокса, Стивен и Гэри тешились идеей постройки своего собственного приемника гравитационных волн на базе DAMTP. От этой затеи их спасло чудо: слухи о гравитационных волнах в тот раз оказались ложными. Должно было пройти еще сорок лет, пока лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO не добьется наконец успеха и не зарегистрирует эти неуловимые вибрации, рябь в океане пространства-времени.

Обычно Стивен брал по одному новому аспиранту каждый год. Они работали с ним над одним из его очень рискованных, но и необыкновенно многообещающих проектов: либо в области черных дыр – звезд, сколлапсировавших под горизонт событий, либо с тем, что касалось Большого взрыва. Стивен старался чередовать эти темы, поручая одному студенту работать над черными дырами, а следующему – над Большим взрывом, чтобы в любое время интересы его аспирантов покрывали оба главных направления исследований. Для Стивена черные дыры и Большой взрыв образовывали как бы инь и ян – противоположные, но переходящие друг в друга начала. Многие из его ключевых идей, касавшихся Большого взрыва, впервые возникли именно в контексте исследований черных дыр.

И в недрах черных дыр, и в ходе Большого взрыва макромир гравитации буквально сливается с микромиром атомов и частиц. В этих экстремальных условиях релятивистская теория тяготения Эйнштейна и квантовая теория должны работать в сочетании друг с другом. Беда в том, что объединить их не получается – и это, по общему мнению, остается одной из главных нерешенных задач физики. Взять, например, радикально различный подход этих теорий к причинности и детерминизму. Теория Эйнштейна придерживается старого детерминизма Ньютона и Лапласа; квантовая теория содержит фундаментальный элемент неопределенности и случайности. Понятие детерминизма сохраняется в ней лишь в усеченной форме – в нем не более половины того содержания, которое вкладывал в него Лаплас. За прошедшие годы «гравитационная группа» Стивена и ее рассеянная по всему миру диаспора сделали больше, чем какой-либо другой исследовательский коллектив в мире для демонстрации глубоких концептуальных вопросов, которые возникают, когда кто-то пытается сочетать очевидно противоречащие друг другу принципы этих двух физических теорий в рамках единой гармоничной концепции.

Тем временем со Стивеном «разобрались», как называла эту процедуру его сиделка, и снова раздалось пощелкивание клавиатуры. (В тот день наша беседа еще раз прервалась на контрольный просмотр эпизода «Симпсонов», который должен был выйти с участием Стивена.)

«Я хочу, чтобы вы поработали со мной над квантовой теорией Большого взрыва…»

Ага, значит, я, по всей видимости, появился в поле зрения Стивена в «год Большого взрыва».

«…и разобрались с этой мультивселенной».

Он поднял на меня глаза и широко улыбнулся. Глаза снова блеснули. Все было ясно. Нам предстояло «разобраться» с проблемой мультивселенной не философствованием и не привлечением антропного принципа, а глубоким внедрением квантовой теории в космологию. Его предложение прозвучало как обыденная тема домашнего задания. Но, хотя по выражению его лица я понимал, что мы, по сути, уже начали работать, у меня не было ни малейшего представления о том, каким курсом отправится в полет космический корабль «Хокинг».

«Я умираю…»

Прочитав это на экране, я похолодел и бросил отчаянный взгляд на сиделку, тихо примостившуюся с книгой в руках в уголке кабинета. Потом опять взглянул на Стивена. Насколько я мог судить, он выглядел как обычно. Щелканье возобновилось.

«…очень… хочется… чашечку… чаю».

Дело происходило в Британии. Было четыре часа дня.

Вселенная или мультивселенная? Задуманная (кем?) или нет? Ответу на этот роковой вопрос нам предстояло посвятить двадцать лет. Одно «домашнее задание» влекло за собой другое, и вскоре Стивен и я оказались в эпицентре самого жаркого спора в теоретической физике первой части XXI века. Хотя почти у каждого ученого было свое мнение о мультивселенной, никто даже примерно не представлял, что из него можно извлечь. То, что началось как тема моей докторской диссертации под научным руководством Стивена Хокинга, превратилось в увлекательное интенсивное сотрудничество, закончившееся только с уходом Стивена 14 марта 2018 года.

В нашей работе на кону была не только природа Большого взрыва – загадки, лежащей в сердце всего сущего, но и более глубокий смысл самих законов природы. Что в конечном счете космология рассказывает нам о мире? Как в этот мир вписываемся мы сами? Такие размышления выводят физику далеко за пределы ее «зоны комфорта». Но именно в такие дела Стивен и любил ввязываться. Именно здесь его несравненная интуиция, закаленная десятилетиями глубочайших космологических исследований, оказывалась пророческой.

Ранний Хокинг, как множество ученых до него, рассматривал фундаментальные физические законы как вечные и неизменные истины. «Если мы сумеем построить полную теорию… мы будем знать мысли Бога», – писал он в «Краткой истории времени». Однако с тех пор миновало больше десяти лет, и во время нашей первой встречи – а в затылок нам дышала мультивселенная Линде – я почувствовал, что в этой его уверенности появилась трещинка. Действительно ли физика дает нам основания свыше для описания начала времени в момент Большого взрыва? И нужны ли нам эти основания?

Нам еще предстояло понять, что платоновский маятник в теоретической физике к тому времени качнулся слишком далеко. Когда мы прослеживаем историю Вселенной назад, до самого ее начала, мы натыкаемся на более глубокий уровень эволюции, уровень, на котором сами физические законы начинают изменяться и эволюционировать, – это можно назвать метаэволюцией. В первичной Вселенной происходит трансмутация физических законов в процессе случайных изменений и отбора, похожего на дарвиновскую эволюцию: частицы, силы и, утверждаем мы, даже время постепенно растворяются в горниле Большого взрыва. Стивен и я пришли к тому, что стали воспринимать Большой взрыв не только как начало времени, но и как источник физических законов. В центре нашей космогонии лежит новая физическая теория происхождения Большого взрыва, которое, как мы осознали, в свою очередь содержит в себе происхождение теории.

Работа со Стивеном была путешествием не только к пределам пространства и времени, но также и вглубь его сознания – вглубь того, что делало Стивена Стивеном. Совместный поиск сближал нас. Он был настоящим искателем. Никому рядом с ним не удавалось избежать воздействия его стальной настойчивости и оптимистической уверенности в том, что мы сможем решить все эти окруженные тайной космические вопросы. Со Стивеном мы чувствовали себя так, как будто пишем историю нашего собственного сотворения, – что в некотором смысле мы и делали.

И физика превратилась в настоящий карнавал! Со Стивеном невозможно было понять, где кончается работа и начинаются развлечения. Его ненасытная страсть к пониманию могла сравниться только с его жаждой жизни и любовью к приключениям. В апреле 2007 года, через пару месяцев после своего шестидесятипятилетия, он отправился в полет на «Боинге-727», специально оборудованном для создания невесомости на борту. Он рассматривал это как прелюдию к полету в космос! А его врачи паниковали, когда он пересек Ла-Манш в скоростном поезде «Евростар», чтобы погостить у меня в Бельгии.

Он окончательно потерял голос и был так слаб, что едва мог пошевелить пальцем, – и при этом сделался крупнейшим популяризатором и просветителем нашего времени. Его вдохновляло глубокое ощущение, что мы – часть грандиозной схемы, зашифрованной в строении мироздания и как будто ждущей, когда мы ее откроем; и свою радость открытий он разделил с аудиторией всего мира. В самый разгар нашей совместной работы он написал книгу «Великий замысел», которая отражала владевшее нами тогда замешательство. В ней Стивен по косточкам разбирает антропный принцип, концепцию мультивселенной и идею «окончательной теории всего», вплоть до ее соперничества с божественным сотворением Вселенной. Но в «Великом замысле» есть и первые очертания новой космологической парадигмы, которая окончательно кристаллизуется в нашей работе спустя несколько лет.

Незадолго до смерти Стивен сказал мне, что пора писать новую книгу. Вот эта книга. В следующих главах я опишу наше путешествие к Большому взрыву и внутрь него. Я расскажу, как это путешествие в конце концов привело Хокинга к опровержению концепции мультивселенной, к замене ее новым поразительным взглядом на происхождение времени, глубоко дарвинистским по духу и природе, и к предложению радикально нового понимания великого космического замысла.

В путешествии нас часто будет сопровождать американский физик Джим Хартл, давний сотрудник Стивена, с которым в начале 1980-х они заложили основы квантовой космологии. За годы совместной работы друзья приобрели особую способность видеть Вселенную сквозь квантовый объектив. Квантовое мышление оказало влияние даже на язык их общения – как будто между ними установилась отдельная от прочих вербальная связь. Например, говоря «Вселенная», космологи обычно подразумевают звезды, галактики и огромное пространство вокруг нас. Когда слово «Вселенная» употребляли Джим или Стивен, они имели в виду абстрактную квантовую Вселенную, погруженную в океан неопределенности, со всеми ее возможными историями, сосуществующими в форме некоей суперпозиции. Но именно это насквозь квантовое видение физической реальности в конечном счете и сделало возможной дарвинистскую революцию в космологии. Поздний Хокинг относился к квантовой теории серьезно – и даже очень серьезно. Он решил, что именно ее следует придерживаться при пересмотре картины Вселенной на самых больших масштабах. Именно квантовая космология станет тем полем исследований, на переднем крае которого Стивен оставался до конца жизни.

В период нашего сотрудничества в какой-то момент Стивен утратил остатки сил, еще позволявших его руке нажимать на кликер, при помощи которого он поддерживал разговор. Тогда он перешел на инфракрасный датчик, вмонтированный в оправу его очков и приводимый в действие легким подергиванием щеки. Но скоро и это стало ему не под силу. Темп общения замедлился от нескольких слов в минуту до нескольких минут на одно слово, а потом и вовсе сошел на нет – именно тогда, когда потребность в его слове стремительно выросла⁴. Самый прославленный апостол науки во всем мире лишился речи. Но Стивен не желал сдаваться. Наша интеллектуальная связь настолько углубилась за годы тесного сотрудничества, что мы с ним все дальше выходили за пределы словесного общения. Забыв об «Эквалайзере», датчиках и кликерах, я устраивался перед ним так, чтобы наверняка оказаться в его поле зрения, и начинал бомбардировать вопросами. Глаза Стивена ярко вспыхивали, когда мои аргументы резонировали с его интуицией. Тогда мы развивали найденную тему, продвигаясь вперед при помощи общего языка и взаимопонимания, сформировавшихся за годы сотрудничества. Именно в этих «беседах» медленно, но неуклонно рождалась последняя и окончательная созданная Стивеном теория Вселенной.

В науке бывают критические распутья, когда на первый план – нравится нам это или нет – выходят метафизические соображения. На таких путевых развилках мы постигаем что-то очень глубокое и фундаментальное, что имеет отношение не только к путям Природы, но и к условиям, которые делают наши занятия наукой возможными и имеющими какую-то ценность, и к мировоззрению, к которому наши открытия могут привести. Поиск физических факторов, которые делают Вселенную пригодной для жизни, привели нас к такой критической развилке. Ведь в основе своей это гуманистический вопрос, далеко выходящий за пределы науки, – вопрос о нашем происхождении. Стержень последней созданной Стивеном теории Вселенной – небывало глубокое осознание того, что значит быть человеком в этом приспособленном для жизни космосе, управлять планетой Земля и нести ответственность за нее. И уже по одной этой причине эта теория может в конечном счете оказаться его главным научным наследием.

СТЕРЖЕНЬ ПОСЛЕДНЕЙ СОЗДАННОЙ СТИВЕНОМ ТЕОРИИ ВСЕЛЕННОЙ – НЕБЫВАЛО ГЛУБОКОЕ ОСОЗНАНИЕ ТОГО, ЧТО ЗНАЧИТ БЫТЬ ЧЕЛОВЕКОМ В ЭТОМ ПРИСПОСОБЛЕННОМ ДЛЯ ЖИЗНИ КОСМОСЕ, УПРАВЛЯТЬ ПЛАНЕТОЙ ЗЕМЛЯ И НЕСТИ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ЗА НЕЕ.

Глава 1
Парадокс

Любопытная аналогия кроется в том, что даже у самого большого телескопа размер окуляра не больше человеческого глаза.

Людвиг Витгенштейн, «Культура и ценность»

Конец 1990-х стал кульминацией «золотого десятилетия» космологических открытий. Космология, невероятная наука, изучающая – ни много ни мало – происхождение, эволюцию и судьбу Вселенной в целом и долго считавшаяся царством неограниченных спекуляций, достигла, наконец, зрелости. Мировое научное сообщество кипело от возбуждения, вызванного ошеломляющими данными наблюдений как с борта оснащенных сложнейшим оборудованием спутников, так и при помощи наземных инструментов. Эти данные изменили нашу картину Вселенной до полной неузнаваемости. Казалось, Вселенная заговорила с нами. Теоретикам был брошен вызов – теперь они могли доказать справедливость своих абстрактных моделей и вытекающих из них предсказаний или признать свою неправоту.

В космологии мы исследуем прошлое Вселенной. Космологов можно назвать путешественниками во времени, а телескопы – их транспортным средством: заглядывая в глубины пространства, мы видим далекое прошлое. Ведь прежде чем достичь нас, свет далеких звезд и галактик шел миллионы или даже миллиарды лет. Еще в 1927 году бельгийский аббат и астроном Жорж Леметр предсказал, что пространство, если рассматривать его на таких больших временных периодах, расширяется. Но только в 1990-х передовая техника телескопических наблюдений позволила проследить историю расширения Вселенной.

Эта история таила в себе неожиданности. Например, в 1998 году астрономы обнаружили, что примерно пять миллиардов лет назад расширение пространства начало ускоряться – хотя во всех своих известных формах материя обладает свойством притяжения, и, следовательно, расширение должно замедляться. С тех пор физики пытаются понять, не связано ли это странное космическое ускорение с эйнштейновской космологической постоянной и не является ли оно чем-то вроде невидимой эфироподобной «темной энергии», из-за которой у гравитации появляется свойство отталкивания вместо притяжения? «Похоже, Вселенная может оказаться похожей на Лос-Анжелес, – пошутил один астроном, – в ней на треть субстанции и на две трети энергии».

Очевидно: если Вселенная сейчас расширяется, в прошлом она должна была находиться в более сжатом состоянии. Если пустить космическую историю задом наперед – конечно, в виде теоретического упражнения, – то получится, что все вещество в какой-то момент окажется очень плотно упакованным в малом объеме пространства и к тому же очень горячим; ведь при сильном сжатии вещество разогревается и начинает излучать. Такое первичное состояние известно под названием горячего Большого взрыва. Астрономические наблюдения, начавшиеся в «золотые 1990-е» и продолжающиеся до сих пор, позволили определить возраст Вселенной, или время, прошедшее с момента Большого взрыва: 13,8 миллиарда плюс-минус 20 миллионов лет.

Желание узнать больше о рождении Вселенной росло, и в мае 2009 года Европейское космическое агентство (ESA) запустило спутник, задачей которого было наиболее полное и детальное из всех, когда-либо проводившихся, сканирование ночного неба. В результате планировалось построить карту распределения флюктуаций таинственного теплового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Пропутешествовав в расширяющемся космическом пространстве 13,8 миллиарда лет, жар от рождения Вселенной достигает нас уже остывшим до 2, 725 K, или примерно до минус 270 °C. При такой температуре излучение лежит в основном в микроволновом участке электромагнитного спектра, и поэтому остаточное тепло называют космическим микроволновым фоном, или CMB-излучением.

Усилия, прилагаемые ESA для того, чтобы уловить и описать это древнее, «реликтовое» тепло, достигли кульминации в 2013 году. На первых полосах всех газет мира появилась причудливая пятнистая картина, напоминающая полотно художника-пуантилиста. Это изображение мы видим на рис. 2, и это не что иное, как составленное из миллионов пикселей необыкновенно подробное распределение по всему небу, по всем направлениям в пространстве температуры реликтового CMB-излучения. Можно сказать, что это детальная фотография Вселенной, какой она была примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда остыла до нескольких тысяч градусов – достаточно, чтобы выпустить на свободу первичное излучение, которое с тех пор, не удерживаемое больше ничем, путешествовало в космосе.

Столь подробные наблюдения CMB-излучения подтвердили, что реликтовое тепло Большого взрыва распределено в пространстве почти – хоть и не идеально – равномерно. «Пятнистость» изображения отражает микроскопически малые различия температуры, крохотные ее колебания, не превышающие стотысячной доли градуса. Но эти мельчайшие вариации критически важны: они отражают положения первичных конденсаций вещества, вокруг которых в конце концов стали формироваться галактики. Ведь если бы область горячего Большого взрыва была полностью однородной, никаких галактик сейчас бы не было.

Рис. 2. Послесвечение горячего Большого взрыва. Это тепловая карта неба на микроволновых частотах, построенная по данным названного в честь основателя квантовой физики Макса Планка спутника «Планк» Европейского космического агентства. Сгущения различных оттенков серого соответствуют малым изменениям температуры реликтового космического микроволнового излучения, приходящего к нам с разных направлений на небе. На первый взгляд распределение этих температурных флюктуаций выглядит случайным, но тщательный анализ выявил в нем структуры, связывающие друг с другом различные участки карты. Исследуя эти структуры, космологи могут реконструировать историю расширения Вселенной, построить модель образования в ней галактик и даже предсказать ее будущее.

Карта CMB отмечает положение нашего космологического горизонта, дальше которого мы заглянуть не можем. Но, опираясь на наши космологические теории, мы можем по крупицам восстановить ход процессов, происходивших в еще более ранние эпохи. Как палеонтологи по окаменелостям догадываются, какими были на Земле в далеком прошлом формы жизни, так и космологи, расшифровывая структуры, объединяющие температурные неоднородности, сохранившиеся за миллиарды лет, способны воспроизвести процессы, в ходе которых реликтовая тепловая картина отпечаталась на нашем небе. Карта реликтового CMB-излучения стала космологическим Розеттским камнем, который позволяет нам проследить историю Вселенной далеко назад – возможно, даже понять, какой она была спустя мельчайшие доли секунды после рождения.

И то, что мы узнали, оказалось удивительным. Как мы увидим в Главе 4, структуры, закодированные в карте вариаций температуры CMB-излучения, показывают, что Вселенная сначала расширялась очень быстро, потом замедлилась, а не так давно (около пяти миллиардов лет назад) опять начала ускоряться. На масштабах, соответствующих самым большим глубинам времени и пространства, это замедление кажется скорее исключением, чем правилом, одной из необъяснимых счастливых случайностей, сделавших нашу Вселенную благоприятной для жизни. Ведь только в замедляющейся Вселенной вещество способно накапливаться и концентрироваться, образуя галактики. Не будь этой паузы в расширении Вселенной, не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни самой жизни.

Получилось так, что история расширения Вселенной сыграла главную роль в одной из первых попыток вписать наше существование в современную космологическую парадигму. В начале 1930-х Леметр в одном из своих маленьких пурпурных блокнотиков сделал примечательный набросок того, что он называл «нерешительной» Вселенной – Вселенной с историей расширения, очень похожей на тот ухабистый путь, который постепенно вырисуется из наблюдений спустя семьдесят лет⁵ (см. рис. 3 на вклейке). Леметр пришел к идее о долгой паузе в расширении Вселенной, раздумывая над вопросом о ее приспособленности для жизни. Он знал: астрономические наблюдения соседних галактик указывали на то, что в последнее время скорость расширения Вселенной была высокой. Но когда он обратил эволюцию Вселенной назад во времени, то оказалось, что при такой скорости все галактики должны были всего какой-то миллиард лет назад столпиться в одной области пространства. Это, конечно, было невозможно – ведь и Земля, и Солнце были гораздо старше. Чтобы избежать очевидного противоречия между историями Вселенной и Солнечной системы и дать звездам, планетам и жизни время на развитие, Леметр предположил, что в истории Вселенной должна была быть эра очень медленного расширения.

КАК ПАЛЕОНТОЛОГИ ПО ОКАМЕНЕЛОСТЯМ ДОГАДЫВАЮТСЯ, КАКИМИ БЫЛИ НА ЗЕМЛЕ В ДАЛЕКОМ ПРОШЛОМ ФОРМЫ ЖИЗНИ, ТАК И КОСМОЛОГИ, РАСШИФРОВЫВАЯ СТРУКТУРЫ, ОБЪЕДИНЯЮЩИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ, СОХРАНИВШИЕСЯ ЗА МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ, СПОСОБНЫ ВОСПРОИЗВЕСТИ ПРОЦЕССЫ, В ХОДЕ КОТОРЫХ РЕЛИКТОВАЯ ТЕПЛОВАЯ КАРТИНА ОТПЕЧАТАЛАСЬ НА НАШЕМ НЕБЕ.

На протяжении нескольких десятилетий после пионерской работы Леметра физики продолжали натыкаться еще на многие другие «счастливые совпадения», делающие Вселенную поразительно благоприятной для жизни. Достаточно было бы малейшего изменения почти в любом из основных ее физических свойств, от поведения атомов и молекул до структуры космоса на самых больших масштабах, чтобы обитаемость Вселенной повисла на волоске.

Возьмем хотя бы тяготение, силу, которая формирует крупномасштабную структуру Вселенной. Действие гравитации крайне слабое: требуется огромная масса Земли, чтобы удерживать нас на ее поверхности. Но будь сила всемирного тяготения чуточку больше, звезды сгорали бы быстрее и умирали бы раньше, не оставляя времени для развития сложных форм жизни ни на какой из планет, обращающихся вокруг них и согреваемых их теплом.

Или рассмотрим мельчайшие – в одну стотысячную долю градуса – вариации температуры реликтового излучения Большого взрыва. Будь они хоть немного больше – скажем, в одну десятитысячную долю градуса, – и зерна, из которых выросли космические структуры, разрослись бы в гигантские черные дыры, а не в галактики с миллионами пригодных для обитания звезд. И напротив, если бы эти вариации оказались чуть меньше – в одну миллионную градуса или еще меньше, – никаких галактик не могло бы образоваться вообще. Горячий Большой взрыв был ровно таким, каким надо. Тем или иным способом он вывел Вселенную на исключительно благоприятную для жизни траекторию, причем результаты такой «настройки» стали видны спустя несколько миллиардов лет. Как это объяснить?

Налицо и множество других примеров «счастливых совпадений». Мы живем во Вселенной с тремя измерениями пространства. Есть ли что-то особенное в том, что их именно три? Да, есть. Добавим еще одно измерение пространства – атомы и планетные орбиты станут неустойчивыми. Вместо того чтобы обращаться вокруг Солнца по устойчивой орбите, Земля по спирали врежется в него. У Вселенной с пятью или с еще большим числом измерений пространства проблем будет еще больше. С другой стороны, в мирах лишь с двумя пространственными измерениями могло бы не оказаться достаточно места для нормального функционирования сложных систем, как видно из рис. 3. Три измерения пространства – это, похоже, как раз столько, сколько нужно для того, чтобы жизнь была возможна.

Рис. 3. Во Вселенной, имеющей только два пространственных измерения, жизни трудно возникнуть, не говоря уж о том, чтобы развиваться. Как, например, в таком мире охотиться и питаться?

Необъяснимое дружелюбие, которое Вселенная проявляет к жизни, распространяется и на ее химические свойства, определяемые параметрами элементарных частиц и сил, действующих между ними. Например, нейтроны чуточку тяжелее протонов: отношение массы нейтрона к массе протона 1,0014. Будь это отношение обратным, все протоны во Вселенной после Большого взрыва очень скоро превратились бы в нейтроны. А без протонов не было бы атомных ядер – значит, не было бы ни атомов, ни самой химии.

Другой пример: образование углерода в звездах. Насколько нам известно, углерод очень важен для жизни. Но Вселенная не родилась с запасом углерода: он образуется в ходе ядерного синтеза в недрах звезд. В 1950-х британский космолог Фред Хойл заметил, что эффективность синтеза углерода из гелия в звездах основывается на хрупком равновесии между сильным ядерным взаимодействием, связывающим атомные ядра, и электромагнитной силой. И если бы сильное взаимодействие было бы на очень малую долю – всего на несколько процентов – сильнее или слабее, то энергии связи ядер изменились бы, синтез углерода замедлился, и Вселенная оказалась бы лишена углеродной жизни. Это казалось Хойлу настолько странным, что, по его словам, Вселенная выглядит результатом какой-то «подтасовки» – как будто «некий сверхразум взялся озорничать с физикой, а заодно и с химией, и с биологией»⁶.

Но самой загадочной частью «тонкой настройки» Вселенной в пользу жизни выглядит ситуация с темной энергией. Измеренная нами плотность темной энергии крайне низка: в 10-123 раз меньше, чем та, которую многие физики склонны считать ее естественным значением. Но именно эта малость и заставила Вселенную оставаться «нерешительной» примерно восемь миллиардов лет, пока темной энергии не накопилось достаточно, чтобы ускорить расширение Вселенной. Уже в 1987 году Стивен Вайнберг указал, что если бы плотность темной энергии была хоть чуть-чуть больше, составив, скажем, 10-121, а не 10-123, то вызванные ею силы отталкивания были бы выше и подействовали бы раньше – и это опять-таки закрыло бы окно космических возможностей для образования галактик⁷.

Короче говоря, как и подчеркивал Стивен в том нашем первом разговоре, все выглядит так, будто Вселенная каким-то образом специально подготовлена для появления в ней жизни. Знаменитый писатель и физик-теоретик Пол Дэвис имел в виду именно это, говоря о «космическом факторе Златовласки»⁸: «Как “правильная” тарелка с овсянкой в сказке о Златовласке и трех медведях, Вселенная в очень многих отношениях загадочным образом выглядит в точности “правильной” для жизни»⁹. И хоть это вовсе не значит, что космос должен прямо-таки кишеть жизнью, уже сама возможность ее зарождения во Вселенной в результате особенностей «тонкой настройки» доказывает, что эти особенности – не какие-то поверхностные, необязательные свойства мира. Нет, они глубоко встроены в законы физики, имеющие форму математических соотношений. Массы и другие параметры систем частиц, силы, управляющие их взаимодействиями, и даже общая структура Вселенной – все это кажется специально тщательно скроенным для того, чтобы поддерживать некоторую форму жизни. И это отражается в специфическом характере математических уравнений, определяющих то, что физики зовут законами Природы.

Итак, глубочайшая загадка «космологического замысла» состоит в том, что фундаментальные законы физики поразительно благоприятны для возникновения жизни – будто существует скрытый сценарий, в рамках которого в основные законы, управляющие Вселенной, вплетено наше существование. Это кажется невероятным. И это в самом деле невероятно! Что же это за сценарий?

Здесь я должен подчеркнуть всю необычность этой загадки для физиков-теоретиков. Обычно физики используют законы природы, чтобы описать то или иное явление или предсказать исход эксперимента. Кроме того, они пытаются обобщить существующие законы, чтобы объять ими более широкий диапазон природных явлений. Но вопросы о существовании «замысла» уводят нас по совсем другому пути, на котором нам приходится размышлять о природе и глубоком происхождении самих законов и о том, как мы вписываемся в их рамки. Волнующая суть космологии заключается в том, что она обеспечивает научный контекст, в котором мы можем надеяться пролить свет на эту величайшую из всех загадок. Ведь космология – единственная область физики, где мы сами оказываемся неотъемлемой частью задачи, которую пытаемся решить.

Исторически само видимое устройство мира принимается за свидетельство того, что все, что происходит в природе, имеет одну основную цель. Это воззрение восходит к Аристотелю, возможно, самому влиятельному из всех когда-либо живших философов. Глубокий биолог, Аристотель считал, что многие процессы, порождающие и организующие мир живого, кажутся полными умысла и намерения. Если лишенные разума живые организмы имеют жизненную программу, рассуждал он, то должна существовать и Конечная Цель, направляющая развитие космоса как целого. Телеологическая аргументация Аристотеля была убедительной, логичной, дающей надежду, и до некоторой степени подтверждалась эмпирически. Весь мир вокруг нас полон бесконечными примерами достижения целей – от птички, собирающей веточки для постройки гнезда, до пса, роющего землю в саду, чтобы достать кость. И нет ничего удивительного в том, что телеологические взгляды Аристотеля просуществовали, мало кем оспариваемые, почти два тысячелетия.

Однако в XVI столетии на окраине Евразийского континента работы небольшого круга ученых стали началом современной научной революции. Коперник, Декарт, Бэкон, Галилей и их современники подчеркивали, что наши чувства могут нас обманывать. Эти ученые любили употреблять формулу Ignoramus¹⁰, которая буквально значит «мы не знаем». Такой сдвиг парадигмы мышления имел далекоидущие последствия – некоторые считают его вообще самым значимым и влиятельным интеллектуальным преобразованием за те примерно 200 000 лет, в течение которых люди населяют эту планету. Вся его глубина до сих пор еще не раскрыта. Немедленным следствием этого научного прорыва, по крайней мере в ученых кругах, было развенчание глубоко укоренившегося телеологического мировоззрения Аристотеля и замена его идеей рациональных законов, управляющих природой, действующих здесь и сейчас, доступных открытию и пониманию. Глубинная суть современной науки в том, что, признавая свое незнание, мы можем добыть новое знание – экспериментируя, наблюдая, разрабатывая математические модели, которые организуют наши наблюдения в рамках общих теорий и вытекающих из них законов.

Научная революция парадоксальным образом углубила загадку благорасположения Вселенной к жизни. До наступления революции в построенной человеком концепции мироздания можно было найти некоторое единство. Предполагалось, что как одушевленный, так и неодушевленный миры в своем развитии подчинялись всеобъемлющей цели – божественной или нет. Устройство мира виделось как проявление грандиозного космического плана, в котором, естественно, привилегированная роль принадлежала человеку. К примеру, древняя модель мира, построенная александрийским астрономом Птолемеем в его труде «Альмагест», была настолько же геоцентрической, насколько и антропоцентрической.

Но с приходом научной революции фундаментальная природа связи жизни с физической Вселенной стала вызывать недоумение. Это недоумение явственно проявляется и сейчас, спустя почти пять столетий, – проявляется в изумлении перед тем, что полагаемые объективными, безличными, вневременными законы физики почти идеально приспособлены к существованию жизни. Получается, что, успешно устранив старинную дихотомию между небесами и Землей, современная наука создала на ее месте новую непреодолимую линию раздела между мирами живого и неживого и оставила в понимании человеком его места в грандиозной картине космоса грызущую неопределенность.

Лучше представить, как взгляды на онтологию законов природы пришли к своей нынешней форме, нам поможет обращение к самым глубоким корням идеи о существовании таких законов. Самые первые представления о законах, управляющих Природой, возникли в VI веке до н. э. в Милете, на территории нынешней Западной Турции, в ионической школе Фалеса. Милет, самый богатый из городов древнегреческой Ионии, был основан в естественной бухте близ места, где река Меандр впадает в Эгейское море. Живший здесь легендарный мыслитель Фалес, совсем как современные ученые, пытался заглянуть за внешнюю поверхность явлений природного мира, чтобы достичь более глубокого уровня знаний. Ученик Фалеса Анаксимандр создал то, что греки стали называть, «исследование Природы», то есть физику.

Рис. 4. Рельеф, изображающий древнегреческого философа Анаксимандра из Милета. Двадцать шесть столетий назад Анаксимандр заложил основы долгого и извилистого пути научного осмысления мира.

Анаксимандра часто называют отцом космологии. Он первым стал думать о Земле как о планете, гигантском камне, свободно плавающем в пустом пространстве. Он учил, что Земля у нас под ногами не беспредельна и не покоится на гигантских колоннах, но что ее со всех сторон окружает то же самое небо, которое мы видим у себя над головой. Таким образом, Анаксимандр открыл глубину космоса, превратил его из закрытого ларца – ограниченного сверху небесной, а снизу земной твердью – в открытое пространство. Этот принципиальный сдвиг позволил представить небесные тела обращающимися вокруг Земли со всех сторон. Так был проложен путь к древнегреческой астрономии. Анаксимандр написал трактат «О природе», впоследствии утраченный. Однако, как предполагают, в нем содержался следующий стихотворный фрагмент¹¹:

Все предметы происходят друг из друга

и исчезают друг в друге,

следуя необходимости;

Ибо они воздают друг другу справедливость

и возмещают свою несправедливость

Сообразно с велением времени.

В этих нескольких строках Анаксимандра ясно выражена революционная идея: Природа ни самопроизвольна, ни абсурдна, но управляется некоторым видом закона. Это стало основным положением науки: под видимой поверхностью естественных явлений скрывается абстрактный, но самосогласованный порядок.

Анаксимандр не уточнил, какую именно форму могут принимать законы Природы, – он ограничился аналогией с гражданскими законами, регулирующими жизнь человеческих обществ. Но самый известный из его учеников, Пифагор, предложил для мирового порядка математическую основу. Пифагорейцы считали, что числа обладают мистическим значением, и пытались построить весь космос из чисел. Их главную идею – что мир можно описать на языке математики – воспринял и стал отстаивать Платон, который сделал ее одним из устоев своей теории Истины. Мир нашего опыта Платон уподоблял миру теней некоей высшей реальности, определяемой идеальными математическими формами и существующей совершенно отдельно от воспринимаемой нами. Древние греки, таким образом, пришли к мысли, что, хоть мы и неспособны непосредственно ощущать или видеть скрытый мировой порядок, мы можем познать его путем логических умозаключений.

Но какое бы сильное впечатление ни производили на нас умозрительные рассуждения древних о природе, они имеют очень мало общего с современной физикой, и не только по существу, но и по методу и стилю. Прежде всего свои заключения древнегреческие философы основывали почти целиком на почве эстетики и на априорных предположениях, почти не пытаясь – или даже вообще не пытаясь – их как-то проверить. Мысль об этом просто не приходила им в голову. Поэтому их концепция «физики» и системы «законов», лежащей в основе всего сущего, ничем не напоминает современную научную теорию. Стивен Вайнберг в своей последней книге «Объяснить мир» утверждает, что с современной точки зрения древнегреческих мыслителей лучше представлять не как физиков, ученых или даже философов, но как поэтов – настолько фундаментально их методология отличается от того, что сегодня понимается под научной деятельностью. Конечно, и современные физики находят красоту в своих теориях, и большинство из них тоже руководствуется в исследованиях эстетическими соображениями, но эта сторона дела не заменяет процесса проверки правильности теорий посредством экспериментов и наблюдений – именно они в конечном счете и являются ключевым фактором научной революции.

И тем не менее стремление Платона к «математизации» мира оказало невероятно глубокое воздействие. И когда двадцать столетий спустя грянула современная научная революция, ее главные действующие лица вдохновлялись верой в платоновскую программу поиска скрытого порядка, лежащего в основе физического мира и выраженного на языке математических соотношений. «Великую книгу Природы, – писал Галилей, – могут читать только те, кто владеет языком, на котором она написана. И язык этот – математика»¹².

Исаак Ньютон, алхимик, мистик, сложная личность и один из сильнейших математиков, когда-либо живших на Земле, в концентрированном виде представил математический подход к натурфилософии в своих «Началах» – пожалуй, самой важной книге в истории науки. Тому, что Ньютон начал ее писать, способствовала его вынужденная изоляция во время карантина, связанного с эпидемией чумы в 1665 году. Занятия в Кембриджском университете прекратились, и Ньютон, новоиспеченный бакалавр, возвратился в Линкольншир, в окруженный яблоневым садом дом своей матери. Там он размышлял о математическом анализе, гравитации и движении, а еще разложил при помощи призмы белый свет на все цвета радуги. Но лишь в апреле 1686 года Ньютон представил Королевскому обществу для публикации свои «Математические начала натуральной философии», содержащие три закона движения и закон всемирного тяготения. Последний – возможно, самый знаменитый из всех законов природы – утверждает, что сила притяжения, действующая между двумя телами, пропорциональна массам этих тел и уменьшается как квадрат расстояния между ними.

В «Началах» Ньютон показал, что одни и те же универсальные принципы лежат в основе механизмов как мира горнего, так и окружающего нас несовершенного мира человеческого. Эта идея обозначила собой концептуальный и духовный разрыв с прошлым. Иногда говорят, что Ньютон объединил небеса и Землю. Вычислив при помощи горсти математических уравнений движения планет, он привел к общему знаменателю все предыдущие изобразительные описания Солнечной системы – и это означало переход от эры магии к тому, что стало современной физикой. Ньютоновский подход обеспечил формирование генеральной парадигмы, в которую вписалось все последовавшее за этим развитие физики. Древнегреческую «физику» современные физики почти не воспринимают; в ньютоновской физике они чувствуют себя как дома.

Повсеместно упоминаемый пример торжества законов Ньютона – открытие планеты Нептун в 1846 году. И до этого астрономы замечали, что небесный путь Урана немного отклоняется от орбиты, предсказанной на основе ньютоновского закона тяготения. Француз Урбан Леверье, пытаясь объяснить это упрямое расхождение, сделал смелое предположение, что оно вызвано неизвестной планетой, гораздо более далекой, чем Уран, чье гравитационное притяжение слабо, но заметно влияет на траекторию Урана. Применяя законы Ньютона, Леверье сумел предсказать, где именно неизвестная планета должна находиться на небе, чтобы ее присутствие объяснило искажения орбиты Урана, – конечно, при условии, что законы Ньютона верны. И действительно, астрономы вскоре нашли Нептун в пределах одного градуса от точки, на которую указал Леверье. Это стало одним из самых замечательных моментов в истории науки XIX века. Говорили, что Леверье открыл новую планету «на кончике пера»!¹³

Поразительные успехи, подобные этому, достигались на протяжении нескольких столетий, подтверждая, что законы Ньютона представляют собой универсальные окончательные истины. Уже в XVIII веке французский математик Жозеф Луи Лагранж отметил, что Ньютону посчастливилось жить именно в тот уникальный момент человеческой истории, когда открыть законы Природы было возможно – ведь «устройство мира можно открыть лишь однажды». Сам Ньютон, впрочем, прилагал очень мало усилий, чтобы способствовать этому научному мифотворчеству: следуя традициям мистицизма, он видел в элегантной математической форме своих законов лишь проявление божьего промысла.

Именно такая математическая формулировка законов Природы и воплощает то, что сегодняшние физики понимают под словом «теория». Практическая ценность и прогностическая сила физических теорий в том, что они описывают реальный мир абстрактными математическими уравнениями, которыми мы можем манипулировать, чтобы предсказать реальные события, не прибегая к наблюдениям или экспериментам. И это работает! От открытия Нептуна до регистрации гравитационных волн и предсказания новых элементарных частиц и античастиц – опять и опять решения основанных на законах физики математических уравнений пророчат новые и неожиданные природные явления, которые затем действительно наблюдаются. Находясь под глубоким впечатлением от этой предсказательной силы, нобелевский лауреат Поль Дирак, как известно, утверждал, что наиболее перспективный путь развития физики заключается в отыскании самых интересных и красивых математических решений. Математика, говорил он, «ведет тебя за руку к открытию новых физических теорий»¹⁴. Афоризм Дирака взяли на вооружение в своих поисках окончательной «единой теории всего» сегодняшние создатели теории струн – они то и дело поддаются древнему искушению принять математическое совершенство своих теоретических построений за гарантию их истинности. Многие пионеры теории струн отмечали, что теория, обладающая настолько прекрасной математической структурой, просто не может не иметь никакого отношения к Природе.

Однако на более глубоком уровне мы все-таки не очень понимаем, почему теоретическая физика работает так хорошо. Почему Природа следует хитроумной математической программе, действующей под ее наружной видимой поверхностью? Что в действительности означают законы Природы? И почему они принимают именно такую форму? В ответах на эти вопросы большинство физиков-теоретиков продолжают следовать Платону. Они склонны представлять законы физики как вечные математические истины, не просто порожденные нашим разумом, но существующие в абстрактной реальности, которая лежит за пределами физического мира. Например, законы тяготения или квантовой механики обычно рассматриваются как приближения к окончательной теории, которая существует где-то там, в области, которую еще предстоит открыть, а не только у нас в головах. Поэтому, хотя в современную научную эпоху физические законы возникали прежде всего как инструменты для описания отыскиваемых в Природе структур, они с тех самых пор, как Ньютон обнажил их математические корни, обрели собственную жизнь и сами сделались неким видом реальности, заменяющей физический мир.

Для французского ученого-энциклопедиста начала XX столетия Анри Пуанкаре принятие концепции безусловных в платоновом смысле законов было необходимым предварительным условием занятий наукой вообще.

Идея первичных законов Пуанкаре интересна и важна, но одновременно и загадочна. Как именно эти столь удаленные от реальной общественной жизни законы, существующие в своем платоновском мире, объединяются для управления реальной физической Вселенной и управления ею, не говоря уж об их великолепной приспособленности для жизни? Открытие Большого взрыва поставило этот вопрос ребром: он больше не мог рассматриваться как «просто философский». Если Большой взрыв и вправду породил время, то, похоже, надо признать правоту Пуанкаре – ведь если физические законы определяют, как возникла Вселенная, естественно было бы думать, что они должны, по крайней мере в некотором смысле, существовать вне времени. Интересно, что таким образом теория Большого взрыва вводит в сферу физики и космологии то, что раньше было предметом чисто метафизических соображений. Эта теория ставит под вопрос некоторые из наших философских предположений о природе физических законов.

В конечном счете идея, что законы физики каким-то образом выходят за пределы окружающего мира, оставляет вопрос о причине их необыкновенной приспособленности для жизни полностью таинственным. Физики, приверженные этой схеме, могут лишь надеяться, что могучий математический принцип, который станет ядром «окончательной теории всего», однажды объяснит эту загадочную биофильность. Современный платоновский ответ на загадку мироздания, насколько он вообще возможен, заключается в математической необходимости: Вселенная такова, какова она есть, потому что у Природы нет выбора. Это почти что древняя аристотелева Конечная Причина в одежде современной теоретической физики. Больше того, даже оставляя в стороне тот факт, что «окончательная теория» остается несбыточной мечтой, надо признать, что даже если бы такой мощный математический принцип и был когда-нибудь найден, это вряд ли помогло бы понять, почему Вселенная оказалась настолько благосклонна к жизни. Никакая платоническая истина не смогла бы перекинуть мост через открытую на заре современной науки пропасть между миром неживого и миром живого. Нам пришлось бы заключить, что жизнь и разум – лишь счастливые совпадения, случившиеся в полностью безличной, совершенной математической реальности, и это мало продвинуло бы нас к пониманию причин такого совпадения.

Хотя опору на платоновскую идею высшего замысла в физике и космологии нельзя с порога назвать неверной, биологи, начиная с Дарвина, пришли к этой же идее по отношению к миру живого радикально иным путем.

В биологическом мире целенаправленные процессы и видимые признаки целенаправленного замысла проявляются повсеместно. Именно это, конечно, прежде всего и легло в основу телеологических взглядов Аристотеля на природу. Живые организмы устроены фантастически сложно. Даже в отдельной живой клетке содержится разнообразный набор молекулярных компонентов, прекрасным образом соединившихся для выполнения ее многочисленных функций. В организмах большего размера огромное количество клеток работают вместе как слаженный оркестр и образуют хитроумные целенаправленные структуры – к примеру, глаз или мозг. До Чарльза Дарвина люди не могли понять, как физические и химические процессы могли сами по себе создать системы такой ошеломляющей сложности – чтобы это объяснить, приходилось предполагать присутствие Создателя. В XVIII столетии английский священник Уильям Пейли уподоблял чудесную слаженность мира жизни работе часового механизма. Как и в часах, утверждал Пейли, в биологическом мире признаки замысла, конструкции слишком сильны, чтобы их можно было не замечать. «Творение должно иметь Творца»¹⁵. Однако дарвиновская теория эволюции, сломавшая старую парадигму, решительно устранила телеологическое мышление из биологии. Глубочайшая идея Дарвина заключалась в том, что биологическая эволюция – естественный процесс и что видимая гармония и целесообразность живых организмов могут объясняться действием простых механизмов случайных изменений и естественного отбора. Необходимость в привлечении Творца отпала.

На Галапагосских островах Дарвин обнаружил множество разновидностей вьюрков – мелких птичек, отличавшихся друг от друга размером и формой клювов. У вьюрков, живших в траве, были сильные клювы, удобные для щелканья орехов и дробления семян, тогда как у древесных вьюрков – заостренные острые клювы, хорошо приспособленные для вытаскивания насекомых из-под коры. Эти и другие данные, собранные Дарвином в путешествии, позволили ему предположить, что связанные между собой разновидности вьюрков эволюционировали со временем так, чтобы более эффективно использовать доступные ресурсы в их экологических нишах. В 1837 году, по свежим впечатлениям от своего плавания на Галапагосские острова на корабле «Бигль», Дарвин сделал в одной из своих красных записных книжек набросок дерева с хаотически расположенными ветвями. В этом наброске, напоминающем генеалогическое древо какого-нибудь древнего рода, отразилась суть глубокой и плодотворной теории ученого: все живое на Земле связано и произошло от единого общего предка – символизируемого стволом древа – посредством постепенного и пошагового процесса селекции под влиянием окружающей среды, действующего на случайно мутирующие репликаторы (см. рис. 4 на вклейке).

Ключевая идея дарвинизма состоит в том, что Природа не «заглядывает вперед» – она не предвосхищает того, что может впоследствии понадобиться для выживания. Напротив, любые тренды, такие как изменение формы клюва или постепенный рост длины шеи у жирафов, вызываются давлением отбора под воздействием окружающей среды; оно, это давление, действует на протяжении длительных периодов времени, усиливая полезные свойства.

«Есть величие в воззрении, – напишет Дарвин более двадцати лет спустя, – по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и, между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм»¹⁶.

Дарвинизм опрокинул аргумент Пейли с часовщиком, продемонстрировав, что этим часам швейцарский часовщик не требуется. Учение Дарвина дало подробное эволюционное описание живого мира, согласно которому его видимая упорядоченность и законы, которым он подчиняется, понимаются как развивающиеся свойства естественных процессов, а не как результат сверхъестественного акта творения.

Однако, несмотря на их красоту и величие, биологические законы часто воспринимаются как чуть менее фундаментальные, чем законы физики. Возникающие структурные закономерности могут быть устойчивыми, но никому не приходит в голову считать их вечными. Более того, детерминизм и предсказуемость в биологии сыграли гораздо менее принципиальную роль. Ньютоновские законы движения детерминистские: они позволяют физикам предсказывать положения объектов на любой момент будущего по их положениям и скоростям на сегодняшний день (или на любой момент прошлого). В дарвиновской схеме случайность мутаций в живых системах означает, что почти ничего нельзя предопределить наперед – даже новые законы, которые однажды могут возникнуть. Недостаток детерминизма придает биологии сильный ретроактивный оттенок. Мы можем понять смысл биологической эволюции, только глядя на нее ретроспективно, обернувшись в прошлое. Теория Дарвина не входит в подробности реального эволюционного пути от самых ранних проявлений жизни до сегодняшней разнообразной и сложной биосферы. Она не предсказывает строения древа жизни, так как это не было – и не могло быть – ее целью. Гений Дарвина проявился в том, как он очертил основные организационные принципы эволюции. Заполнение исторической летописи жизни досталось на долю филогенетики и палеонтологии. Другими словами, дарвиновская теория эволюции констатирует, что жизнь есть совместный продукт неких закономерностей и конкретной истории. Ценность этой теории заключается в том, что она позволяет ученым ретроспективно конструировать древо жизни, исходя из наших сегодняшних наблюдений за биосферой и из гипотезы общего происхождения.

Яркий пример такого подхода дают нам дарвиновские вьюрки. Если бы Дарвину вздумалось провести логическую цепочку из прошлого в будущее и на основе знаний о химической среде добиологической Земли попытаться предсказать, какие появятся новые виды галапагосских вьюрков, он потерпел бы полное поражение. Существование вьюрков или любых других особей, населяющих нашу планету, не может быть выведено только на основе законов физики и химии – потому что каждое ветвление, происходящее в процессе биологической эволюции, включает в себя элемент случайности. Некоторым случайным исходам обстоятельства, складывающиеся в окружающей среде, благоприятствуют, и такие исходы «замораживаются», часто с драматическими последствиями. Такие «замороженные» случайности помогают определить характер последующей эволюции и могут даже принимать форму новых биологических законов. Законы наследственности Менделя, например, связаны с исходом коллективных ветвлений при половом размножении организмов.

На рис. 5 я привожу современную версию филогенетического древа жизни, основанную на анализе последовательности рибосомной РНК. Диаграмма изображает три домена – бактерии, археи и эвкариоты – и их общего предка, лежащего в корне древа. Всё на древе жизни, начиная с молекулярной основы и заканчивая разновидностями вьюрков, вобрало в себя сложную свертку миллиардов лет химического и биологического «экспериментирования». Это и делает биологию наукой преимущественно ретроспективной. Эволюционный биолог Стивен Джей Гулд выразился так: «Если мы перемотаем историю жизни к ее началу и проиграем эту пленку еще раз, все виды живых существ, строение организмов и фенотипы, которые образуются в результате эволюции, могут оказаться совершенно другими»¹⁷.

Рис. 5. Древо жизни, изображающее три биологических домена.

В основе древа – универсальный общий предок (Last Universal Common Ancestor – LUCA), последняя по времени популяция организмов, от которой произошли все существующие на Земле формы жизни.

Недостаток детерминизма, свойственный биологической эволюции, распространяется и на другие уровни истории, от абиогенеза до истории человечества. Подобно Дарвину, историки, объясняя случайные изгибы и повороты истории, проводят различие между описанием того, «как» что-либо произошло, и объяснением того, «почему» это произошло. Описывая «как», историки рассуждают ретроспективно, как и биологи – реконструируют ряды конкретных событий, которые ведут от некоторой исходной точки к данному исходу. Однако, объясняя «почему», мы должны думать как физики – пробиваться сквозь время, чтобы идентифицировать причинные, детерминистские связи, при помощи которых можно предсказать выбор одного конкретного исторического пути из всех остальных. Поверхностное прочтение истории часто грешит предложением причинного детерминистского объяснения тому, почему события произошли именно так, а не иначе. Но более тщательный анализ обычно выявляет хитроумное переплетение соперничающих сил и взаимодействий; они вместе с огромным числом сопутствующих случайностей и приводят к выбору пути, который часто очень далек от естественного, и уж конечно не был неизбежен. Это и заставляет нас описывать «как», а не «почему».

Из окна моего кабинета я вижу лес, расположенный несколькими милями южнее поля битвы при Ватерлоо. 17 июня 1815 года, накануне главного сражения, Наполеон Бонапарт приказал одному из своих генералов, Эмманюэлю де Груши, преследовать прусскую армию, чтобы не дать ей соединиться с союзными силами англичан, занимавших позиции дальше к северу. Исполняя приказание, Груши двинулся на северо-восток с изрядной частью французских войск, но пруссаков не нашел. На следующее утро он услышал – из леса, который я сейчас вижу, сидя за рабочим столом, – отдаленный грохот французских орудий и понял, что сражение началось. Несколько критических минут он колебался, размышляя, не следует ли ему нарушить приказ императора и повернуть обратно, на помощь своим. Но он решил – наперекор судьбе – продолжать двигаться туда, где по его представлениям находилась прусская армия. Решение, принятое Груши в тот момент, – типичный «замороженный случай»; он не просто повлиял на исход сражения, но и оказал воздействие на весь ход европейской истории.

Или возьмем другой пример: установление христианства в Римской империи в IV веке н. э. Когда император Константин взошел на трон в 306 году, христианство было всего-навсего малопримечательной сектой, борющейся за влияние с дюжиной других провинциальных культов. Почему же именно христианство завоевало Римскую империю и стало мировой религией? Историк Юваль Харари в своей книге Sapiens утверждает, что причинного объяснения этому нет и что доминирующую роль христианства в Западной Европе лучше всего рассматривать как еще один «замороженный случай». Откликаясь на мысли Гулда, относящиеся к биологии, Харари пишет: «Если бы мы могли перематывать историю назад, как кинопленку, и переиграть IV век раз сто, мы бы увидели, что христианство завоюет Римскую империю всего пару-тройку раз». Но этот «замороженный случай» имел далекоидущие последствия: монотеизм способствовал вере в Бога-творца, создателя рационального плана Вселенной. Поэтому неудивительно, что, когда двадцать веков спустя в христианской Европе наконец возникла современная наука, первые ученые воспринимали свои исследования как вид религиозных исканий, готовящих почву для решения загадки «плана мироздания» – загадки, которую мы все еще пытаемся разгадать.

ОБЪЯСНЯЯ «ПОЧЕМУ», МЫ ДОЛЖНЫ ДУМАТЬ КАК ФИЗИКИ – ПРОБИВАТЬСЯ СКВОЗЬ ВРЕМЯ, ЧТОБЫ ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ ПРИЧИННЫЕ, ДЕТЕРМИНИСТСКИЕ СВЯЗИ, ПРИ ПОМОЩИ КОТОРЫХ МОЖНО ПРЕДСКАЗАТЬ ВЫБОР ОДНОГО КОНКРЕТНОГО ИСТОРИЧЕСКОГО ПУТИ ИЗ ВСЕХ ОСТАЛЬНЫХ.

Вообще говоря, мириады путей, широко открывающихся с любой точки истории – как истории человечества, так и биологической или астрофизической эволюции, – говорят о том, что детерминистские объяснения работают только на очень грубом уровне. На любой стадии эволюции детерминизм и причинность формируют лишь наиболее общие структурные тренды и особенности, часто обусловленные законами, действующими на более низком уровне сложности. Полная неожиданных изгибов и поворотов история человечества, например, до сих пор в основном разыгрывалась в пределах планеты Земля – не считая нескольких кратковременных контактов посредством космических аппаратов с другими телами Солнечной системы. Это неудивительно – и значит, вполне предсказуемо; ведь человечество существует в определенной физической и геологической среде. Но этот факт не скажет нам ничего об особенностях какой-либо конкретной исторической эпохи.

Подобным же образом порядок расположения химических элементов и структура Периодической таблицы Менделеева, в сущности, жестко определяются законами физики частиц на более фундаментальном уровне. Но конкретные обилия этих элементов на Земле определяются бесчисленными случайностями геологического развития в том или ином месте.

На биологическом уровне вся жизнь на Земле основана на молекулах ДНК, а гены состоят из четырех нуклеотидов, обозначаемых A, C, G и T. Конкретный состав «строительных кирпичиков» молекулы ДНК, вероятно, является случайным исходом абиогенеза на нашей планете. Но базовая способность к вычислениям, которой жизнь должна овладеть, чтобы поддерживать свое существование, лежит на более глубоком уровне. Исходя из еще более глубоких математических и физических принципов, она вполне может определять широкие структурные свойства молекулярного переносчика генетической информации. Это подтверждается теоретическими работами по конструированию самовоспроизводящихся автоматов, выполненными в 1948 году американским математиком венгерского происхождения Джоном фон Нейманом. За пять лет до открытия Уотсоном и Криком структуры ДНК фон Нейман идентифицировал критические вычислительные задачи, которые жизнь должна решить для обеспечения своего существования, и определил сложно устpoенную структуру – по всей видимости, единственно возможную, – обладающую способностью самовоспроизводства. Очерченная им структура мгновенно распознается как ДНК.

Эволюция постоянно создает гигантскую цепь «замороженных случаев». Низкие уровни сложности задают среду существования более высоких уровней эволюции. Но при этом все равно остается столько места для неожиданных поворотов и скачков, что часто реализуются самые невероятные ответвления – и детерминизм терпит крах. Случайные исходы бесчисленных событий ветвления вносят в ход эволюции элемент принципиальной непредсказуемости. Они несут с собой огромное количество структурных и информационных изменений, не выводимых из законов более низкого уровня, и на более высоких уровнях эти изменения могут создавать – и часто создают – новые имеющие вид законов соответствия. Например, хотя сегодня ни один серьезный ученый не верит в существование в биологии особых «жизненных сил», не имеющих какого бы то ни было физико-химического происхождения, физика сама по себе все же не определяет действующие на Земле биологические законы.

• • •

Всего через восемнадцать дней после того, как 24 ноября 1859 года был опубликован капитальный труд «О происхождении видов», Чарльз Дарвин получил письмо от астронома сэра Джона Фредерика Уильяма Гершеля. Сын открывателя Урана выразил свой скептицизм по поводу произвольности дарвиновской картины эволюции – по его выражению, книга Дарвина провозглашает «закон тяп-ляп (the law of higgledy-piggledy)»¹⁸. Но в этом-то и сила! Красота теории Дарвина в том, что она предлагает в качестве силы, которая управляет миром живого, синтез состязающихся друг с другом сил случайных изменений и отбора под влиянием окружающей среды. Дарвин нащупал в биологии золотую середину между «почему» и «как», объединив в гармоничную схему причинные объяснения с индуктивной логикой. Он показал, что, несмотря на свою изначально историческую и случайную природу, биология может быть доказательной и плодотворной наукой, которая углубляет наше понимание мира живого.

Дарвинизм продолжил научную революцию. Он распространил ее на единственную область знаний, в которой телеологическая точка зрения казалась незыблемой, – на мир живого. Но мировоззрение, которое излучает дарвинизм, полярно противоположно тому, на котором основана фундаментальная физика. Это особенно ярко проявляется в их радикально противоположном подходе к загадке «мирового замысла». В то время как дарвинизм предлагает насквозь эволюционное понимание видимого строения мира живого, физика и космология для объяснения возможности перехода от неживого к живому обращаются в первую очередь к природе вневременных математических законов. Как специалисты в области наук о жизни, так и физики часто противопоставляют «тяп-ляп»-схему дарвиновской эволюции – жесткости и незыблемости законов физики. Считается, что на глубинном уровне физикой управляют не история и эволюция, но вневременная и вечная математическая красота. Грандиозное достижение Леметра – понимание того, что Вселенная расширяется, – конечно, внесло в космологию сильный эволюционный мотив. Но на более глубоком уровне, там, где дело касается «загадки замысла», оказывается, что схемы Леметра и Дарвина (на вклейке – рис. 3 и 4, соответственно) транслируют фундаментально различные мировоззрения. Эта глубочайшая концептуальная пропасть разделяла биологию и физику с самого начала научной революции.

Перекинуть мост через эту пропасть Стивен стремился с самых первых своих шагов в науке. Но реальная исследовательская программа достижения этой цели у него выкристаллизовалась только к концу XX века, когда бо́льшая часть его усилий оказалась направлена на решение загадки «космического замысла». Он задумал ни больше ни меньше, чем попытаться взорвать космологию изнутри.

Вспомним эти золотые годы. Неожиданное экспериментальное открытие ускорения расширения Вселенной, казалось, откликалось на столь же ошеломляющие теоретические результаты, из которых следовало, что законы физики, возможно, вовсе не похожи на скрижали, навечно высеченные в камне. Росло число свидетельств того, что по крайней мере некоторые особенности физических законов, возможно, являются не математически необходимыми, а случайными, отражающими конкретный характер остывания этой Вселенной после горячего Большого взрыва. Из исследований элементарных частиц, основных видов взаимодействий, количества темной энергии становилось очевидно, что многие из дружественных жизни свойств Вселенной, возможно, не были изначально заложены в ней при рождении, как клеймо изготовителя, а сохранились со времен ее ранней эволюции, а корни их глубоко спрятаны в глубинах Большого взрыва.

Вскоре у теоретиков, разрабатывающих теорию струн, начала вырисовываться пестрая картина мультивселенной – гигантского раздувающегося пространства, содержащего лоскутную мозаику островных вселенных, каждая со своей собственной физикой. Это привело к кардинальному изменению угла зрения, под которым рассматривалась «тонкая настройка» космоса. Вместо того чтобы оплакивать расставание с мечтой о единой и окончательной теории, которая предсказала бы, каким должен быть мир, сторонники идеи мультивселенной пытались превратить эту досадную неудачу в победу, преобразуя космологию в науку об окружающей среде (даром, что эта среда оказывалась уж очень обширной!) Один из этих теоретиков уподобил локальный характер физических законов в мультивселенной погоде на Восточном побережье США: «Умопомрачительно непостоянная, почти всегда ужасная, но в редких случаях – просто чудесная»¹⁹.

Мы можем почувствовать масштаб этой перемены на примере из истории науки. В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер предложил модель Солнечной системы, проистекающую из античного учения Платона об основных геометрических телах – пяти правильных многогранниках, начиная со всем известного куба. Кеплер представил себе, что приблизительно круговые орбиты шести известных тогда планет проходят по невидимым сферам, обращающимся вокруг Солнца. Затем он высказал следующую гипотезу: относительные размеры этих сфер продиктованы условием, что каждая такая сфера, кроме самой внешней из них, сферы Сатурна, вписана в один из этих пяти многогранников, и каждая сфера, кроме самой внутренней, сферы Меркурия, описана вокруг одного из них²⁰. Рис. 6 воспроизводит чертеж, которым Кеплер иллюстрирует эту конфигурацию. Когда Кеплер поместил эти пять геометрических тел в правильном порядке, причем все они оказались точно вписаны друг в друга, он обнаружил, что вложенные в них сферы можно разместить на интервалах, соответствующих расстояниям планет от Солнца, причем Сатурн будет двигаться по сфере, описанной вокруг самого внешнего из многогранников, и не будет никаких зазоров для изменения относительных радиусов сфер. На основе своей схемы он предсказал общее количество планет – шесть, – а также относительные размеры их орбит. Для Кеплера число планет и их расстояния от Солнца были проявлением глубокой математической симметрии Природы. Его труд Mysterium Cosmographicum представляет собой попытку на деле согласовать древнюю мечту Платона о гармонии сфер с установившимся в XVI столетии пониманием, что планеты обращаются вокруг Солнца.

Во времена Кеплера Солнечную систему в целом рассматривали как аналог всей Вселенной. Никто тогда не знал, что звезды – это солнца со своими планетными системами. Поэтому было вполне естественно предполагать, что планетные орбиты играли во Вселенной фундаментальную роль. Сегодня мы знаем, что количество планет в Солнечной системе или их расстояния от Солнца не имеют никакого глубокого значения. Мы понимаем, что набор планет Солнечной системы не уникален и даже не представляет собой какого-то специфического частного случая, а просто является случайным исходом истории образования Солнечной системы из завихрений газопылевой туманности, вращающейся вокруг прото-Солнца. За последние три десятилетия астрономы наблюдали тысячи планетных систем с широким диапазоном различных орбитальных конфигураций. У некоторых звезд есть планеты размером с Юпитер и периодами обращения в несколько дней, у других три или даже больше потенциально пригодных для обитания землеподобных планет; на планетах в системах двойных звезд должны наблюдаться случаи причудливой хаотической смены дня и ночи; есть и множество других странностей.

Если мы действительно живем в мультивселенной, то законы физики в нашей конкретной Вселенной играли бы ту же роль, что и орбиты планет в кеплеровской модели Солнечной системы. Напрасно было бы идти по стопам Кеплера и искать более глубокого объяснения «тонкой настройки», которая порождает жизнь. В мультивселенной наблюдаемые особенности локальных законов, благоприятствующие жизни, были бы лишь результатом случайных процессов, разыгрывавшихся в ходе Большого взрыва, который породил нашу конкретную островную Вселенную. Сторонники мультивселенной утверждают, что современные последователи Платона глядят не туда. Не глубинная математическая истина обуславливает благоустроенность Вселенной для жизни, говорят они, а просто отличная местная космическая погода. Любая попытка увидеть за этим великий космический замысел – иллюзия.

Рис. 6. В первом из своих главных астрономических трудов, Mysterium Cosmographicum («Космографическая тайна»), Иоганн Кеплер предложил платоновскую модель Солнечной системы, связывавшую размеры круговых планетных орбит с пятью правильными многогранниками. На чертеже Кеплера ясно видны четыре планетных сферы, а также додекаэдр, тетраэдр и куб.

Но в такой логике таится одна проблема, которая приобретет первостепенную важность, когда я перейду к обсуждению сути последней теории Хокинга: сама мультивселенная есть платоновский конструкт. Космология мультивселенной постулирует существование некоего вида вечных метазаконов, управляющих всем. Но эти метазаконы не уточняют, в какой именно из многих вселенных должны находиться мы. В этом и заключается проблема: ведь без правила или принципа, который связывает метазаконы мультивселенной с локальными законами нашей островной Вселенной, теория неминуемо попадает в спираль парадоксов, где никаких проверяемых предсказаний быть не может. Космология мультивселенной фундаментальным образом недоопределена и неоднозначна. В ней недостает ключевой информации о нашем местонахождении в этой сумасшедшей космической мозаике, а значит, она не может нам сказать, какого рода Вселенную мы должны видеть вокруг себя. Мультивселенная оказывается чем-то вроде дебетовой карты без пин-кода или, что еще хуже, шкафом из IKEA, к которому не приложена инструкция для сборки. В самом глубоком смысле эта теория неспособна объяснить нам, кто мы такие в этом космосе и почему мы здесь.

Однако ее адепты сдаваться не собирались. Они предложили способ устранить этот дефект – предложение столь радикальное, что оно встряхнуло все научное сообщество и шум вокруг него до сих пор не может улечься. Это – антропный принцип.

Антропный принцип пришел в космологию в 1973 году. Астрофизик Брендон Картер, который учился в Кембридже одновременно со Стивеном, выдвинул этот принцип на конференции памяти Коперника в Кракове. Это стало забавным историческим курьезом: ведь именно Коперник в XVI веке сделал первые шаги к устранению человечества с главенствующей позиции в космосе²¹. Теперь, через четыре с лишним столетия, Картер согласился с Коперником: мы, люди, далеко не главный элемент космического устройства. Но все же, рассуждал он, не можем ли мы ошибаться, если предполагаем, что мы не представляем собой чего-либо особенного хоть в каком-нибудь отношении – в частности там, где дело касается наших наблюдений космоса? Возможно, мы находим Вселенную такой, какой она есть, именно потому, что в ней есть мы?

В словах Картера был смысл. Конечно, мы не могли бы ничего наблюдать там и тогда, где и когда нас бы не было. Еще в 1930-х такие ученые, как Леметр и американский астрофизик Роберт Дикке, размышляли о том, какие свойства понадобились бы Вселенной, чтобы она могла поддерживать существование разумных организмов. К примеру, формы жизни, разумной или нет, основываются на углероде, образующемся в ходе термоядерного горения в недрах звезд, а этот процесс требует миллиардов лет. Но расширяющаяся Вселенная не сможет обеспечить звезде миллиардов лет времени, если она не простирается на миллиарды световых лет в пространстве. Следовательно, заключали Леметр и Дикке, мы не должны удивляться тому, что живем в старой и большой Вселенной. В историях расширяющихся вселенных есть предпочтительный период, на протяжении которого сделанные из углерода астрономы могут заниматься своим делом, и это с необходимостью определяет, что именно они могут увидеть. Такие выводы не слишком отличаются от тех, к которым мы приходим, когда учитываем влияние наблюдательной селекции в ежедневных ситуациях. Но Картер пошел дальше – гораздо дальше. Он предположил, что селекция играет роль не только внутри одной Вселенной – нашей, – но и во всей мультивселенной. Он предположил, что в ней работает антропный принцип – правило, находящееся выше и за пределами безличных метазаконов, управляющих мультивселенной. Это правило воплощает оптимальные космические условия, которые требуются для жизни, и «действует» так, чтобы выбрать, в какой из множества вселенных мы должны оказаться.

ВОЗМОЖНО, МЫ НАХОДИМ ВСЕЛЕННУЮ ТАКОЙ, КАКАЯ ОНА ЕСТЬ, ИМЕННО ПОТОМУ, ЧТО В НЕЙ ЕСТЬ МЫ?

Это было действительно радикальное предположение. Остроумным маневром снова ставя жизнь в привилегированную позицию, делая ее центральным пунктом объяснения Вселенной, антропный принцип Картера как бы возвращает нас на пять столетий обратно, в докоперниканскую эпоху. Постулируя определенное предпочтительное положение вещей, которое включает существование жизни, разума или сознания, этот принцип на свой особый манер заигрывает с телеологией – аристотелевым взглядом, который научная революция давно уже успешно преодолела (или нам так казалось).

Поэтому неудивительно, что, когда в 1973 году Картер впервые выдвинул свой космологический антропный принцип, а теоретические доказательства реальности мультивселенной были в лучшем случае отрывочными, его неясные фантазии отвергли как откровенную чушь. Но когда на самом закате XX века ситуация в космологии резко изменилась и теории мультивселенной вдруг обрели популярность, картеровское антропное мышление возродилось. За него ухватились, чтобы определить и классифицировать наше место в гигантской космической мозаике. Антропный принцип стал рассматриваться как Пин-код, который преобразовывал теорию мультивселенной из абстрактной платоновой доктрины в стройную физическую теорию, способную дать реальное объяснение мира.

Фанаты мультивселенной объявили, что они нашли вторую возможную разгадку тайны «замысла Вселенной» – если считать первой просто совпадение, удачное следствие глубокого, но (пока) таинственного математического принципа, лежащего в самой сердцевине всего сущего. Новый ответ из области космологии антропной мультивселенной был таким: то, что кажется замыслом, есть свойство нашего локального космического окружения. Мы населяем редкую дружелюбную к жизни область в огромной космической мозаике островных вселенных, выделенную на основе антропного принципа. Восторг, вызванный этим заявлением, был безграничен. «Мы вместе, Вселенная и мы, – провозгласил Андрей Линде. – Я не могу представить последовательной теории Вселенной, которая игнорирует жизнь и сознание»²². В своей книге «Космический ландшафт» известный своей категоричностью струнный теоретик Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (чьим смелым догадкам можно доверять) объявил тандем из объективных метазаконов, управляющих мультивселенной, в сочетании с субъективным антропным принципом – «новой парадигмой фундаментальной физики». Титан физики частиц Стивен Вайнберг тоже предположил, что антропное мышление предвещает рассвет новой эры в космологии. Озарившая его в конце 1960-х гениальная объединяющая идея о том, что электромагнитные силы и слабое ядерное взаимодействие есть, по сути, одно и то же, легла в основу Стандартной модели физики частиц. Некоторые предсказания Стандартной модели с тех пор были подтверждены с невероятной точностью до не менее четырнадцати знаков после запятой, что превратило ее в наиболее точно проверенную теорию из всех, когда-либо существовавших в физике. Но при всей этой точности Вайнберг чувствовал: чтобы более глубоко понять, почему Стандартная модель принимает ту особую форму, которую она имеет, мы должны дополнить математические принципы ортодоксальной физики принципом совершенно иной природы. «В истории науки большинство прорывов отмечено открытиями явлений природы, – сказал он в своей кембриджской лекции “Живя в мультивселенной”, – но в некоторых поворотных точках мы сделали открытия в самой науке и в том, что мы считаем приемлемым для теории. И, может быть, мы находимся именно в такой поворотной точке… Концепция мультивселенной узаконивает антропное мышление в качестве новой основы физических теорий»²³. Выраженное в этих словах мировоззрение Вайнберга отзывается эхом дуализма. Есть физические законы или метазаконы, и мы открываем их, но они холодны и безличны. Однако кроме них существует антропный принцип, который каким-то присущим ему таинственным путем перебрасывает мост от (мета)законов к воспринимаемому нами физическому миру.

Последовала яростная реакция. За несколько лет антропный принцип сделался вызывающим самые яростные споры положением в теоретической физике. И некоторые в своем неприятии его оказались совершенно бескомпромиссны. «Инфляционная теория сама вырыла себе могилу», – заявил сооткрыватель космологической инфляции Пол Стейнхардт из Принстона. «Это вроде капитуляции», – отрезал нобелевский лауреат Дэвид Гросс из Калифорнийского университета. Остальные думают, что обсуждение нашего места в космосе преждевременно само по себе. «Думать о таких вещах слишком рано»,²⁴ – сказал, выступая перед специалистами по теории струн летом 2019 года, физик-теоретик Нима Аркани-Хамед, вообще-то, известный мечтатель и визионер. Спустя пятьсот лет после начала современной научной революции, которая и посеяла семена дуализма в физике, такое замечание выглядит довольно показательным.

К большому разочарованию Стивена молчаливое большинство теоретиков стыдливо отводили глаза – они терялись в математических дебрях. Они чувствовали – и чувствуют до сих пор, – что глубокий анализ происхождения биофильности Вселенной лежит за пределами их области компетенции. Они предпочитали верить, что эта проблема каким-то образом исчезнет сама собой, как только мы выведем основное уравнение теории струн, управляющее мультивселенной. Как-то раз за чаем в DAMTP Стивен, который никогда не стеснялся «резать правду-матку», пожаловался на это. «Я просто диву даюсь, – сказал он, – как люди (струнные теоретики) могут быть до того зашорены, что не могут серьезно поставить вопрос, как и почему образовалась Вселенная»²⁵. Он был уверен: чтобы пролить свет на «тайну замысла», недостаточно будет просто найти абстрактные математические метазаконы. Поиск единой физической теории был для него неразрывно связан с ответом на вопрос, где в недрах Большого взрыва спрятан ключ к нашему происхождению. Мечта об окончательной теории, настаивал он, не может быть достигнута, если мы рассматриваем ее «просто» как еще одну лабораторную задачу, – она должна быть поставлена в контекст космологической эволюции. И в поисках нового видения Вселенной математика была для Хокинга не госпожой, а служанкой и помощницей. Поэтому он соглашался с адептами антропного принципа в том, что понять природу расположенности Вселенной к жизни очень важно и что плоское следование Платону здесь никак не поможет – требуется сдвиг парадигмы, фундаментальное изменение нашего метода физического познания и исследования Вселенной²⁶. При этом, однако, он все больше проникался скептицизмом в отношении того, что антропное мышление и было тем самым революционным сдвигом. Главная претензия Хокинга к антропному принципу как части новой космологической парадигмы относилась не к его качественной природе – в биологии и других исторических науках полно предсказаний гораздо более качественного характера. Настоящую проблему он видел в том, что антропное мышление ставит основной научный процесс предсказания и фальсифицируемости на слишком зыбкую почву.

Этот процесс широко обсуждался британским философом науки австрийского происхождения Карлом Поппером. Согласно Попперу, науку делает уникально мощным путем приобретения знаний тот факт, что снова и снова, раз за разом ученые достигают консенсуса в результате рациональной аргументации, построенной на доступных нам свидетельствах. Поппер понимал, что истинность научной теории может так никогда и не быть доказана, но любая теория может быть фальсифицирована – что означает, что она может войти в противоречие с экспериментами. Однако – и в этом была ключевая идея Поппера – процесс фальсифицирования становится возможным лишь потому, что на основе необходимых теоретических гипотез должны делаться однозначные предсказания: теперь, если бы нашлись противоречащие этим предсказаниям результаты, стало бы ясно, что по крайней мере одна из основных посылок теории в Природе не существует. Причина, по которой эта ситуация имеет центральное значение для способа функционирования науки, в том, что она, эта ситуация, асимметрична; подтверждение теоретического предсказания поддерживает теорию, хотя и не доказывает ее, в то время как фальсификация предсказания может доказать, что теория ложна. Любая идея может оказаться неверной – эта возможность всегда подстерегает нас в науке, и это существенный элемент научного прогресса.

Но антропный принцип ставит этот процесс под сомнение – личные критерии того, что именно составляет «расположенность к жизни» у Вселенной, вносят в физику субъективный элемент, который подрывает попперовский механизм фальсификации. Ваша антропная точка зрения может соответствовать одному лоскутку мультивселенной, с одним набором законов, а мои антропные симпатии могут подходить к совсем другому ее уголку, где система законов другая и нет никаких объективных критериев, по которым можно было бы определить, кто прав.

Все это очень непохоже на дарвиновскую эволюцию, которая всяческими хитроумными способами избегает чего-то хоть отдаленно напоминающего аналог антропного мышления в применении к биологии. Существует ли вообще внеземная жизнь, не говоря уж о том, как она развивается, для теории Дарвина не играет никакой роли. Не оставляет дарвинизм никакой щелочки и для выделения какого-либо одного вида, будь это Panthera leo, Homo Sapiens или еще кто-то, в привилегированное положение в биологическом мире. Наоборот, дарвинизм уходит корнями в наши отношения с остальным миром живого. Он ставит на первый план взаимосвязь всего со всем. Одно из великих прозрений Дарвина заключалось в том, что Homo Sapiens развивался совместно со всем остальным миром живого. «Мы должны признать, как мне кажется, что человек со всеми его благородными свойствами… по-прежнему несет в своем телесном строении неизгладимую печать его низкого происхождения», – писал он в «Происхождении человека». Как же глубоко отличается этот подход от картеровского антропного принципа в космологии, действующего вне естественной эволюции Вселенной, как будто бы он был каким-то чужеродным дополнением к ней!

В попперовском смысле, если говорить о фальсификации, антропная мультивселенная почти не отличается от космологического учения, развитого в XVII веке немецким энциклопедистом Готфридом Лейбницем. В своем труде «Монадология» Лейбниц предполагает, что существует бесконечно много вселенных, каждая со своим пространством, временем и материей, и что мы живем в лучшем из всех возможных миров, избранном для нас Богом в Его бесконечной благости.

Поэтому вполне понятно, что научное сообщество оказалось в состоянии непрерывного конфликта с антропным принципом, при всех его – хоть и сомнительных – достоинствах. В своей книге «Неприятности с физикой», критикующей теорию струн, американский физик и писатель Ли Смолин особенно подчеркивает, что, «как только нефальсифицируемую теорию предпочитают ее фальсифицируемым альтернативам, научный процесс останавливается и дальнейший рост знаний больше невозможен». Именно это беспокоило и Стивена в нашем первом разговоре в его кабинете – что как только кто-либо принимает антропный принцип, так тут же теряет способность предсказывать, одно из основных завоеваний науки. Мы заходим в тупик. Предполагалось, что антропный принцип должен помочь нам понять, «кто мы такие» в безграничной космической мозаике, и в силу этого послужить мостом, соединяющим абстрактную теорию мультивселенной с опытом наших наблюдений в этой Вселенной. Однако эту задачу не удается решить так, чтобы не нарушить при этом основных принципов научной практики. И космология мультивселенной так и не обретает никакой объясняющей силы.

Рис. 7(а). В августе 2001 года Мартин Рис – он стоит слева от Стивена – устроил в своем загородном доме в Кембридже, в Англии, конференцию для обсуждения преимуществ, если таковые вообще имеются, антропного принципа в фундаментальной физике и космологии. Именно в кулуарах этой конференции Стивен и автор этой книги (в третьем ряду, позади Стивена) начали серьезно обсуждать вопрос о том, как квантовый взгляд на космос мог бы дополнить антропный подход к космологии. На конференцию к Рису съехалось много коллег, которым суждено было сыграть ключевую роль в наших научных странствиях, – среди них Нил Турок (сидит крайний слева), Ли Смолин (сидит крайний справа) и Андрей Линде (стоит крайним справа в среднем ряду). Слева от Линде – Джим Хартл, еле заметный за спиной у Бернарда Карра, потом Хауме Гаррига, Алекс Виленкин и Гэри Гиббонс.

Это приводит нас к интересному наблюдению. В широком смысле с самого начала современной научной революции мы, как это ни удивительно, почти не продвинулись к разгадке происхождения видимого «замысла», лежащего в основе физической реальности. Мы до мельчайших подробностей понимаем сейчас всю историю расширения Вселенной, мы понимаем, как гравитация формирует крупномасштабную структуру Вселенной, мы понимаем тонкости квантового поведения материи до масштабов, значительно меньших размера протона. Но вся эта подробная физическая картина, сама по себе имеющая огромное значение, послужила только для того, чтобы подчеркнуть лежащую более глубоко загадку «замысла». Таинственная природа биофильности Вселенной продолжает вызывать смущение, раскалывая научное сообщество, а за ним и широкую публику. Глубокая концептуальная пропасть продолжает разделять наше понимание мира жизни и представления о физических условиях, которые делают ее существование возможным. Почему математические законы, заложенные в момент Большого взрыва, оказались приспособленными для жизни? И что нам делать с этим фактом? Трещина, разделяющая одушевленный и неодушевленный миры, кажется сейчас глубже, чем когда бы то ни было.

Физики говорят, что мультивселенная ставит нас перед парадоксом. Космология мультивселенной исходит из представления о космической инфляции: очень краткого этапа очень быстрого расширения Вселенной, который она прошла на самых ранних стадиях своего существования. Инфляционная теория уже довольно долго подкрепляется множеством наблюдательных доказательств, но при этом обладает неудобной особенностью: в этой модели создается не одна, но огромное число вселенных. И так как теория не дает нам возможности понять, в какой из них должны находиться мы – этой информации в ней недостает, – она теряет бо́льшую часть своей способности предсказывать, что именно мы должны наблюдать. Это парадокс. С одной стороны, наша лучшая космологическая теория предполагает, что мы живем в мультивселенной. И в то же время идея мультивселенной во многом разрушает предсказательную способность этой теории.

Стивен не впервые оказывался лицом к лицу с парадоксом. Еще в 1977 году он приложил руку к решению подобной загадки в контексте черных дыр. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что почти вся информация о чем бы то ни было, попадающем в черную дыру, навсегда остается скрытой внутри нее. Но Стивен обнаружил, что квантовая теория вносит в эту историю парадоксальный поворот. Он показал, что квантовые процессы вблизи поверхности черной дыры приводят к тому, что она излучает слабый, но устойчивый поток частиц, в том числе и частиц света. Это излучение – теперь его называют излучением Хокинга – слишком слабое, чтобы его можно было зарегистрировать физическими методами, и само его существование оказывается внутренне противоречивым²⁷. Дело в том, что, если черные дыры излучают энергию, они должны съеживаться и в конце концов исчезать. Что же происходит с огромным количеством информации, скрытым внутри черной дыры, когда последний грамм ее массы превращается в излучение? Вычисления Стивена показали, что эта информация будет потеряна навсегда. Черные дыры, утверждал он, это идеальные мусоросборники. Однако такой сценарий противоречит основному принципу квантовой теории, который требует, чтобы в ходе физических процессов информация могла преобразовываться и кодироваться, но никогда бы не могла быть необратимо уничтожена. Мы снова приходим к парадоксу: квантовые процессы заставляют черные дыры излучать и терять информацию, но та же квантовая теория говорит, что это невозможно.

Парадоксы, связанные с жизненным циклом черных дыр и с нашим местом в мультивселенной, стали двумя самыми жгучими и наиболее горячо обсуждаемыми загадками физики последних десятилетий. Так как они имеют прямое отношение к природе и судьбе информации в физике, они попадают в самое сердце любой физической теории. Оба этих парадокса возникают в контексте так называемого полуклассического теоретического описания гравитации, которое впервые предложили Стивен и его кембриджская «банда» в середине 1970-х на стыке классического и квантового подходов. Парадоксы начинают сказываться, когда кто-то применяет такой полуклассический подход либо на слишком длинных временных шкалах (в случае черных дыр), либо на слишком больших расстояниях (в случае мультивселенной). Взятые вместе, они дают самую наглядную на сегодня иллюстрацию глубинных трудностей, которые возникают, когда мы пытаемся заставить две основополагающие физические теории XX века, теорию относительности и теорию квантов, работать в гармонии друг с другом. В этой роли они послужили основой для головокружительных мысленных экспериментов, в рамках которых теоретики проэкстраполировали свое полуклассическое описание гравитации до крайних пределов, чтобы посмотреть, где и как именно оно перестанет работать.

Стивен всегда обожал мысленные эксперименты. Отвергая философию, он любил экспериментировать с некоторыми глубокими философскими вопросами – было ли у времени начало, фундаментально ли понятие причинности и – этот вопрос был самым амбициозным – каким образом мы как «наблюдатели» вписываемся в космическую схему. И делал он это, прибегая к построению хитроумных теоретико-физических экспериментов. Все три великих вклада Стивена в физику были результатом изобретательно задуманных и тщательно спланированных мысленных экспериментов. Первым из них стала его серия теорем о сингулярности Большого взрыва в рамках классической гравитации; вторым – сделанное им в 1974 году в области полуклассической гравитации открытие, что черные дыры излучают; и третьим – «предложение об отсутствии границы» при возникновении Вселенной, также сделанное в рамках полуклассической гравитации.

Можно считать, что парадокс черных дыр представляет только академический интерес – специфические особенности излучения Хокинга вряд ли когда-либо станут доступны наблюдениям. Но парадокс мультивселенной непосредственно основывается на наших космологических наблюдениях. Его суть – сложившиеся в современной космологии напряженные отношения между миром живого и явлением наблюдения с одной стороны и физической Вселенной – с другой. Парадокс мультивселенной стал ориентиром в переосмыслении Хокингом этих отношений путем развития полностью квантового взгляда на космос. Его окончательная теория Вселенной, всецело квантовая, перестраивает основы космологии – и это четвертый великий вклад Хокинга в физику. Подготовка грандиозного мысленного эксперимента, на котором основывается эта теория, в некотором смысле заняла пять столетий. Рассказ о его постановке и выполнении и станет содержанием нашего путешествия.

Рис. 7(b). Стивен (слева) и автор (крайний справа) в 2001 году, вскоре после начала их «научных странствий», в брюссельском баре A La Mort Subite

Глава 2
День, у которого не было «вчера»

Мы можем сравнить пространство-время с открытой конической чашей. Мы движемся вперед во времени, поднимаясь по стенкам к верхней кромке чаши. Мы движемся в пространстве, описывая круги по стенкам. Если мы представим движение вспять во времени, мы достигнем дна чаши. Это первый момент на дне пространства-времени, это «сейчас», у которого нету «вчера», потому что вчера не было пространства.

Жорж Леметр, «Гипотеза первичного атома»

В своем интервью²⁸, переданном по бельгийскому радио в апреле 1957 года по случаю второй годовщины со дня кончины Альберта Эйнштейна, Жорж Леметр вспомнил, как реагировал Эйнштейн, когда он, Леметр, впервые рассказал ему о своем открытии расширения Вселенной. Это было в октябре 1927 года в Брюсселе, в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса по физике, на который съехались самые знаменитые физики всего мира, чтобы обсудить новую квантовую теорию. Тридцатитрехлетний священник и астроном не был участником конгресса – он подошел к Эйнштейну в перерыве между заседаниями. Когда Леметр напомнил Эйнштейну предсказание его общей теории относительности о том, что пространство расширяется и что, следовательно, мы должны наблюдать разбегание галактик, Эйнштейн отмахнулся. «Сделав несколько одобрительных технических замечаний, он закончил разговор, сказав, что с физической точки зрения эта идея кажется ему “отвратной (abominable)”», – вспоминал Леметр.

Но Леметра эти слова не обескуражили. Он относился к своему открытию вполне серьезно. По его мнению, расширение Вселенной означало, что у нее должно было быть начало. Он назвал крошечную крупицу невероятной плотности, в ходе постепенного разрушения которой образовались материя, пространство и время, первичным атомом.

Почему Эйнштейн упорно возражал против идеи начала Вселенной? Он чувствовал, что ее принятие чревато полным разрушением физики. Он считал, что «первичный атом» Леметра или любая другая разновидность Большого взрыва как начала Вселенной станет исходным пунктом для вмешательства Бога в работу Природы. Во время долгих прогулок, которые они вместе совершали в начале 1930-х, Эйнштейн настойчиво убеждал Леметра найти способ избежать идеи «начала всего». «Это слишком сильно напоминает мне христианский догмат о сотворении мира», – говорил он. Ему казалось, что если космологическая теория выдаст Вселенной «свидетельство о рождении», то Вселенной вечно придется хранить молчание о том, кто (или что) в этом свидетельстве указан в качестве родителя, – и тогда придется распроститься с надеждой понять Вселенную на основе одной только науки. И напрасно бельгийский аббат пытался переубедить Эйнштейна, доказывая, что «гипотеза о первичном атоме есть антитезис сверхъестественному сотворению мира»²⁹. В сущности, Леметр видел в происхождении Вселенной чудесную возможность расширить сферу применения естественных наук.

Схватка «Эйнштейн против Леметра» во многом предвосхитила схватку «Линде против Хокинга», которая случилась семьдесят лет спустя. Их споры о первопричине расширения Вселенной упираются в самую сердцевину тайны ее «замысла». Что же имел в виду Леметр, когда говорил о Большом взрыве как об «антитезисе сверхъестественному сотворению мира»? Чтобы понять это, нам придется поближе познакомиться с идеями Эйнштейна и Леметра.

Теоретические основания современной космологии заложены эйнштейновской теорией относительности. Эта история возвращает нас к началу XX столетия, ко времени, когда физики располагали ньютоновскими законами гравитации и движения, а еще разработанной Джеймсом Максвеллом теорией электричества, магнетизма и света. Вместе с теорией теплоты все это послужило основой первой промышленной революции. Мировоззрение, выросшее из этих физических теорий XIX века, соответствовало нашему интуитивному представлению о реальности, в том числе о частицах и полях, распространяющихся в фиксированном пространстве в рамках единого универсального времени – этакого космического Биг-Бена. Естественно, поэтому физики считали, что они располагают исчерпывающим описанием Природы и что физика скоро будет завершена.

Однако в 1900 году ирландско-шотландский физик Уильям Томсон, больше известный как лорд Кельвин, один из гигантов классической физики XIX столетия, заметил «на горизонте две тучки»³⁰. Одна из этих «тучек», как определил Кельвин, имела отношение к движению света сквозь эфир, другая – к количеству излучения, которое испускают нагретые объекты. Большинство физиков все же полагали, что с этими мелкими деталями нетрудно будет разобраться, а стройное здание физической теории непоколебимо.

И вот в течение одного десятилетия это здание рухнуло. Попытка разобраться с отмеченными Кельвином «мелочами» привела к двум полномасштабным научным революциям – к появлению теории относительности и квантовой механики. Больше того, каждая из этих революций указала физике радикально отличающиеся друг от друга направления. И в результате сегодня над передним краем физики нависает другая туча: проблема согласования теорий, описывающих макро- и микромир.

Как именно вопрос о свете опрокинул здание физики XIX века? Все дело в его скорости. Тщательно поставленные эксперименты показали, что свет всегда движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду, безотносительно к движению наблюдателя относительно источника светового луча. Ясно, что это не согласуется с ежедневным опытом: если вы едете в поезде, то, конечно, его скорость, измеренная вами изнутри (нулевая), будет отличаться от скорости поезда, измеренной наблюдателем, неподвижно стоящим на перроне. Это шло вразрез и со всем физическим мышлением XIX века. Считалось, что световые волны переносятся эфиром, таинственной средой, заполняющей все пространство. Будь это так, для наблюдателей, движущихся относительно эфира с разными скоростями, световые волны тоже распространялись бы с разной скоростью. Но эксперименты говорили об обратном! Этого было достаточно, чтобы Альберт Эйнштейн, клерк швейцарского патентного бюро, усомнился в существовании эфира. Эйнштейн понял, что, если свет всегда имеет одну и ту же наблюдаемую скорость, значит, у наблюдателей, движущихся друг относительно друга, должны быть разные представления о расстоянии и времени. В конце концов, скорость есть мера пройденного расстояния, деленная на продолжительность движения. Согласно Эйнштейну, каждый из нас носит с собой свои собственные часы, не сверяя их по космическому Биг-Бену – и, хотя все они могут быть идеально точными, когда мы движемся друг относительно друга, тикают они с несколько разной частотой и измеряют время, прошедшее между одними и теми же двумя событиями, по-разному. То же самое и с расстояниями: линейка одного наблюдателя может отличаться от линейки другого. Так что просто не существует универсальных мер длительности и расстояния. Это и было основной идеей опубликованной Эйнштейном в 1905 году специальной теории относительности. Само слово «относительность» здесь выражает именно ту революционную идею, что понятия пространства, времени и одновременности не являются объективными, но всегда связаны с точкой зрения данного наблюдателя.

Вы можете спросить, куда же девается разность расстояний, измеренных одним наблюдателем относительно другого. Просто исчезает? Не совсем. Она переходит в количество времени. Дело в том, что в эйнштейновской релятивистской Вселенной движение в пространстве смешивается с движением во времени. Когда я смотрю на припаркованное спортивное авто моей сестры, я вижу, что оно движется только во времени. Но когда сестра выезжает со стоянки, крохотная часть движения ее машины во времени переходит в движение в пространстве. И это замедляет движение машины во времени: часы сестры теперь идут чуть медленнее моих. Это, конечно, не делает ее похожей на героиню лимерика, которая, уехав сегодня, вернулась домой вчера³¹, но все-таки, когда она снова приедет на стоянку, ее часы немного разойдутся с моими. Максимальная скорость достигается, когда движение во времени полностью обращается в движение в пространстве. Это скорость света – космический предел скорости. Грубо говоря, движение в пространстве со скоростью света не оставляет возможности двигаться во времени. Если бы у частицы света были наручные часы, они бы не тикали.

ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА РАЗРУШИЛА ГЛУБОКО УКОРЕНИВШИЙСЯ НЬЮТОНОВСКИЙ ВЗГЛЯД НА МИР, ГДЕ ПРОСТРАНСТВО БЫЛО ФИКСИРОВАННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СЦЕНОЙ, НА КОТОРОЙ РАЗЫГРЫВАЛИСЬ СОБЫТИЯ, А ВРЕМЯ – УНИВЕРСАЛЬНОЙ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ СТРЕЛОЙ, УСТОЙЧИВО И РАВНОМЕРНО ДВИГАЮЩЕЙСЯ ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО ПРОШЛОГО В БЕСКОНЕЧНОЕ БУДУЩЕЕ.

Вооруженная этими представлениями, теория Эйнштейна разрушила глубоко укоренившийся ньютоновский взгляд на мир, где пространство было фиксированной космической сценой, на которой разыгрывались события, а время – универсальной однонаправленной стрелой, устойчиво и равномерно двигающейся из бесконечного прошлого в бесконечное будущее. В системе представлений Ньютона ничто не могло повлиять на однородную природу пространства и линейное течение времени. Кроме того, время и пространство не были взаимосвязаны. По Ньютону, время было всегда и всегда будет, независимо от любого участка пространства, который может существовать, а может и не существовать.

Специальная теория относительности Эйнштейна бросила вызов этой картине мира, установив внутреннюю глубокую связь между пространством и временем. В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, когда-то бывший одним из преподавателей Эйнштейна в Цюрихской высшей технической школе, завершил начатую Эйнштейном смену концепций пространства и времени. Его знаменитая декларация гласит: «Отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность»³². Минковский сплавил три измерения пространства и одно измерение времени в единую четырехмерную сущность: пространство-время.

Чтобы визуализировать этот четырехмерный союз, мы обычно удаляем одно или два из трех пространственных измерений и показываем на рисунке остальные вместе с временной осью в виде «пространственно-временной диаграммы». Рис. 8 воспроизводит самую первую сделанную Минковским графическую визуализацию пространства-времени, в которой он сохранил только одно пространственное измерение, направленное горизонтально, и вертикальную временную ось. Эта схема иллюстрирует, как именно специальная теория относительности переопределяет наши отношения со Вселенной. Если мы наблюдаем из точки O, то сигналы, распространяющиеся со скоростью света, – как достигающие нас с противоположных направлений в прошлом, так и уходящие от нас в будущее, – прочерчивают в пространстве-времени две прямые линии, которые пересекаются в точке O и делят пространство-время на четыре непересекающихся части. Прошлое наблюдателя – это треугольная область пространства-времени, ограниченная траекториями световых лучей, приходящих в точку O. Она содержит все события, которые произошли и могут повлиять на действительность, видимую наблюдателем. Будущее наблюдателя – это область пространства-времени, ограниченная световыми лучами, вышедшими из O; в ней содержится все, на что наблюдатель может влиять. Позже нам встретятся пространственно-временные диаграммы, содержащие и второе пространственное измерение в горизонтальной плоскости. На таких диаграммах пути световых лучей в прошлом и в будущем в каждой точке образуют два конуса, касающихся своими вершинами в этой точке и раскрывающихся в противоположных направлениях. В структуре световых конусов, выходящих из каждой точки пространства-времени, и заключается вся суть релятивистской физики. Прежде люди верили, что прошлое и будущее как бы склеены друг с другом при помощи настоящего. Но специальная теория относительности показывает, что для вас – для наблюдателя – прошлое и будущее соприкасаются лишь в одной точке, отмечающей ваше конкретное положение во Вселенной.

Рис. 8. Первая диаграмма, объединяющая пространство и время в пространство-время, опубликованная Германом Минковским в его изданной в 1908 году книге Raum und Zeit («Пространство и время»). Время и одно измерение пространства обозначены штриховыми стрелками, или «векторами». Одна стрелка указывает направление времени (zeitartiger vector), а другая – направление в пространстве (raumartiger vector). Наблюдатель расположен в точке O. Область пространства-времени в его будущем (jenseits von O) ограничена надписью Nachkegel, а в его прошлом (diesseits von O) – Vorkegel. Это световые конусы наблюдателя в будущем и прошлом соответственно.

В ньютоновском мире отделенных друг от друга и абсолютных времени и пространства – и без космического предела скорости – все пространство считалось, по крайней мере в принципе, мгновенно достижимым для посылаемого сигнала. В релятивистском мире Эйнштейна мы начинаем понимать, какая малая часть его находится в пределах досягаемости. Наблюдаемая часть Вселенной ограничена как в пространстве, так и во времени областью, лежащей внутри нашего светового конуса прошлого. А так как с момента Большого взрыва прошло всего 13,8 миллиарда лет, это значит, что существует космологический горизонт, предельное расстояние, вне которого все, что происходит во Вселенной – или мультивселенной, – в принципе находится вне нашей досягаемости, как бы мы ни пытались увеличить силу наших телескопов.

Даже внутри нашего космологического горизонта мы можем собирать информацию лишь об ограниченных участках пространства-времени. На рис. 9 показаны те области внутри светового конуса прошлого, которые находятся в прямой досягаемости земного наблюдателя. Во-первых, астрономические наблюдения света от источников во Вселенной дают нам информацию о приповерхностной области светового конуса, тянущегося в прошлое более чем на 13 миллиардов лет. Во-вторых, наблюдения земных окаменелостей, космических лучей и других фрагментов космического вещества позволяют нам заглянуть в локальную внутренность нашего светового конуса прошлого на глубину примерно в 4,6 миллиарда лет. Но между этими двумя областями лежат огромные зоны (на рис. 9 они заштрихованы редко), прямого доступа к которым у нас нет.

Рис. 9. Наш световой конус прошлого. Густо заштрихованы области в прошлом, к которым у нас есть прямой доступ.

• • •

В 1907 году Эйнштейн решил переосмыслить ньютоновский закон всемирного тяготения, чтобы привести описание гравитации в соответствие со своим новым релятивистским видением пространства-времени. Это грандиозное по трудности предприятие вылилось в настоящую математическую одиссею. Впоследствии сам Эйнштейн описывал его так: «…долгие и одинокие странствия по пустыне, во тьме, в поисках истины, которую мы чувствуем, но не можем выразить»³³. Но все оправдалось. В ноябре 1915 года, в мрачные дни Первой мировой войны, Эйнштейн смог наконец опубликовать свою общую теорию относительности, новую теорию тяготения, совместимую со специальной теорией относительности – теорией пространства-времени. Ей суждено было стать самым грандиозным из научных достижений Эйнштейна.

В общей теории относительности гравитация описывается в терминах геометрии – по сути, геометрии самого пространства-времени³⁴. Эта теория рассматривает тяготение как проявление кривизны пространства-времени, ткань которого изгибается под воздействием массы и энергии. Согласно этой теории, например, Земля движется вокруг Солнца не потому, что на нее на огромном расстоянии действует таинственная сила, каким-то образом притягивающая ее к Солнцу, а потому, что масса Солнца слегка изменяет форму пространства вокруг него, создавая в его окрестности что-то вроде углубления, – из-за чего Земля (и другие планеты) и движутся в этой долине по эллиптическим орбитам. Мы не можем увидеть этого углубления, но мы его чувствуем – это тяготение! Или другой пример – согласно Эйнштейну, вы стоите, упираясь ногами в землю, потому что масса планеты создает в окружающем ее пространстве что-то вроде вмятины, по стенкам которой ваше тело как бы соскальзывает вниз, что и заставляет ваши подошвы чувствовать направленное вверх давление почвы. Та же складка в ткани пространства удерживает на орбите вокруг нашей планеты искусственные спутники, МКС и Луну.

Искривляется не только пространство, но и время! Это явление эксплуатируют – нещадно при этом преувеличивая – постановщики таких фильмов, как «Интерстеллар». Когда Джозеф Купер и его экипаж возвращаются на борт своего космического корабля после короткого пребывания на планете Миллера, они обнаруживают, что Ромилли, член экипажа, дожидавшийся их на корабле, постарел больше, чем на двадцать три года. По-видимому, огромная масса черной дыры неподалеку от планеты Миллера замедлила ход времени для посетивших планету астронавтов.

Мощь эйнштейновской общей теории относительности воплощена в диалоге между веществом и энергией с одной стороны и формой пространства-времени с другой, и этот диалог имеет форму уравнения:

Прочесть это уравнение нетрудно. В правой части – все вещество и энергия в некоторой области пространства-времени, обозначенные T_µv. В левой – описание геометрии этой области. Магия содержится в знаке равенства (=) посредине: он с математической точностью показывает, как геометрия пространства-времени слева (G_µv) связана с данной конфигурацией вещества и энергии (T_µv) справа. Эта взаимосвязь, как говорит нам теория Эйнштейна, и есть то, что мы воспринимаем как тяготение. Получается, что тяготение не входит в теорию Эйнштейна как независимая сила, а возникает из взаимозависимости между материей и формой пространства-времени. Как выразился американский физик Джон Арчибальд Уилер, «вещество говорит пространству-времени, как ему искривляться; пространство-время говорит веществу, как ему двигаться»³⁵.

Короче, общая теория относительности вдохнула жизнь в пространство-время. Теория Эйнштейна преобразовала пространство-время: из ньютоновской вечной и неизменной «космической сцены», устройство которой недоступно нашему пониманию, оно превратилось в гибкое физическое поле. Интересно, что в физике понятие полей – невидимых субстанций, заполняющих пространство, – восходит к блестящему шотландскому экспериментатору XIX столетия Майклу Фарадею. Эту концепцию тут же подхватил Максвелл, чтобы сформулировать свою теорию электромагнетизма. Наверное, самый известный пример физического поля – это, конечно, магнитное поле, посредством которого действуют магниты. Сегодня физики пользуются понятием поля для описания не только сил, но и разновидностей частиц. Грубо говоря, мы представляем себе частицы как плотные комки или крупицы соответствующих полей, заполняющих пространство. Гений Эйнштейна сказался в том, что он идентифицировал само пространство-время как физическое поле тяготения.

Общая теория относительности сразу же встретила поддержку, которая стала быстро расти. Первое доказательство ее истинности было найдено в Солнечной системе – оно было связано с орбитой планеты Меркурий. Когда в середине XIX века Леверье указал астрономам положение планеты Нептун, он также подметил, что околосолнечная орбита Меркурия чуть отклоняется от пути, который ей предписывает ньютоновский закон всемирного тяготения. Леверье, что неудивительно, предположил, что траектория Меркурия может испытывать влияние другой планеты, находящейся еще ближе к Солнцу. Имя Вулкан таинственной планете дал французский физик Жак Бабинэ. Но Вулкан так и не удалось найти. Поэтому в 1915 году Эйнштейн решил перевычислить орбиту Меркурия на основании своей новой теории тяготения – и увидел, что теория полностью объясняет «аномалию Меркурия». Это открытие он называл самым сильным эмоциональным переживанием своей жизни – «будто со мной заговорила сама Природа»³⁶.

Но настоящий триумф общей теории относительности пришел в 1919 году, когда британский астроном сэр Артур Эддингтон отплыл к португальскому острову Принсипи, расположенному у побережья Западной Африки, чтобы измерить положения звезд во время полного солнечного затмения. Если Эйнштейн был прав и масса действительно искривляет пространство-время, то свет звезд, проходя мимо такого массивного объекта, как Солнце, должен не распространяться по прямой, а отклоняться от нее, что вызвало бы небольшое смещение положения этих звезд на небе. Именно это и увидели пораженные Эддингтон и его сотрудники: звезды сдвинулись со своих мест. Газета The New York Times сообщила о наблюдениях Эддингтона под сенсационным заголовком Lights all askew in the heavens, men of science more or less agog («Огни небес перекосились, научный мир в возбуждении»); Эйнштейн стал мировой знаменитостью – гений, потеснивший с трона самого Ньютона³⁷. Законы Ньютона, считавшиеся истиной в последней инстанции, оказались временными и приблизительными. А то, что британский астроном подтвердил теорию немецкого физика, было воспринято и как акт примирения между странами, только что воевавшими друг против друга во время Первой мировой войны.

Световой луч искривляется в поле тяготения Солнца очень слабо – на пару угловых секунд, – потому что по астрономическим меркам гравитационное поле Солнца не очень сильное. Но почти ровно через сто лет, весной 2019 года, первые страницы всех новостных изданий мира украсило запоминающееся изображение, похожее на улыбающееся лицо: фиксация искривления света в его самой крайней форме. Современная версия экспедиции Эддингтона выглядела так: международный коллектив астрономов создал виртуальный телескоп размером с весь земной шар – «телескоп горизонта событий», состоявший из восьми разбросанных по всему миру, от Гренландии до Антарктиды, огромных радиоантенн в форме «тарелок». При их совместной работе достигалось пространственное разрешение, при котором теоретически можно было бы разглядеть теннисный мяч на поверхности Луны. Когда астрономы направили свой глобальный «телескоп горизонта событий» в самый центр Мессье 87 – большой галактики в скоплении Девы на расстоянии около 55 миллионов световых лет от нас – и реализовали всю его разрешающую силу, а затем численно свели воедино все полученные пиксельные изображения, на экранах их компьютеров появился черный диск, окруженный кольцом света. Это было изображение тени гигантской черной дыры, поглощающей окружающее вещество. Темный диск, который мы видим на рис. 10, свидетельствует о том, что в центральной области галактики пространство-время скручивается с чудовищной силой: световые лучи, блуждающие там, не просто отклоняются, но остаются внутри области, как в западне. Кольцо света, окружающее область, порождается нагретым веществом – газом, исчезающим в черной дыре. При этом дыра эта вращается таким образом, что свет, доходящий до нас из-под нижней части черного диска, получает импульс энергии, отчего нижняя часть светового ореола делается ярче. При массе в 6,5 миллиарда Солнц, сжатой внутри области размером примерно с Солнечную систему, эта черная дыра – одна из самых тяжелых в нашей области космоса.

Общая теория относительности предсказала, что черные дыры должны существовать. Всего через несколько месяцев после эпохальной публикации Эйнштейна немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел первое решение основных уравнений Эйнштейна, описывавших сильно искривленную геометрию пространства вокруг исключительно плотной идеально сферической массы M. Так как в то время шла Первая мировая война и Шварцшильд находился на Русском фронте, он записал свое решение на почтовой открытке и послал ее в Берлин Эйнштейну. Тот, естественно, пришел в восторг и с энтузиазмом представил полученный результат на заседании Прусской Академии наук.

Рис. 10. Это первое изображение черной дыры, полученное в 2019 году «Телескопом горизонта событий», потрясло мир. Размер центральной «тени» не больше размера Солнечной системы, но в нем заключена масса примерно 6,5 миллиарда Солнц. Объект расположен в центре ядра галактики Мессье 87, на расстоянии около 55 миллионов световых лет. Световое гало образовано излучением вещества, падающего в черную дыру, а тень обозначает границы области пространства, где его кривизна настолько велика, что весь излучаемый свет втягивается внутрь.

Геометрическое решение Шварцшильда описывало весьма необычную поверхность, расположенную на расстоянии 2GM/c² от центра масс³⁸. Оказалось, что на этой поверхности пространство и время меняются ролями. Много лет эта ситуация оставалась очень запутанной. Эйнштейну казалось, что это просто математическая странность предложенного решения, не имеющая никакого физического значения. Сам Шварцшильд думал, что на этой поверхности пространство и время каким-то образом заканчиваются.

Но в 1930-х годах³⁹ туман, окружавший геометрию поверхности Шварцшильда, начал рассеиваться. Стало понятно, что его решение описывает конечную форму пространства-времени после завершения гравитационного коллапса идеально сферической массивной звезды, когда она истощает свои запасы ядерного горючего и умирает⁴⁰. Конечно, реальные звезды не идеально сферические, и поэтому большинство физиков оставались скептиками в вопросе о том, существуют ли «гравитационно сколлапсировавшие звезды» на самом деле. Только после вдохновленного работой Роджера Пенроуза ренессанса общей теории относительности в 1960-х физическая реальность таких звезд наконец начала осознаваться, и Уилер пустил для них в оборот термин «черные дыры».

Пенроуз, чистый математик, работавший в Бэркбекском колледже в Лондоне, разработал целый ряд новых остроумных методов описания сложных геометрических структур в общей теории относительности и доказал, что все достаточно массивные звезды, какими бы ни были их исходная форма или химический состав, коллапсируют в черные дыры в конце своей жизни. Это означало, что черные дыры не были эксцентричным математическим артефактом, а должны были составлять неотъемлемую часть космической экосистемы. В своей статье 1969 года Пенроуз писал: «Я только хотел бы призвать к тому, чтобы к черным дырам относились серьезно и исследовали бы во всех подробностях последствия их существования. Ибо кто решится заявить, что они не могут играть какую-то важную роль в картине наблюдаемых явлений?»⁴¹ Это замечание оказалось пророческим. В течение нескольких последовавших десятилетий астрономические наблюдения давали все новые и новые свидетельства существования черных дыр. Кульминацией находок и стали первые неясные изображения этих загадочных объектов, полученные в 2019 году. И спустя пятьдесят пять лет после сделанного Пенроузом математического предсказания повсеместного распространения черных дыр во Вселенной за свое изначально чисто теоретическое открытие в 2020 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.

Опубликованная в 1965 году статья Пенроуза⁴², которая в итоге принесла ему Нобелевскую премию, занимает всего три страницы и почти не содержит уравнений, но в ней помещен захватывающий, как рисунки да Винчи, набросок – схема гравитационного коллапса звезды в черную дыру (см. рис. 11). На пространственно-временной диаграмме Пенроуза показаны два пространственных измерения и дана схема их переплетения с измерением временным. Мы видим, что вдали от объекта световые конусы будущего открыты в обе стороны, а это означает, что пучки света могут быть направлены как к звезде, так и от нее – как мы и ожидаем. Вблизи коллапсирующей звезды, по мере развития коллапса, появляется особая поверхность, на которой конусы изгибаются так сильно, что даже световые лучи, направленные вовне, двигаясь со скоростью света, «зависают» на постоянном расстоянии от центра звезды. И так как ничто не может двигаться быстрее света, ничто не может каким-либо способом преодолеть это гравитационное притяжение.

Коллапсирующая звезда создала вокруг себя область пространства-времени, полностью изолированную от остальной Вселенной, – черную дыру.

Поверхность, отделяющая «безвыходную» зону внутри черной дыры от остальной Вселенной, и есть та необычная поверхность в геометрии Шварцшильда, которая вызвала такое замешательство в первые годы после появления общей теории относительности. Сегодня ее называют горизонтом событий черной дыры. Она приблизительно соответствует кромке черного диска на рис. 10. Поверхность горизонта событий действует как пропускающая в одну сторону мембрана, сквозь которую могут входить вещество, свет и информация, но выйти обратно не может ничего. Черная дыра – кошмарная форма клаустрофобии.

Рис. 2. Сделанный Роджером Пенроузом в 1965 году рисунок, иллюстрирующий коллапс звезды с образованием черной дыры. Когда звезда сжимается, в пустом пространстве вокруг нее возникает любопытная поверхность, отмеченная черным кольцом в центре рисунка. С этой поверхности даже свет не может покинуть звезду. На чисто математических основаниях Пенроуз продемонстрировал, что, независимо от ее формы, появление такой ловушки для света является признаком неизбежного образования черной дыры с сингулярностью в центре, окруженной цилиндрическим горизонтом событий. Внутри же черной дыры крайне сильный наклон световых конусов будущего означает, что движение к сингулярности должно продолжаться. Из-за этого наклона, однако, внешний наблюдатель не увидит даже последних стадий коллапса, не говоря уж о самой сингулярности внутри черной дыры.

Мало кто из физиков считает, что на горизонте событий большой черной дыры вообще возможно что-либо увидеть или почувствовать, но само его существование имеет огромное значение для причинной структуры черных дыр. Дело в том, что под горизонтом событий пространство и время в некотором смысле меняются ролями. Если отважный астронавт все же каким-то образом проникнет внутрь горизонта событий черной дыры, неуклонно растущий наклон световых конусов будет означать, что ему неизбежно придется продолжать двигаться по направлению к ее центру. То есть радиальное измерение пространства внутри горизонта приобретает свойства временного измерения – это движение в одном направлении, движение, которое невозможно остановить или обратить вспять, и остается только двигаться вперед. Пространственно-временная сингулярность бесконечной кривизны, которая поджидает нашего астронавта в центре дыры, по сути не является точкой в пространстве, но скорее моментом времени – последним моментом.

ПОВЕРХНОСТЬ ГОРИЗОНТА СОБЫТИЙ ДЕЙСТВУЕТ КАК ПРОПУСКАЮЩАЯ В ОДНУ СТОРОНУ МЕМБРАНА, СКВОЗЬ КОТОРУЮ МОГУТ ВХОДИТЬ ВЕЩЕСТВО, СВЕТ И ИНФОРМАЦИЯ, НО ВЫЙТИ ОБРАТНО НЕ МОЖЕТ НИЧЕГО. ЧЕРНАЯ ДЫРА – КОШМАРНАЯ ФОРМА КЛАУСТРОФОБИИ.

Сингулярность с ее бесконечным скручиванием – это там, где (или когда) уравнение Эйнштейна теряет свою предсказательную силу. В пространственно-временных сингулярностях общая теория относительности работать отказывается. И это озадачивает. Как мог Пенроуз доказать, что гравитационный коллапс массивной звезды приводит к образованию сингулярности, если теоретическая база, на которую он опирался, несовместима с сингулярностью? Оригинальность стратегии Пенроуза проявилась в том, чтобы идентифицировать точку невозврата в гравитационном коллапсе, образование того, что он назвал «ловушечной поверхностью» – которую даже свет звезды не может покинуть. Пенроуз показал, что, как только образуется ловушечная поверхность, дальнейший коллапс в сингулярность неизбежен. Его математические приемы были так искусны, что с их помощью он сумел предсказать исход коллапса, несмотря на то что проследить его развитие вплоть до завершения в реальной звезде оказалось невозможно.

Что же происходит, когда две черные дыры входят в сферы влияния друг друга и начинают вращаться друг вокруг друга? Общая теория относительности предсказывает, что их взаимодействие будет генерировать гравитационные волны – волнообразные возмущения пространства-времени, которые распространяются по Вселенной со скоростью света. Так работают уравнения Эйнштейна: две черные дыры, обращающиеся друг вокруг друга, образуют периодически изменяющуюся конфигурацию масс, на что, как следует из уравнений, пространство-время откликается своими собственными периодическими возмущениями. Эта рябь пространства-времени и есть гравитационные волны.

Геометрическая рябь гравитационных волн уносит огромное количество энергии. Отток энергии из системы обращающихся друг вокруг друга черных дыр приводит к тому, что они по спирали сближаются друг с другом и в конце концов сливаются, образуя черную дыру большего размера. По энергии, которая при этом выделяется, слияния черных дыр оставляют далеко позади все остальные взрывные события во Вселенной. Одно столкновение двух черных дыр может вызвать всплеск гравитационных волн более мощный, чем общая мощность всего света, излучаемого всеми звездами во всей наблюдаемой Вселенной. И тем не менее размер геометрических волн, возбуждаемых такими столкновениями, крайне мал, потому что ткань пространства-времени чрезвычайно жесткая⁴³. Вот почему, несмотря на их невероятную мощь, всплески гравитационных волн очень трудно регистрировать.

Более того, так как гравитационные волны не несут никаких частиц, их всплеск, проходя через нашу планету, остается невидимым и неощутимым – если не считать того, что, прежде чем он бесследно уйдет дальше в космос, все измерительные линейки на Земле на протяжении очень короткого времени на микроскопическую величину растянутся и сократятся, а часы чуть ускорятся и снова замедлятся. Чтобы зарегистрировать эти изменения, понадобятся линейки длиной в несколько миль, способные измерять изменения расстояния с точностью, значительно более высокой, чем размер протона. Это кажется невозможным. Однако, совершив настоящее инженерное чудо, две группы ученых, коллаборации LIGO в Соединенных Штатах и VIRGO в Европе, сделали это. Используя лазеры и сложнейшую технику для контроля длины трех пар вакуумных трубок длиной в несколько миль каждая, образующих L-образные конфигурации в трех далеко отстоящих друг от друга местах на поверхности Земли, обе группы устроили хитроумные ловушки для гравитационных волн, проходящих через нашу планету. И вот 14 сентября 2015 года, после нескольких лет ожидания и вслушивания, L-образные ветви установки LIGO вдруг начали вибрировать, сначала невероятно слабо, но постепенно быстрее и сильнее. Спустя долю секунды вибрации угасли, но, пользуясь эйнштейновской теорией, по этой мгновенно исчезнувшей вибрационной картине физики сумели восстановить и отследить всплеск гравитационных волн, порожденный случившимся более миллиарда лет назад спиральным сближением и слиянием пары черных дыр, каждая массой около тридцати Солнц. Спустя пять лет таких гравитационно-волновых всплесков было зарегистрировано уже около сотни. Оказалось, что черные дыры действительно представляют собой неотъемлемую часть космической экосистемы – в точности, как и предсказывал Пенроуз.

Экспериментальное открытие гравитационных волн подтвердило последнее из великих предсказаний общей теории относительности. Во многих отношениях это событие отмечает вступление теории в пору зрелости – им ознаменовано как завершение одной эры, так и начало другой. Начавшись с абстрактных математических уравнений, описывающих пространство, время и тяготение, с открытием гравитационных волн эта теория превратилась в совершенно новый способ видения Вселенной. Больше чем через четыреста лет после того, как Галилей впервые направил телескоп на звезды, у астрономов как будто появился новый орган чувств, который позволяет им видеть темную сторону Вселенной, – в ней доминируют черные дыры, темная материя и темная энергия. Работающие теперь в разных точках Земли гравитационно-волновые обсерватории исследуют космос, улавливая мельчайшие вибрации геометрии самого пространства-времени – поля, которое Эйнштейн впервые описал более столетия назад.

Еще на заре эры общей относительности Эйнштейн быстро понял, что его теория может дать радикально новое видение космоса как целого. В 1917 году он писал известному голландскому астроному из Лейдена Виллему де Ситтеру: «Я хочу решить вопрос о том, можно ли развить основную идею относительности до ее окончательного вывода и определить форму Вселенной как целого»⁴⁴.

Эйнштейн предложил считать глобальную форму пространства чем-то вроде трехмерной версии поверхности сферы – так называемой гиперсферой. Вообразить гиперсферу трудно – мы ведь обычно думаем об искривленных пространствах как о двумерных поверхностях, погруженных в обычное трехмерное Евклидово пространство. Но такое погружение поверхности в пространство с большим числом измерений – всего лишь уступка нашему зрительному опыту. Математики XIX века уже показали к тому времени, что все геометрические свойства искривленной поверхности – вроде прямых линий, углов и тому подобного – могут быть определены в пределах этой поверхности, без обращения к чему-то, что находится выше или ниже нее⁴⁵. Подобным же образом описание искривленной формы трехмерной гиперсферы не нуждается ни в какой внешней опорной точке. Гиперсфера – это просто гиперсфера.

Как и у поверхности сферы, у трехмерной гиперсферы нет ни центра, ни границы. В какой бы точке гиперсферы вы ни находились, пространство выглядит одинаково. Однако общий объем пространства в эйнштейновской вселенной конечен. Это значит, что так же, как конечна поверхность Земли, ограниченно и количество различных мест в гиперсферической вселенной. Если в эйнштейновской вселенной вы будете двигаться по прямой, в конце концов вы вернетесь в точку отправления со стороны, противоположной той, в которую когда-то отправились, – точно так же, как, двигаясь всегда только прямо вперед, мы в конце концов обогнем Землю. Больше того, за время нашего путешествия ничего не изменится – эйнштейновская вселенная построена как неизменная во времени. Чтобы обеспечить такие ее свойства, Эйнштейн даже ввел в свои уравнения дополнительный член, названный им космологическим членом и обозначенный греческой буквой – сегодня мы называем его космологической постоянной⁴⁶. λ-член Эйнштейна описывает темную энергию пространства, которая проявляется во Вселенной на самых больших масштабах, – что-то вроде антигравитации или космического отталкивания. Эйнштейн увидел, что для гиперсферы некоторого определенного размера притяжение всего вещества и отталкивание, вызванное λ-членом, могут идеально уравновешиваться, – такая Вселенная не расширяется, не сжимается и существует в вечном прошлом и вечном будущем. Это и была Вселенная, какой он ее себе представлял, и единственная, как он думал, согласующаяся с глубоким физическим смыслом его теории.

Эйнштейновское видение космоса, которое позволяло описывать всю Вселенную единым уравнением, ясно показало, что общая теория относительности может привести нас туда, куда законам Ньютона путь был закрыт. В рамках статического гиперсферического пространства-времени общая форма и размеры Вселенной связаны с содержащимся в ней количеством материи и темной энергии. Это значило, что общая теория относительности действительно способна дать фантастические ответы на древние вопросы. Своей трактовкой Вселенной как целого Эйнштейн в некотором смысле прочно вписал «внешнюю сферу» моделей Вселенной древнего мира в рамки современной науки. И хотя модель Вселенной Эйнштейна оказалась и близко не соответствующей действительности, его пионерские исследования обозначили момент рождения современной релятивистской космологии.

Однако пройдет еще десять лет, прежде чем Леметр начнет понимать, насколько истинное космологическое значение теории относительности выходит за пределы первоначальных представлений Эйнштейна и всех остальных.

Леметр был интереснейшей и очень привлекательной фигурой⁴⁷. Родился он в 1894 году в Шарлеруа на юге Бельгии. Из-за начавшейся Первой мировой войны ему пришлось бросить университет, где он получал инженерное образование. Когда в августе 1914 года немцы вторглись в Бельгию, юный Жорж пошел добровольцем в пехоту и в составе бельгийской армии участвовал в битве при Изере, вблизи границы с Францией. Противостояние тянулось два месяца, пока бельгийцы не открыли оросительные каналы, прорытые к морю, – этот потоп остановил немецкое наступление. Рассказывают, что в моменты затишья в окопах Леметр пытался читать классические труды по физике, в том числе Leçons sur les Hypothèses Cosmogoniques («Лекции о космогонических гипотезах») Анри Пуанкаре. Согласно семейной легенде, Жорж навлек на себя гнев капрала, когда осмелился указать на математическую ошибку в армейском руководстве по баллистике.

После войны, следуя ощущаемому им «двойному призванию», Леметр поступил в Католический университет в Лёвене⁴⁸, где стал изучать физику, и в семинарию в Малине, где получил специальное разрешение кардинала Мерсье на изучение новой теории относительности Эйнштейна. В 1923 году, уже в пасторской сутане, он пересек Ла-Манш, чтобы поработать с Эддингтоном в Кембриджской обсерватории.

Обладая глубокими познаниями не только в физике, но и в философии, Леметр вполне мог вдохновляться прозрениями шотландского мыслителя XVIII века Дэвида Юма, когда избрал в науке подход на пересечении математической теории и астрономических наблюдений. В своем главном труде «Исследования о человеческом разумении» Юм утверждал, что в основе наших знаний лежит опыт. Признавая силу математики, Юм предостерегал от абстрактных построений, изолированных от реального мира: «Если рассуждать a priori, что угодно может показаться способным произвести что угодно другое. Падение камня может, пожалуй, потушить Солнце, а желание человека – управлять обращением планет по их орбитам»⁴⁹. Провозглашая опыт основой всех наших теорий, Юм тем самым помог заложить основы подхода к науке как к индуктивному процессу, уходящему корнями в эксперимент и в наши наблюдения Вселенной.

В подобном же духе Леметр подытожил свою собственную позицию: «Все идеи тем или иным путем приходят к нам из реального мира, в соответствии с принципом Nihil est in intellectu nisi prius fuerit in sensu⁵⁰. Разумеется, идея, которая вырастает из факта, должна выходить за его пределы и следовать естественному течению мысли, фундаментальной функции интеллекта. И все же это, возможно, один из наиболее ценных уроков, которым учит нас странность физики: этим течением необходимо управлять, оно не должно терять связи с фактами, оно должно позволять себе быть обусловленным ими. Здесь, как и во многих других областях, мы должны найти удачный баланс между туманным идеализмом, который блуждает во тьме, и узким позитивизмом, который всегда остается стерильным⁵¹.

Переехав из английского Кембриджа в Кембридж, что в штате Массачусетс, чтобы поработать в обсерватории Гарвардского колледжа, Леметр стал свидетелем «Великого спора», дебатов, состоявшихся в Вашингтоне в январе 1925 года. Обсуждаемый вопрос состоял в том, что представляют собой замеченные на небе еще в Средние века спиральные туманности – гигантские газовые облака в составе Млечного Пути, или отдельные далекие галактики. С помощью нового 100-дюймового телескопа Хукера на Маунт-Вилсон близ Пасадены, крупнейшего в мире телескопа тех времен, американский астроном Эдвин Хаббл и его коллеги разрешили участки двух таких туманностей (в Андромеде и в Треугольнике) на отдельные звезды, а затем использовали характерные свойства пульсирующих звезд – цефеид – в этих туманностях для оценки расстояний до них⁵². К их изумлению, расстояния оказались порядка миллиона световых лет – гораздо дальше границ нашего Млечного Пути. Это были галактики! Наблюдения Хаббла сразу сделали Вселенную в тысячи раз больше!