Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

образом влияет на поведение материи в малых масштабах. Ответственность за появление ОТО можно полностью возложить на Эйнштейна, и он же сыграл важную роль в развитии квантовой механики. Его отношение к последней выразилось во фразе: «Бог не играет в кости»[32]. Но все указывает на то, что Бог чрезвычайно азартен, и Ему нравится бросать игральные кубики при каждом удобном случае.

В этом эссе я попытаюсь передать основные идеи, лежащие в основе этих двух теорий, и расскажу, почему Эйнштейн никак не хотел примириться с квантовой механикой. Я также покажу, какие удивительные парадоксы возникают при попытках объединить эти две теории. Выходит так, что само время не вечно, что оно началось пятнадцать миллиардов лет назад и может закончиться когда-нибудь в будущем. Либо у Вселенной нет границ. Она никогда не была создана и не будет разрушена. Она просто есть.

Начну я с теории относительности. Если государственные законы имеют хождение только на территории одной страны, то законы физики справедливы и в Британии, и в США, и в Японии. Те же законы действуют на Марсе и в туманности Андромеды. Более того, законы не зависят от скорости вашего движения. Одни и те же законы будут справедливы, едете ли вы в сверхскоростном экспрессе, или летите в реактивном самолете, или просто стоите на месте. Если честно, конечно, то нужно признать, что абсолютно неподвижным вам остаться не удастся, так как Земля движется вокруг Солнца со скоростью тридцать километров в секунду. Мало этого, Солнце движется вокруг галактического центра со скоростью несколько сотен километров в секунду. И так далее. Но все эти виды движений не влияют на законы физики. Законы физики одинаковы для всех наблюдателей.

Эта инвариантность по отношению к скорости движения системы была впервые подмечена Галилеем, который открыл законы движения тел, справедливые для разных объектов, будь то пушечное ядро или планета. Но когда ученые попытались распространить эти законы на движение света, возникла неувязка. Еще в XVIII веке стало ясно, что свет не доходит мгновенно от источника до наблюдателя. Скорость света в вакууме равна примерно 300 000 кмс. По отношению к чему оценили эту скорость? Сначала думали, что в пространстве «разлито» некое вещество, сквозь которое и проходит свет. Это вещество назвали эфиром. Идея заключалась в следующем. Пусть световые волны распространяются сквозь эфир со скоростью 300 000 кмс, тогда наблюдатель, который неподвижен по отношению к эфиру, будет фиксировать именно такую скорость движения света. Но наблюдатель, который движется сквозь эфир, «увидит», что скорость света будет либо больше, либо меньше. В частности, разумно было предположить, что скорость света зависит от движения Земли по орбите вокруг Солнца. Однако в 1887 году Майкельсон и Морли провели тщательный эксперимент и показали, что скорость света остается неизменной. С какой бы скоростью ни двигался наблюдатель, он всегда фиксировал одну и ту же скорость света – 300 000 кмс.

В это невозможно было поверить. Как могут наблюдатели, двигающиеся с разными скоростями, регистрировать одну и ту же скорость света? Они и не могут, если верны «нормальные» представления о пространстве и времени. И тут в 1905 году появилась знаменитая статья Эйнштейна, который показал, что наблюдать одну и ту же скорость света можно, если отказаться от идеи универсального времени. Если каждый наблюдатель запасется собственными часами, он будет измерять индивидуальное время. Если наблюдатели не будут мчаться с бешеной скоростью друг относительно друга, они не заметят разницы в показаниях своих часов. Но если скорости движения будут сильно отличаться, разные часы покажут разное время. Этот эффект проявился при сравнении двух разных часов: одни оставались на поверхности Земли, а другие находились на борту самолета. Оказалось, что часы в самолете шли медленнее, чем стационарный аналог, оставшийся на Земле. При обычных, нормальных скоростях движения разница хода часов незаметна. Если задаться целью удлинить свою жизнь на одну секунду с помощью этого эффекта, придется 400 миллионов раз облететь вокруг земного шара. Но потери от этого предприятия будут куда более ощутимы, ведь вам придется съесть ту еду, что вам предложит стюардесса.

Как же получается, что путешественники, двигающиеся с разными скоростями и снабженный каждый своими часами, измеряют одну и ту же скорость света? Скорость светового импульса равна расстоянию, которое он проходит между двумя событиями, деленному на интервал времени, который разделяет эти два события. (Под событием мы имеем в виду нечто, произошедшее в некоей точке пространства и в определенный момент времени.) Разногласия у путешественников возникнут уже на первом этапе, потому что если у них разные скорости движения, они измерят разные расстояния между двумя событиями. Например, если я проеду в автомобиле один километр по скоростному шоссе, это не значит, что гипотетический наблюдатель на Солнце измерит то же самое расстояние, пройденное машиной; для солнечного «жителя» пройденное мной расстояние будет равно 1800 км, потому что Земля как планета в это время не стояла на месте. В ситуации, когда скорость света неизменна, а расстояния между событиями различаются, наблюдателям придется признать, что они измеряют различные интервалы времени.

Основные принципы теории относительности, изложенные в статье Эйнштейна, вышедшей в 1905 году, называются специальной теорией относительности (СТО). Эта теория описывает движение объектов в пространстве и времени. Согласно СТО время не есть универсальная величина, «гуляющая» сама по себе, независимо от пространства. Представьте себе, что будущее и прошлое – это такие же направления, по которым можно двигаться в пространстве-времени, как вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад. В основном мы двигаемся во времени в будущее, но иногда можем чуть-чуть переместиться под углом к этому направлению. Вот почему время может течь с разной скоростью.

СТО объединила время и пространство, но, даже объединившись, они продолжали оставаться фиксированной средой, на фоне которой рассматривались те или иные события. Вы могли выбирать различные траектории для движения сквозь пространство-время, но любой сценарий ваших действий не мог изменить фон пространства-времени. Однако все изменилось, когда в 1915 году Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО). Он выдвинул революционную идею о том, что гравитация – это не просто сила, действующая внутри фиксированного фона пространства-времени. В рамках ОТО гравитация представляла собой искривление пространства-времени, вызванное наличием массы и энергии. Разные объекты, будь то пушечные ядра или планеты, стремятся двигаться по прямой сквозь пространство-время, но поскольку оно не плоское, а искривлено и деформировано, траектории объектов оказываются изогнутыми. Земля пытается двигаться по прямой линии, но кривизна пространства-времени, вызванная массой Солнца, заставляет нашу планету двигаться вокруг светила. Аналогичным образом свет от далеких