Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
Однако само собой разумеющимся считалось, что сфера существует в плоском пространстве, плоском в том смысле, что к нему применима геометрия Евклида: параллельные линии никогда не пересекаются. Однако в 1915 г. Эйнштейн выдвинул теорию, объединяющую пространство и время в нечто, называемое пространством-временем. Оно уже не является плоским, а искривляется или сворачивается под действием заключенного в нем вещества или энергии. Поскольку вблизи нас пространство-время почти плоское, эта кривизна не имеет никакого значения в нормальных ситуациях. Но последствия этой теории для более отдаленных от нас областей Вселенной были настолько удивительны, что даже Эйнштейн не мог предположить. Так, например, у звезды под действием ее собственной гравитации может начаться коллапс, в результате которого пространство вокруг нее становится настолько искривленным, что звезда просто исчезает из Вселенной. Сам Эйнштейн не верил, что такой коллапс возможен, однако, многие ученые показали, что это неизбежное следствие его собственной теории.
Рассказ о том, как они это сделали и как были обнаружены особые свойства черных дыр в пространстве, и составляет основу этой книги. Это история научного открытия и процесса его совершения, написанная одним из участников, такая же, как книга Джеймса Уотсона «Двойная спираль», рассказывающая об открытии структуры ДНК, которое привело к пониманию генетического кода. Но в отличие от истории ДНК, здесь не было никаких экспериментальных данных, которые направляли бы исследователей. Вместо этого была развита теория черных дыр, до того, как появились какие-либо свидетельствующие об их реальном существовании наблюдения. Я не знаю какого-либо другого примера в науке, когда такие великие экстраполяции были успешно сделаны только силой мысли. В этом и состоит замечательная мощь и глубина теории Эйнштейна.
Мы еще многого не знаем, например, что происходит с объектами и информацией, которые попадают в дыру. Появляются ли они где-либо во Вселенной или в других вселенных? И можем ли мы так свернуть время и пространство, чтобы осуществить путешествие назад во времени? Эти вопросы — часть нашего непрекращающегося поиска в понимании Вселенной. Может быть, кто-нибудь вернется к нам из будущего и даст ответ на все вопросы.
Стивен Хокинг
ВВЕДЕНИЕ
О чем эта книга, и как ее читать
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 не читаемой. 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.
