Тридцать лет я участвую в великом поиске: в поиске понимания наследства, оставленного будущим поколениям Альбертом Эйнштейном — теории относительности и ее предсказаний о Вселенной, а также в исследованиях ее ограничений — где и когда теория относительности не работает, и что ее тогда заменяет.
Этот поиск провел меня через лабиринт экзотических объектов: черные дыры, белые карлики, нейтронные звезды, сингулярности, гравитационные волны, червоточины, свертывание времени и машины времени. Этот поиск поднимает многие глобальные вопросы: Что делает теорию «хорошей»? Какие трансцендентные принципы управляют законами природы? Почему мы, физики, думаем, что мы знаем такие вещи, о которых мы думаем, что мы их знаем, даже когда техника слишком слаба, чтобы проверить наши предсказания? Поиски рассказали мне, как работает ум ученого, показали огромную разницу между одним и другим умом (например, Стивена Хокинга и моего), и почему многие ученые разных складов, каждый из которых идет своим путем, развивают наше понимание Вселенной. Изыскания сотен участников, рассеянных по всему свету, помогли мне оценить международный характер науки, различные пути того, как организовано научное предприятие в разных сообществах и как переплетается наука с политикой, особенно в ходе советско-американского соперничества.
Эта книга — попытка поделиться моими взглядами с теми людьми, которые не являются учеными, а также с учеными, работающими в других областях науки. Эта книга посвящена разным пересекающимся темам, которые связаны между собой основной нитью: история наших усилий по расшифровке наследия Эйнштейна, кажущихся такими дерзкими предсказаний черных дыр, сингулярностей, гравитационных волн, червоточин и свертывания времени.
Книга открывается прологом: научно-фантастической сказкой, которая быстро введет читателя в физические и астрофизические концепции, использованные в книге. Возможно, читая эту сказку, некоторые читатели придут в уныние. Многие понятия (черные дыры, их горизонты, червоточины, приливные силы, сингулярности и гравитационные волны) вводятся слишком быстро, без подробного объяснения. Мой совет: пусть это вас не смущает. Просто получайте удовольствие от сказки, и вы получите общее представление о новых для вас вещах. Каждое из этих понятий будет еще раз упоминаться в более свободном стиле и далее в этой книге. После того как вы прочтете всю книгу, вернитесь назад к прологу и вчитайтесь в технические нюансы.
Основное содержание книги (главы 1—14) сильно отличается от пролога. На основную историческую нить повествования нанизываются другие темы. Сначала я на нескольких страницах рассказываю об истории, затем отвлекаюсь на другую связанную с изложением тему, затем на третью. Потом снова возвращаюсь к истории, чтобы снова запустить новую тему. Эти отвлечения, ремарки и переплетения обращают читателя к элегантному полотну взаимосвязанных идей физики, астрофизики, философии науки, социологии и политики.
Некоторые физические положения могут восприниматься с трудом. Для удобства в конце книги приложен справочник физических терминов.
Наука является общественным занятием. Углубление наших представлений о Вселенной происходят не от работы одного какого-то индивидуума или небольшой группы, а от совместных усилий многих людей. Поэтому в книге появляется много имен. Чтобы помочь читателю запомнить тех, кто появлялся на страницах несколько раз, в конце книги приведен именной указатель, включающий краткую справку о каждом ученом.
В научных изысканиях, как и в жизни, многие направления развиваются одновременно различными людьми; теории одного десятилетия могут рождаться из идей, которые появились десятки лет тому назад, однако долгое время игнорировались. Поэтому в книге случаются прыжки во времени вперед и назад, останавливаясь на некоторое время в 1960-х годах, я погружаюсь в 1930-е, чтобы потом вернуться в основное течение 1970-х. Читатели, которые почувствуют головокружение от таких блужданий, найдут помощь в хронологическом указателе в конце книги.
Я не претендую на стандарты профессиональных историков: полнота изложения, точность и беспристрастность. Если бы я стал добиваться полноты изложения, многие читатели в изнеможении быстро свернули бы на обочину, я бы во всяком случае. Если бы я был более точен, книга заполнилась бы уравнениями и стала нечитаемой. Хотя я и старался быть беспристрастным, мне это, очевидно, не удалось — тема книги мне слишком близка: я лично участвовал в разработках с 1980-х годов и продолжаю участвовать сейчас, и несколько моих самых близких друзей также занимались этим направлением с 1930-х годов. Я пытался уравновесить мои предпочтения с помощью многочисленных интервью с другими участниками наших поисков, записанных на диктофон (см. библиографию), которые использовались в качестве основы для написания некоторых глав (см. благодарности). Однако некоторые предпочтения все же остались.
В помощь читателям, желающим большей полноты, точности и беспристрастности, я перечислил в конце книги источники многих моих исторических утверждений, а также дал ссылки на некоторые оригинальные статьи, которые написали участники нашего поиска, чтобы объяснить друг другу свои открытия. Эти работы содержат более точные (и поэтому более профессиональные) описания некоторых вопросов, которые в тексте книги могут быть искажены из-за моего стремления к упрощению.
Воспоминания ненадежны; разные люди, переживая одни и те же события, интерпретируют их по-разному. Именно в связи с такими возможными различиями, я отсылаю читателя к этим работам. В тексте книги я выношу по многим вопросам свое личное суждение как откровение. Пусть настоящие историки простят меня, а не историки, может, скажут спасибо.
Мой наставник и учитель Джон Уиллер в годы моего становления как физика (и центральный персонаж в этой книге) любил спрашивать своих друзей: «Что единственное, самое важное вы из этого смогли узнать?» Мало вопросов, которые заставляют так точно сконцентрировать ваш ум. В духе вопросов Джона, завершив книгу, я спрашиваю себя: «Что является тем единственным, самым важным, что я бы хотел, чтобы от меня узнали читатели?»
Мой ответ: потрясающая мощь человеческого ума, позволившая наскоками обходными путями и мгновенными озарениями разгадать сложность нашей Вселенной и выявить предельную простоту, элегантность и фантастическую красоту фундаментальных законов, по которым она существует.
Представьте, что вы владелец и капитан гигантского звездолета, и вашим приказам подчиняются все компьютеры, роботы и сотни членов команды. Всемирное географическое общество уполномочило вас исследовать черные дыры на дальних рубежах межзвездного пространства и доставить на Землю описание ваших экспериментов. После шестилетнего путешествия звездолет замедляется в окрестности ближайшей к Земле черной дыры Аид в окрестности Веги.
П.1. Атомы газа устремляются со всех сторон к черной дыре, затягиваемые ее гравитацией
На дисплее вы и ваша команда ясно видите, что дыра действительно существует: гравитация звезды затягивает атомы газа, свободно заполняющие межзвездное пространство с плотностью примерно в 1 атом на кубический сантиметр (рис. П.1). Атомы с разной скоростью устремляются к звезде со всех сторон: медленно на больших расстояниях, где гравитация слаба, быстрее ближе к дыре, там, где гравитация сильнее, и очень быстро, почти со скоростью света, вблизи поверхности дыры, где гравитация самая мощная. Если допустить ошибку, ваш звездолет тоже может засосать в эту дыру.
Первый помощник Карес, избегая катастрофы, с помощью быстрых и осторожных маневров выводит корабль на круговую орбиту. Затем она глушит двигатели. Пока вы обращаетесь вокруг дыры, центробежная сила кругового движения компенсирует гравитационное притяжение дыры. Ваш корабль, отбрасываемый центробежной силой, как в раскручиваемой детской игрушечной праще удерживается натяжением веревки — гравитационной силой черной дыры. Пока звездолет обращается по орбите, вы с командой готовитесь исследовать дыру.
Сначала пассивно. Используя хорошо оборудованные телескопы, можно исследовать электромагнитные волны (излучение), испускаемые газом, падающим в дыру. Температура холодных далеких от черной дыры атомов газа лишь на несколько градусов отличается от абсолютного нуля. Холодные атомы колеблются медленно, и их колебания порождают медленно колеблющиеся электромагнитные волны, что означает, что волны обладают большим расстоянием от одной вершины волны до другой — это длинные волны, т. е. радиоволны (см. рис. П.2). Ближе к дыре, где гравитация затягивает атомы в мощный поток, они сталкиваются друг с другом и нагреваются до нескольких тысяч градусов. Тепло заставляет их колебаться быстрее и быстрее, испускать волны с более короткими расстояниями между максимумами, волны, которые вы знаете как свет разного цвета: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый (рис. П.2).