Вирусная диссертация: как Стивен Хокинг сделал сложное модным

Кембриджский университет опубликовал диссертацию ученого Стивена Хокинга 1966 года.

Фото: GLOBAL LOOK PRESS

Что случилось?

23 октября 2017 года Кембриджский университет решил сделать общедоступной диссертацию знаменитого ученого и популяризатора науки Стивена Хокинга, написанную им еще в 1966 году. Вдумайтесь: 51 год назад! И внезапно сайт университета «лег». Кстати, даже 24 октября он периодически все еще «ложился», хотя пробиться и скачать вирусную диссертацию все же иногда было можно — в просветы между новыми сбоями.

Большинство СМИ трактовали это как признак ажиотажного интереса к работе ученого, но это не совсем так. Скачиваний лишь около 70 тысяч, просто базовая версия pdf-файла весит 72 мегабайта — вот небольшой университетский сервер и не выдержал. Был бы файл в пару мегабайт или сервер помощнее — ничего и не случилось бы.

Правда, никто в Кембридже и не задумывался о таком «трафике», потому что обычно «популярные» работы оттуда скачивают раз по сто, а непопулярные —по пальцам пересчитать. И это не просто так. Основная часть скачавших диссертацию Хокинга вряд ли вообще сможет прочитать ее полностью. Дело не только в том, что в ней 130 страниц — более важно то, что она, как и любая диссертация, требует приличной подготовки со стороны читателя. И, тем не менее, ее смысл можно пересказать довольно кратко, что мы и сделаем ниже.

О чем эта диссертация?

Хокинга рассматривает последствия открытия расширения Вселенной. Это стало известно уже с 1930-х годов и предполагалось (кстати, впервые — жителем СССР) еще в 1920-х. Исходя из факта расширения, британец разбирал популярную тогда теорию гравитации Хойля-Нарликара. Согласно ей, материя появилась вне связи с процессом расширения Вселенной (сегодня известно, что как раз наоборот — в тесной связи).

Теория эта, как впервые тогда показал именно Хокинг, ошибочна, поскольку не совместима с расширяющейся Вселенной. Забавно, что хотя сама гипотеза, которую он критикует, и неверна, его критика... тоже была неверна! Сегодня нам известно, что ускоренное расширение Вселенной делает разбор Хокинга устаревшим. Он не учитывал возможности такого ускорения, отчего расчеты некорректности Хойля-Нариликара сами оказались некорректны.

Однако диссертация британца написана за 30 лет до открытия ускоряющегося расширения Вселенной после Большого Взрыва, и критиковать ученого за незнание этого факта сложно. В конце концов, все ошибаются — Эйнштейн тоже ведь не хотел верить в то, что Вселенная расширяется, настолько странной казалась ему сперва эта мысль. Ничего удивительного, что не менее экзотическая концепция все ускоряющегося расширения не пришла в голову и Хокингу полвека назад.

Кстати, незадолго до публикации своей диссертации Хокинг предположил, что Хойль и Нарликар могли быть правы — если во Вселенной существует нечто, с отрицательной массой. Сейчас на место этого «нечто» пришла темная энергия — идея о некоей субстанции, которая «расталкивает» пространство во все стороны, немного похоже на то, как это делает субстанция с отрицательной массой у Хокинга.

Во второй главе Хокинг разбирает влияние расширения Вселенной на распределение массы в ней. Он затрагивают загадку галактик – «островов материи» в пустыне Вселенной, на одном из которых живем и мы. Автор приходит к выводу, что галактики не могли возникнуть из изначально малых неоднородностей ранней Вселенной и должно быть другое объяснение. Какое? Увы, это не было понятно до конца ни в 1966 году, ни сегодня. А вот сама идея, что загадочные неоднородности с самого начала должны были быть заметными, до сих пор находит новые подтверждения.

В третьей главе физик затрагивает гравитационное излучение — те самые гравиволны, что только в прошлом году были открыты посредством реальных наблюдений. В четвертой — проблему сингулярностей. Суть ее в том, что по существующим представлениям до Большого взрыва материя должна была иметь бесконечную плотность и температуру, будучи сжата в одну точку с нулевой шириной, высотой и длиной. В те годы многие пытались как-то «избавиться» от сингулярности в расчетах — ведь любые физические формулы при введении в них бесконечной плотности перестают осмысленно описывать события. Они для таких переменных просто не предназначены.

Стивен Хокинг в 1974 году.

Фото: EAST NEWS

Хокинг, однако, показывает, что такие решения без сингулярности, на самом деле, не работают. Нельзя сказать, чтобы с тех пор мы продвинулись в понимании вопроса существенно дальше кандидатской полувековой давности. По-прежнему ясно, что сингулярность могла существовать, и по-прежнему не ясно, удастся ли ее толком описать с научной точки зрения.

Может показаться, что основная ценность диссертации Хокинга — в обсуждении вопросов, на сегодня потерявших актуальность (вроде гипотезы Хойля-Нарликара), либо в разборе ситуации с галактиками, где он указывает на проблемы с их происхождением, но не может найти решения (собственно, его ищут до сих пор). Как мы видим, ничего сенсационного с точки зрения человека с улицы. Откуда же такой ажиотаж, почему сайт «положили»?

Хайпующий Хокинг

Чтобы понять это, стоит вспомнить, кто вообще такой Хокинг, и за что его знает и любит публика. Самый большой вклад он внес в изучение черных дыр — тел, у которых плотность так велика, что свет не может вырваться из их поля тяготения. Снаружи они, по логике, должны быть совершенно черными — ведь даже фотоны света от них не могут улететь. Британцу удалось применить термодинамику к изучению черных дыр и доказать, что на самом деле они... излучают! Выбрасывают фотоны (хотя и очень редко). То есть, строго говоря, не такие уж они и черные.

Кстати, это также значит, что они не вечные, а малые черные дыры и вовсе крайне короткоживущие. Вся их энергия превращается в такое излучение, и они буквально «испаряются». Его так и называют — излучение Хокинга. Ведь именно он впервые рассчитал его, а также то, что из-за него черные дыры испаряются и умирают. Рассчитал... но не открыл.

Да-да, излучение Хокинга, как это часто бывает в науке, открыл совсем не тот, в честь кого это явление назвали. Работа Хокинга по излучению («испарение черных дыр») вышла в 1974 году. А за год до этого он побывал в СССР. Там советские ученые Зельдович и Старобинский продемонстрировали ему с теоретической точки зрения, что фотоны с длиной волны больше горизонта событий черной дыры (зоны, где остальные фотоны перехватывает гравитация) должны преодолевать тяготение черной дыры за счет квантового туннелирования.

Суть этого эффекта в том, что фотон по законам квантовой механики с определенной вероятностью может преодолеть вроде бы не преодолеваемую преграду (зеркало, или тяготение черной дыры), если его энергия выше определенного уровня.

Демонстрация описываемого эффекта.

На самом деле, Зельдович тоже не сам это все придумал — идея была высказана советским физиком Владимиром Грибовым, еще до приезда Хокинга в СССР. То есть, излучение должно было называться излучением Грибова — если бы, конечно, советский ученый оформил свою мысль в соответствующей работе с необходимыми расчетами. Увы, он этого не сделал, лишь озвучив ее устно, откуда о ней и узнал Зельдович.

Есть у Хокинга и множество других работ — например, именно он математически доказал, что «у черных дыр нет волос». А точнее, что по таким фотонам (излучение Грибова-Хокинга) ничего нельзя узнать о черной дыре, которую эти фотоны покинули. Из этого следует, что содержимое черных дыр для нас непознаваемо — несмотря на то, что они изредка излучают. Даже если бы черная дыра состояли не из нашей материи, а из антиматерии, по доходящим до нас фотонам излучения понять это было бы решительно невозможно.

И все же будем честны — много интересных работ среди современных физиков написало не так уж мало человек. Смолин, Торн, Пенроуз – и целый ряд других. Тем не менее, если вы остановите на улице прохожего и спросите, что он думает об этих людях, то скорее всего, он скажет, что никого из них не знает. Почему же так известен именно Хокинг? Факторов его успеха немало, но главный из них — необычная судьба и его необычайный характер как личности.

Харизма Хокинга

Физик страдает боковым амиотрофическим склерозом. Это очень редкая болезнь с неясным механизмом действия, из-за которой у человека отмирают двигательные нейроны. Сначала наступает паралич, а затем — смерть от остановки дыхания. Этот страшный диагноз ему поставили в 1963 году. Поскольку врачи тогда только начали изучать экзотическое заболевание, вдобавок они еще и сказали, что жить ему осталось 2-3 года. Хокингу тогда был 21 год, и перспектива несколько преждевременной гибели его расстроила. Тогда он сосредоточился и решил как можно больше успеть на научном поприще. Как честно признает ученый, до того он учился и работал с охотой, но без фанатизма — а вот после диагноза все изменилось. Когда понимаешь, что времени больше нет, ценить его становится намного проще.

С тех пор прошло 54 года, а ученый по-прежнему жив. Правда, подвижность у него сохранили лишь мышцы в районе щеки. Подергивая ими, он управляет специально доработанным компьютером, синтезирующим сигналы от мышцы физика в слова. Таким трудоемким образом исследователь общается на научных конференциях и даже лекциях для широкой публики. Пожалуй, из живущих ученых он наиболее известный человек с инвалидностью — и наиболее успешный в преодолении столь тяжкого недуга. Конечно, физик-теоретик с такими особенностями чаще других достается внимание СМИ и «широких масс».

Ну а здесь «выстреливает» уже второй компонент популярности Хокинга — современный научпоп. Как это ни печально, он имеет свои законы, среди которых медийность и раскрученность персонажа, про которого пишешь, — чуть ли не главный фактор, определяющий, стоит ли о нем писать вообще. Кто знает о Грибове, предположившем излучение черных дыр? Никто, он умер в 1997 году практически неизвестным вне академических кругов. Зельдович, некогда весьма «медийный» физик советского времени, тоже, скажем так, сегодня не слишком на слуху. Да, Хокинг очень удачно умеет создавать аналогии, доступные людям разных профессий, но ведь и космолог Новиков умел придумывать их не хуже... Чего стоит одно только блестящее объяснение им физической природы путешествий во времени – знаменитый принцип Новикова!

Конечно, это не значит, что для популярности ученому обязательно надо быть инвалидом. Есть еще Хиггс (бозон Хиггса), или астроном Майк Браун (планета Батыгина-Брауна, она же девятая планета). Но если вы не открыли частицу, которая определила параметры буквально всего в окружающем мире или новую планету в Солнечной системе, рассчитывать на популярность будет непросто. Человек, не сдающийся перед тяжелейшей болезнью в двадцать раз дольше, чем ожидали врачи — это, пожалуй, достойный кандидат в такие «нетипичные знаменитости».