Он считал себя умнее. Памяти Стивена Хокинга
14 марта 2018 г. Умер Стивен Хокинг — самый известный ученый современности. О том, какой вклад внес Хокинг в теоретическую физику и наши представления о Вселенной, рассказывает Алексей Старобинский, один из крупнейших специалистов по релятивистской гравитации и космологии, много раз лично встречавшийся с Хокингом
Можно сказать, что главных достижений в научной жизни Стивена Хокинга было три, и я расскажу о них хронологически. Они относятся к трем областям физики: классической теории гравитации, квантовой теории гравитации и космологии.
Вершина первая: теоремы Хокинга — Пенроуза
С этого он начинал, и к тому моменту, когда мы с ним впервые встретились, уже успел прославиться. Кстати, мы познакомились еще до той его встречи со мной и с Яковом Зельдовичем в Москве, которую он описывает в своей книжке. В действительности первая, и более важная, встреча произошла в 1973 году. Тогда большой делегации молодых советских ученых разрешили выехать в Польшу, на конференции в Варшаве и Кракове. В Варшаве темой конференции были черные дыры, в Кракове – космология, и именно об этом были те первые из главных работ Хокинга.
Речь идет о статьях 1966–1967 годов и последующей работе в соавторстве с другим знаменитым британским математиком и физиком — Роджером Пенроузом, опубликованной в 1970-м. В итоге были доказаны несколько родственных теорем. В математическом смысле это были «теоремы существования»: утверждения о том, что при некоторых предположениях должен существовать объект с такими-то свойствами.
Хокинг сформулировал «гипотезу космической цензуры»: согласно ей, невозможность наблюдать сингулярности внутри черных дыр — фундаментальный закон природы
У уравнений общей теории относительности Эйнштейна есть одно свойство, которого нет у более ранних физических теорий — например, у теории Ньютона. В тех теориях все (или почти все) решения уравнений регулярны. Другими словами, все величины, которые могут быть измерены, всегда принимают конечные значения. Но оказалось, что в уравнениях Эйнштейна это не так. У них существуют общие решения с сингулярностями, то есть такие ситуации, когда кривизна пространства-времени обращается в бесконечность.
О том, что сингулярность в принципе иногда может возникать из теории Эйнштейна, было известно со времен замечательного российского ученого Александра Фридмана. Однако многие физики и математики считали, что она возникает только из-за чрезмерной математической идеализации природы: Фридман нашел очень симметричные решения, в которых нет пространственных неоднородностей. Итоговый результат Пенроуза и Хокинга в том и состоял, что опасаться этого не следует. Они строго доказали, что сингулярность возникает и в самых общих решениях этих уравнений, которые где-то в природе должны реализоваться. Другими словами, сингулярности не просто ничему не противоречат, а действительно возникают.
Фундаментальной «теоремы существования» может быть достаточно для математиков, но физикам нужны наблюдаемые следствия. Такие сингулярности должны существовать внутри черных дыр, однако их мы увидеть не можем по принципиальным соображениям: это сингулярности без наблюдаемых нами эффектов. Хокинг много думал об этом и даже сформулировал «гипотезу космической цензуры»: согласно ей, невозможность наблюдать сингулярности внутри черных дыр — фундаментальный закон природы. Однако наблюдаемые эффекты может иметь другая сингулярность — та, что была в прошлом нашей Вселенной. Поэтому имеет смысл попытаться найти эти эффекты.
Разумеется, когда мы говорим, что какие-то величины обращаются в бесконечность, нам следует сделать оговорку. В бесконечность обращаются лишь решения эйнштейновских уравнений, однако мы знаем, что в таких условиях эти уравнения не могут быть точными, потому что вступают в силу законы квантовой механики. Естественно, что это подтолкнуло Стивена Хокинга к изучению квантово-гравитационных эффектов.
Существует ли квантовая гравитация?
Часто можно слышать или читать в популярных статьях, что квантовой теории гравитации не существует. Это все повторяют, но это неверно: на сегодняшний день открыто много квантово-гравитационных эффектов, и они наблюдаемы. Чего не существует, так это полной квантовой теории гравитации, перенормируемой или конечной. Но в этом смысле не существует и полной квантовой теории поля. О том, что квантовой теории гравитации нет вообще, можно было говорить лет сорок назад, до работ Стивена Хокинга и других, до моих собственных работ по этой теме. Мы не знаем, что происходит при энергиях выше порядка планковской массы — это около 10 микрограммов, — но до этих энергий наши расчеты дают надежные предсказания. Путаница возникает, когда говорят, что теория гравитации неперенормируема и принципиально не сочетается с квантовой механикой. Это верно для теории Эйнштейна, но мы ведь и не пользуемся ей в чистом виде. Во-первых, мы знаем, что к ней нужно добавлять следующие члены, квадратичные по кривизне. Именно так устроена, скажем, моя инфляционная модель. В этой теории нет проблемы перенормируемости. Там есть другие проблемы, но мы сейчас об этом не будем говорить. Во-вторых, мы не считаем метрику пространства-времени классической и детерминистической величиной (даже в настоящее время!). Поэтому все существующие предсказания квантово-гравитационных эффектов формулируются для различных средних значений случайных величин, и именно в таком виде их подтверждают наблюдения в случае инфляционного сценария ранней Вселенной. Наконец, на самом деле никто и не ждет, что полную квантовую теорию поля можно построить отдельно для гравитации: это можно будет, видимо, сделать только в рамках объединения всех взаимодействий.