Черные дыры и молодые вселенные - Страница 4

Поскольку занимался я мало, то планировал сдать выпускной экзамен, рассматривая проблемы теоретической физики и избегая вопросов, требующих фактических знаний. Однако в ночь перед экзаменом из-за нервного напряжения я не мог уснуть и отвечал не блестяще. Моя оценка оказалась на грани между «хорошо» и «отлично», и, чтобы окончательно определиться, экзаменаторы задавали дополнительные вопросы. Они спросили о моих планах на будущее, и я ответил, что хотел бы заняться исследовательской работой. Если бы мне поставили «отлично», я бы отправился в Кембридж, если всего лишь «хорошо» – остался бы в Оксфорде. Мне поставили «отлично».

Я видел для себя две фундаментальные области теоретической физики, которыми мог бы заняться: одна – космология, изучение необъятного, другая – элементарные частицы, изучение бесконечно малого. Элементарные частицы казались мне менее привлекательными, потому что для них не было соответствующей теории, несмотря на то что ученые все время находили множество новых частиц. Исследователи просто разбивали их на семейства, как в ботанике. А в космологии существовала хорошо проработанная теория – общая теория относительности Эйнштейна.

Но в Оксфорде тогда никто не занимался космологией, а в Кембридже работал Фред Хойл – выдающийся астроном того времени. Я подал заявку, чтобы работать над диссертацией у Хойла. Заявка была принята, так как я получил «отлично», но меня опечалило, что моим руководителем стал не Хойл, а некто по имени Денис Сиама, о котором я ничего не слышал. Однако потом оказалось, что это было и к лучшему: Хойл проводил много времени за границей, и, вероятно, я бы не часто с ним виделся, а Сиама был на месте и всегда подстегивал меня, хотя зачастую я и не разделял его идей.

Поскольку и в школе, и в Оксфорде я мало занимался математикой, общая теория относительности показалась мне сначала трудной, и я не сильно в ней продвинулся. К тому же в последний год своего пребывания в Оксфорде я заметил, что становлюсь все более неуклюжим в движениях. Вскоре по приезде в Кембридж мне поставили диагноз АБС – амиотрофический боковой склероз (нейромоторное заболевание, в Соединенных Штатах его называют также болезнью Лу Герига). Врачи не могли предложить никакого лечения и не давали гарантий, что мое состояние не ухудшится.

Сначала болезнь как будто прогрессировала довольно быстро. В своих исследованиях я не видел большого смысла, поскольку не предполагал дожить до получения докторской степени. Однако время шло, а развитие болезни словно замедлилось. К тому же я начал постигать общую теорию относительности и продвинулся в своей работе. Но по-настоящему все изменила моя помолвка с девушкой по имени Джейн Уайлд, с которой я познакомился примерно в то же время, когда мне поставили диагноз. Это дало мне стимул к жизни.

Раз мы собирались пожениться, я должен был получить место, а для получения места нужно было закончить диссертацию. Поэтому я впервые в жизни принялся за работу. К моему удивлению, мне это понравилось. Возможно, не совсем правильно называть это работой. Кто-то однажды сказал: ученые и проститутки берут деньги за то, что им самим доставляет удовольствие.

Я решил подать заявку на должность научного сотрудника в Гонвилл-энд-Кейс-колледже и надеялся, что Джейн напечатает ее, но, когда она приехала ко мне в Кембридж, ее рука была в гипсе – перелом. Должен признать, я проявил меньше сочувствия, чем следовало бы. Сломана была левая рука, и Джейн смогла под мою диктовку написать заявку, а я нашел того, кто ее напечатал.

В заявке нужно было назвать двух людей, которые могли бы дать отзыв о моих работах. Мой руководитель предложил попросить отзыв у Германа Бонди. Бонди был профессором математики в лондонском Кингс-колледже, специалистом по общей теории относительности. Я встречался с ним пару раз, он видел одну мою статью в журнале «Просидингс оф зе Ройял Сосаети», и после лекции, которую Бонди читал в Кембридже, я попросил его дать отзыв. Он взглянул на меня и сказал, что даст, но, очевидно, меня не вспомнил, поскольку, когда к нему обратились по этому поводу из колледжа, Бонди ответил, что никогда обо мне не слышал. Сейчас поступает очень много заявок на место научного сотрудника, и если одно из указанных в заявке лиц говорит, что не знает заявителя, это конец. Но в то время к подобному относились спокойнее. Из колледжа мне сообщили об обескураживающем ответе одного рецензента, и мой руководитель связался с Бонди и освежил его память. После этого Бонди написал мне отзыв – наверное, лучше, чем я заслуживал, и с тех пор я научный сотрудник Кейс-колледжа.

Получение места означало, что мы с Джейн можем пожениться. В июле 1965 года мы это и сделали. В качестве свадебного путешествия мы провели неделю в Суффолке – это все, что нам позволяли средства. Потом отправились на летние курсы по общей теории относительности при Корнеллском университете на севере штата Нью-Йорк. Это было ошибкой. Мы поселились в общежитии, полном супружеских пар с шумливыми маленькими детьми, и это придало странный оттенок нашему браку. Однако в других отношениях летние курсы оказались для меня очень полезны, так как я встретился со многими корифеями в этой области.

До 1970 года мои исследования касались космологии, изучения Вселенной в крупном масштабе. Моя самая значительная работа в этот период была о сингулярностях. Наблюдения отдаленных галактик показывали, что они движутся от нас, – Вселенная расширяется. Это подразумевало, что в прошлом галактики должны были быть ближе друг к другу. Возникал вопрос: было ли в прошлом такое время, когда галактики находились все вместе и плотность Вселенной была бесконечной? Или до того была фаза сжатия, когда галактикам удалось избежать столкновения? Возможно, они пронеслись мимо друг друга и начали разлетаться? Для ответа на этот вопрос требовались новые математические методы. Они были разработаны в 1965–1970 годах, главным образом Роджером Пенроузом и мной. Пенроуз тогда работал в Биркбек-колледже в Лондоне, сейчас он в Оксфорде. Воспользовавшись этими методами, мы показали, что если общая теория относительности верна, то в прошлом должно было быть состояние с бесконечной плотностью.

Такое состояние с бесконечной плотностью называется сингулярностью Большого Взрыва. Это означает, что, если общая теория относительности верна, наука не могла бы рассчитать, как возникла Вселенная. Однако моя более поздняя работа показывает, что если принять во внимание теорию квантовой физики – теорию мельчайших частиц, то рассчитать, как возникла Вселенная, все-таки можно.

Общая теория относительности также утверждает, что массивные звезды, когда израсходуют свое ядерное топливо, сожмутся внутрь себя. Работа, которую проделали мы с Пенроузом, показывает, что они будут продолжать сжиматься, пока не достигнут сингулярности, или бесконечной плотности. Эта сингулярность стала бы концом времени – по крайней мере для звезды и всего сущего на ней. Гравитационное поле сингулярности было бы столь сильным, что свет не мог бы вырваться из области вокруг нее, а затягивался бы этим полем назад. Область, из которой невозможно вырваться, называется черной дырой, а ее границы – горизонтом событий. Все, что падает в черную дыру через горизонт событий, приходит к концу времени в этой сингулярности.

Однажды ночью (это было в 1970 году, вскоре после рождения моей дочери Люси) я размышлял о черных дырах, и вдруг меня осенило, что многие из разработанных Пенроузом и мною методов для доказательства сингулярностей можно применить и к черным дырам. В частности, область горизонта событий, граница черной дыры, не может уменьшаться со временем. И если две черные дыры столкнутся и сольются в одну, то площадь горизонта событий получившейся дыры будет больше суммы площадей горизонтов исходных черных дыр. Это накладывает существенное ограничение на величину энергии, которая выделится при столкновении. Я был так взволнован, что заснуть в ту ночь уже не мог.

С 1970 по 1974 год я работал в основном над черными дырами. Но в 1974-м я сделал, возможно, мое самое удивительное открытие: черные дыры не совершенно черные! Если принять в расчет мелкомасштабное поведение материи, частицы и излучение могут просочиться из черной дыры: она испускает излучение, словно горячее тело.