Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Стивен появился в Кембридже в октябре 1962 года. За первые два года учебы в Кембридже он приобрел друзей, с которыми поддерживал отношения всю оставшуюся жизнь, и устроил свою семейную жизнь. Но в физике к постоянному берегу пока не прибился. Он изучал общую теорию относительности, занимался различными проблемами, которые казались многообещающими ему и его научному руководителю Сиаме, но все значительные открытия были еще впереди.

Исследования, которые вошли в первые три главы его докторской диссертации, ничем особенным не отличались. Некоторые из них представляли определенный интерес с точки зрения независимого математического анализа различных проблем, например, содержали критику математических уравнений теории стационарной Вселенной Хойла. Но работа содержала лакуны и оставляла нерешенными некоторые вопросы. Если бы диссертация состояла только из этих глав, ее явно было бы недостаточно для получения степени доктора философии. И конечно, она не принесла бы Стивену широкую известность. Но, познакомившись с произведениями тридцатитрехлетнего математика Роджера Пенроуза, Стивен добавил в диссертацию четвертую главу. Она немного выпадала из общего сюжета, но с нее началось восхождение Стивена к мировой славе. Стивен узнал о работе Пенроуза в январе 1965 года, после того как Пенроуз провел семинар в Королевском колледже в Лондоне. Стивену, который был в то время на десять лет моложе Пенроуза, случалось посещать эти семинары. Он, правда, отсутствовал на семинаре Пенроуза, но узнал о нем от Брэндона Картера, с которым на работе в Кембридже делил один кабинет.

Исследуя Вселенную, очень важно учитывать притяжение вещества ко всему остальному веществу. Это верно также и при изучении эволюции звезды. Например, можно задаться вопросом, почему сумма всех притяжений не заставляет звезду схлопываться. Ответ заключается в ядерных реакциях внутри звезды. Они разогревают звезду, заставляя газы расширяться, таким образом компенсируя сжатие, вызываемое гравитацией. Работа, о которой рассказывал Пенроуз в своем докладе, была посвящена тому, что происходит после выгорания ядерного горючего в массивной звезде, когда звезда начинает остывать. Когда это случается, умирающая звезда начинает коллапсировать под действием собственной силы гравитации.

Пенроуз считал, что коллапс звезды – сложный и хаотический процесс, при этом первоначальная сферическая симметрия звезды может нарушаться. Коллапс может протекать по двум возможным сценариям. Один из них напоминает тот вариант теории Большого взрыва, в котором частицы вещества скользят относительно друг друга: во время коллапса звезды все ее составляющие части падают по направлению к центру, но не в одну и ту же точку. А затем они стремительно проносятся мимо друг друга, и стадия сжатия сменяется расширением. В другом сценарии, несмотря на связанный с коллапсом хаос, вещество звезды притягивается точно в ее центр, где оно сдавливается в единую точку, в которой плотность вещества становится бесконечной.

Как впоследствии доказал Пенроуз, именно второй вариант следует из решения уравнений Эйнштейна. В 1969 году физик Джон Уилер назовет погасшие звезды такого рода – с бесконечной плотностью в центре – черными дырами, но в 1965 году такие объекты еще не вызывали интереса, и поэтому они еще не удостоились специального наименования.

Точку, в которой физические величины становятся бесконечными, физики называют сингулярностью. Физики недолюбливают сингулярности, потому что мы сторонимся бесконечностей. Мы не любим бесконечности: хотя они иногда появляются в математических уравнениях, в повседневной жизни с ними не сталкиваешься. Все, что мы измеряем, имеет начало и конец; поэтому всякая теория, предсказывающая сингулярность, вызывает большие сомнения.

Для того чтобы выйти из тупика, физики попытались объявить сингулярность явлением чисто абстрактным. Было рассмотрено несколько способов обойти эту трудность. Во-первых, было объявлено, что теория Эйнштейна не является квантовой и поэтому в некоторой точке во время коллапса звезды – когда она становится совсем крошечной – эта теория не может применяться без некоторых (пока еще не придуманных) модификаций. Удастся ли с их помощью избежать сингулярности? Мы не знаем. Другой способ. Некоторые говорят так: поскольку мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, сингулярность навсегда спрятана от нас – наблюдать ее невозможно – и поэтому она не имеет значения. Звучит разумно, но не все так просто. Черные дыры могут вращаться, и некоторые довольно изощренные вычисления показывают, что это вращение поможет обнаружить сингулярность. Пока вопрос об этом остается открытым.