Мой долг — выразить признательность друзьям, коллегам, благодаря которым родилась эта книга
Я начал писать эту книгу благодаря Элейн Хоукс Ватсон, чья безграничная любознательность к вопросам устройства Вселенной вдохновляла меня постоянно… За те пятнадцать лет, в течение которых я то откладывал книгу, то вновь возвращался к ней, мне оказали неоценимые помощь и поддержку близкие друзья и моя семья: Линда Торн, Карес Торн, Брет Торн, Элисон Торн, Эстель Грегори, Бонни Шумейкер и, конечно же, моя жена Кароли Уинстайн.
Я обязан многим моим коллегам — физикам, астрономам и астрофизикам, которые согласились дать мне интервью и поведали о своих воспоминаниях, касающихся разных событий и истории некоторых исследований, описанных в этой книге. Их имена приведены в специальном списке в самом начале Библиографии.
Четверо из моих коллег — Владимир Брагинский, Стивен Хокинг, Вернер Израэль и Карл Саган — были настолько добры, что согласились прочесть рукопись и высказали свои к критические замечания. Многие другие читали отдельные главы и уточняли отдельные исторические и научные детали: Владимир Белинский, Роджер Блэндфорд, Карлтон Кейве, С.Чандрасекар, Рональд Дривер, Виталий Гинзбург, Джесси Гринштейн, Исаак Халатников, Игорь Новиков, Роджер Пенроуз, Деннис Сиама, Роберт Сербер, Роберт Спиро, Алексей Старобинский, Рокус Вогт, Роберт Уолд, Джон Уилер, Яков Борисович Зельдович. Благодаря советам этих коллег книга стала гораздо более точной. Однако не следует думать, что они соглашались со мной во всем. В некоторых случаях наша интерпретация тех или иных событий отличалась. Я придерживался в книге своей собственной точки зрения (часто, но не всегда, с учетом критических замечаний коллег). Ряд этих замечаний, в целях исторической справедливости, приведен в Примечаниях.
Большая часть первой версии книги была в пух и прах раскритикована Линдой Обет. Я ей также благодарен. Вторую версию книги постигла та же участь со стороны К.С. Коул, однако потом она терпеливо работала со мной над книгой, страница за страницей, пока мы не получили текст, который нас удовлетворил. Ей я особенно признателен. Я благодарю также Дебру Макей за тщательное прочтение окончательного варианта рукописи; она оказалась еще большей перфекционисткой, чем я.
Книга была значительно улучшена в результате критических замечаний, сделанных после того, как ее прочли нефизики: Людмила (Лили) Бирладину, Дорис Дрюкер, Линда Феферман, Ребекка Льюсвейт, Питер Лиман, Дина Метсгер, Фил Ричман, Барри Торн, Элисон Торн, Кароли Уинстайн. Я всем им очень благодарен. Я признателен также Хэлен Надсен, которая уточнила ряд ссылок и фактов.
Мне посчастливилось увидеть восхитительные рисунки Мэтью Зимета в книге Хейнца Пейджела «Космический код». Я попросил его проиллюстрировать и мою книгу, от чего она значительно выиграла.
Наконец, я хочу поблагодарить Издательскую программу Общественного фонда и, в особенности, Александра Дж. Берна и Антонину В.Буи, а кроме того, Эда Барбера из «W.W.Norton and Company» за их поддержку, терпение, веру в меня как писателя на протяжении всех этих лет, которые понадобились, чтобы закончить эту книгу.
действующие лица
Список действующих лиц, чье появление было необходимо для повествования
Примечание : краткие характеристики ученых и перекрестные ссылки на них, которые здесь собраны, не претендуют на то, чтобы считаться биографическими очерками. (Многие из них внесли большой вклад в областях науки, выходящие за рамки этой книги, и поэтому не получили должного освещения.) Основным критерием при включении в этот раздел была не важность научного вклада, а, скорее, частота появления того или иного лица на страницах этой книги.
Бааде, Вальтер (1893–1960) — американский оптический астроном, немец по происхождению. Вместе с Цвикки разработал концепцию сверхновых звезд и их связи с нейтронными звездами (глава 5); отождествил галактики, связанные с космическими радиоисточниками (глава 9).
Бардин, Джеймс Максвелл (р. 1939) — американский физик-теоретик. Показал, что многие (возможно, большинство) черных дыр в нашей Вселенной должны обладать быстрым вращением; совместно с Петтерсоном предсказал, что вращение черных дыр должно влиять на окружающие аккреционные диски (глава 9); совместно с Картером и Хокингом открыл четыре закона механики черных дыр (законы эволюции черных дыр) (глава 12).
Бекенштейн, Якоб (р. 1947). — израильский физик-теоретик, ученик Уилера. Вместе с Хартлом показал, что по внешним проявлениям черной дыры невозможно определить, из каких частиц она состоит (глава 7); предположил, что поверхностная площадь черной дыры является мерилом ее энтропии, и выдержал по этому поводу борьбу с Хокингом, оказавшись, в конце концов, правым (глава 12).
Бор, Нильс Хендрик Давид (1885–1962) — датский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии. Один из основателей квантовой механики; наставник многих ведущих физиков середины XX века, включая Льва Ландау и Джона Уилера; был на стороне Чандрасекара в его споре с Эддингтоном (глава 4); пытался уберечь Ландау от тюремного заключения (глава 5); совместно с Уилером разработал теорию ядерного деления (глава 6).
Брагинский, Владимир Борисович (р. 1931) — советский физик-экспериментатор. Обнаружил квантово-механические пределы точности физических измерений, в том числе с помощью гравитационно-волновых детекторов (глава 10); создал концепцию устройств на основе квантово-неразрушающих измерений, что позволяет обойти указанные квантовые пределы (глава 10).
Вебер, Джозеф (р. 1919) — американский физик-экспериментатор; впервые в мире предложил гравитационно-волновые антенны, участвовал в разработке интерферометрических детекторов гравитационных волн (глава 10); единодушно считается «отцом» гравитационно-волновой астрономии.
Герох, Роберт (р. 1942) — американский физик-теоретик, ученик Уилера. Совместно с другими учеными разрабатывал методы анализа черных дыр (глава 13); показал, что топология пространства может меняться (например, при формировании кротовых нор) только в присутствии машины времени (глава 14); совместно с Уолдом выдвинул предположение о саморазрушении машины времени в момент ее образования (глава 14).
Гинзбург, Виталий Лазаревич (р. 1916) — советский физик-теоретик. Изобрел топливо для советской водородной бомбы, содержащее дейтерид лития (LiD) (глава 6); совместно с Ландау предложил объяснение сверхпроводимости (главы 6 и 9); привел доказательство отсутствия «волос» у черных дыр (глава 7); предложил механизм синхротронного излучения космических радиоволн (глава 9) [в 2003 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике за открытия в области сверхпроводимости. — Прим. пер.].
Гринштейн, Джесси Л. (1909–2002) — американский астроном-оптик, коллега Цвикки (глава 5). Работал вместе с Фредом Уипплом над объяснением космических радиоволн (глава 9); стоял у истоков американской радиоастрономии (глава 9); совместно с Мартином Шмидтом открыл квазары (глава 9).
Джиаккони, Риккардо (р. 1931) — американский физик-экспериментатор и астрофизик, итальянец по происхождению. Руководитель научной группы, открывшей первую рентгеновскую звезду (1962) с помощью детектора, установленного на ракете (глава 8); руководитель группы, спроектировавшей и построившей рентгеновский спутник «Ухуру», благодаря которому были получены уверенные доказательства того, что источник Лебедь Х-1 — черная дыра (глава 8) [в 2002 г. получил Нобелевскую премию по физике за наблюдения рентгеновских источников излучения. — Прим. пер.].
Зельдович, Яков Борисович (1914–1987) — советский физик-теоретик и астрофизик. Руководил школой советских астрофизиков (глава 7); разработал теорию ядерных цепных реакций (глава 5); участвовал в разработке атомной и водородной бомбы, возглавлял группу по созданию бомбы (глава 6); совместно с Дорошкевичем и Новиковым фактически первым доказал, что «у черной дыры нет волос» (глава 7); предложил несколько астрономических методов поиска черных дыр, один из которых, в конце концов, оказался успешным (глава 8); независимо от Салпетера предположил, что сверхмассивные черные дыры являются источниками энергии квазаров и радиогалактик (глава 9); на основании законов квантовой механики выдвинул идею излучения вращающейся черной дыры, которая в процессе излучения замедляется; совместно со Старобинским подтвердил эту идею; противостоял идее Хокинга об излучении и испарении невращающейся черной дыры (глава 12).
Израэль, Бернер (р. 1931) — канадский физик-теоретик, уроженец Южной Африки. Доказал, что любая невращающаяся черная дыра должна быть сферичной и что черная дыра теряет «волосы» в процессе излучения (глава 7); сделал открытие, что поверхностная площадь черной дыры может только увеличиваться, но не осознал значение этого вывода (глава 12); совместно с Пуассоном и Ори показал, что приливные силы вокруг сингулярности черной дыры слабеют с возрастом дыры (глава 13); на ранней стадии исследования черных дыр высказал много ценных идей (глава 3).
Картер, Брэндон (р. 1942) — австралийский физик-теоретик, ученик Денниса Сиамы в Кембридже (Англия), позднее переехал во Францию. Объяснил свойства вращающихся черных дыр (глава 7); совместно с другими учеными доказал, что черная дыра не имеет «волос» (глава 7); совместно с Бардином и Хокингом открыл четыре закона механики черных дыр (законы эволюции черных дыр) (глава 12).
Керр, Рой П. (р. 1934) — новозеландский математик. Нашел решение уравнения поля Эйнштейна, описывающее вращающуюся черную дыру, — «решение Керра» (глава 7).
Ландау, Лев Давидович (1908–1968) — советский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии. В 1930-х годах, вернувшись в СССР, продолжал работу над идеями, которые появились у него во время стажировки в Западной Европе (главы 5 и 13); высказал гипотезу о том, что выделение энергии звездами происходит вследствие захвата звездного вещества нейтронным ядром в центре звезды, и тем самым дал толчок Оппенгеймеру, начавшему изучать нейтронные звезды и черные дыры (глава 5); был заключен в тюрьму сталинским режимом, но затем освобожден и продолжал развивать теорию сверхпроводимости (глава 5); работал над созданием яд ер-ного оружия (глава 6).
Лаплас, Пьер Симон (1749–1827) — французский натур-философ. Исходя из ньютоновских законов физики, выдвинул идею «темной звезды» (фактически, черной дыры); занимался популяризацией этой идеи (главы 3 и 6).
Лоренц, Хендрик Антон (1853–1928) — голландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии. Создал основные предпосылки для открытия законов специальной теории относительности, в том числе сокращение Лоренца — Фицджеральда и замедление времени (глава 1); друг и сторонник Эйнштейна, поддерживал его в период создания им общей теории относительности (глава 2).
Майкельсон, Альберт Абрахам (1852–1931) — американский физик-экспериментатор, немец по происхождению, лауреат Нобелевской премии. Придумал метод интерферометрии (глава 1); с использованием этого метода совершил открытие, что скорость света не зависит от скорости движения наблюдателя во Вселенной (глава 1).
Максвелл, Джеймс Кларк (1831–1879) — британский физик-теоретик, создатель законов электричества и магнетизма (глава 1).
Мизнер, Чарльз В. (р. 1932) — американский физик-теоретик, ученик Уилера. Предложил графическое описание процесса образования черной дыры при взрыве звезды (глава 6); создал научно-исследовательскую группу, работа которой совпала с «Золотым веком» в исследовании черных дыр (глава 7); сделал открытие, что электромагнитные и другие волны, распространяющиеся возле вращающейся черной дыры, могут усиливаться за счет энергии вращения дыры (глава 12); открыл осцилляции приливной гравитации вблизи сингулярности (глава 13).
Минковский, Герман (1864–1909) — немецкий физик-теоретик, учитель Эйнштейна (глава 1), создатель концепции единого пространства-времени (глава 2).
Митчелл, Джон (1724–1793) — британский натур-философ. Исходя из ньютоновских законов физики, выдвинул идею «темной звезды» (фактически, черной дыры); занимался популяризацией этой идеи (главы 3 и 6).
Новиков, Игорь Дмитриевич (р. 1935) — советский физик-теоретик и астрофизик, ученик Зельдовича. Совместно с Дорошкевичем и Зельдовичем предложил доказательство того, что у черной дыры нет «волос» (глава 7); совместно с Зельдовичем предложил метод поиска черных дыр в нашей Галактике, который оказался успешным (глава 8); совместно с Торном изучал структуру аккреционного диска вокруг черной дыры (глава 12); совместно с Дорошкевичем высказал предположение, что приливные силы внутри черной дыры должны меняться в процессе старения черной дыры (глава 13); исследовал возможность существования машины времени в рамках существующих законов физики (глава 14).
Ньютон, Исаак (1642–1727) — британский натур-философ. Является создателем классической механики; ввел концепцию абсолютного пространства и времени (глава 1); открыл закон всемирного тяготения (глава 2).
Оппенгеймер, Дж. Роберт (1904–1967) — американский физик-теоретик. Занимался теоретическими исследованиями вначале в Западной Европе, а затем, в 1930-е годы, в США (глава 5); совместно с Сербером опроверг гипотезу Ландау об энерговыделении звезд за счет нейтронных ядер; совместно с Волковым определил максимально возможный предел массы для нейтронной звезды (глава 5); совместно со Снайдером рассчитал модель коллапса массивной звезды в черную дыру (глава 6); являлся руководителем проекта американской атомной бомбы; вначале противостоял проекту водородной бомбы, а затем одобрил его, но потерял допуск к секретности (глава 6); выдержал битву с Уилером по вопросу о коллапсе черных дыр (глава 6).
Пенроуз, Роджер (р. 1931) — британский математик и физик-теоретик, протеже Сиамы. Выдвинул предположение, что черные дыры теряют «волосы» через излучение (глава 7); сделал открытие, что вращающиеся черные дыры запасают огромные количества энергии в воронках пространства вне горизонта событий и что эту энергию можно оттуда извлекать (глава 7); ввел концепцию видимого горизонта событий черной дыры (главы 12 и 13); сделал вывод, что площадь поверхности черной дыры должна увеличиваться, но не придал этому выводу должного значения (глава 12); разработал глобальные (топологические) методы анализа черных дыр (глава 13); привел доказательство того, что в ядрах черных дыр должна существовать сингулярность, и совместно с Хокингом пришел к выводу, что Большой взрыв содержал сингулярность (глава 13); предположил существование «космической цензуры», согласно которой законы физики препятствуют образованию «голых сингулярностей» в нашей Вселенной (глава 13).
Прайс, Ричард (р. 1943) — американский физик-теоретик и астрофизик, ученик Торна. Привел убедительное доказательство того, что черная дыра избавляется от своих «волос» путем излучения и что все, что в принципе может излучаться, будет полностью излучено (глава 7); выдвинул гипотезу о пульсации черных дыр, но не осознал до конца значения этого предположения (глава 7); совместно с другими учеными развивал понятие о мембране в приложении к черным дырам (глава 11); очень скептически относился к идее машины времени, выдвинутой Торном (глава 14).
Пресс, Вильям (р. 1948) — американский физик-теоретик и астрофизик, ученик Торна. Вместе с Тьюкольски доказал, что черные дыры устойчивы по отношению к малым возмущениям (главы 7 и 12); выдвинул гипотезу о том, что черные дыры могут пульсировать (глава 7); настаивал на том, что эпоха интенсивного исследования черных дыр подошла к концу (глава 7).
Рис, Мартин (р. 1942) — британский астрофизик, ученик Сиамы. Создал модели двойных звездных систем с аккрецией газа на черную дыру от звезды-компаньона (глава 8); предложил гипотезу, что гигантские «радиоуши» у радиогалактик подпитываются потоками энергии из галактических ядер, и совместно с Блэндфордом рассчитал детальные модели для этих потоков (глава 9); совместно с Блэндфордом и другими коллегами создал модели радиогалактик, квазаров и активных галактических ядер, содержащих сверхмассивную черную дыру (глава 9).
Сахаров, Андрей Дмитриевич (1921–1989) — советский физик-теоретик, «отец» водородной бомбы (глава 6), ближайший друг, соратник и соперник Зельдовича (главы 6 и 7), впоследствии стал диссидентом, реабилитирован в период гласности.
Сиама, Деннис (р. 1926) — британский астрофизик, руководитель исследований по черным дырам в Британии (главы 7 и 13).
Торн, Кип С. (р. 1940) — американский физик-теоретик, ученик Уилера. Сформулировал условия образования черной дыры из звезды при ее взрыве (глава 7); сделал оценки для гравитационных волн, которые могут излучаться астрофизическими источниками, и развивал идеи и планы обнаружения этих волн (глава 10); совместно с другими учеными разрабатывал концепцию мембраны в приложении к черным дырам (глава 11); развивал идеи статистического происхождения энтропии черной дыры (глава 12); занимался апробацией законов физики путем мысленных экспериментов с червоточинами и машинами времени (глава 14).
Тьюкольски, Саул А. (р. 1947) — американский физик-теоретик, уроженец Южной Африки, ученик Торна. Предложил метод анализа возмущений вращающихся черных дыр и совместно с Прессом показал в рамках этого метода, что черные дыры устойчивы по отношению к малым возмущениям (главы 7 и 12); совместно с Шапиро показал, что законы физики не запрещают, в принципе, образование «голых» сингулярностей в нашей Вселенной (глава 13).
Уилер, Джон Арчибальд (р. 1911) — американский физик-теоретик, руководитель американских исследований по черным дырам и другим аспектам общей теории относительности (глава 7). Вместе с Гаррисоном и Вакано нашел уравнение состояния для холодной материи и составил каталог холодных «мертвых» звезд, послуживший аргументом в пользу образования черных дыр из массивных звезд (глава 5); совместно с Нильсом Бором разрабатывал теорию деления атомного ядра (глава 6); возглавлял группу по разработке первых американских водородных бомб (глава 6); в споре с Оппенгеймером первоначально отрицал существование черных дыр, но затем сменил свою точку зрения и стал их защитником (глава 6); считается автором выражений «черная дыра» и «у черной дыры нет волос» (глава 7); доказывал, что «результат конечной стадии» звезды, взрывающейся под действием ее собственного гравитационного поля, является ключевым моментом для объединения общей теории относительности и квантовой механики; благодаря его работам были созданы предпосылки для открытия Хокингом испарения черных дыр (главы 6 и 13); заложил основы для создания законов квантовой гравитации и, самое главное, ввел понятие «квантовой пены», которая предположительно входит в состав сингулярности (глава 13); ввел константы «длина Планка — Уилера» и «площадь Планка-Уилера» (главы 12–14).
Уолд, Роберт М. (р. 1947) — американский физик-теоретик, ученик Уилера. Предложил дальнейшую разработку метода Тьюкольски, посвященного анализу возмущений черной дыры и вытекающим следствиям (глава 7); совместно с другими учеными рассматривал картину поведения электрических полей вне черной дыры — картину, которая легла в основу мембранной концепции (глава 11); внес вклад в теорию испарения черных дыр и рассмотрел ее значение для происхождения энтропии у черной дыры (глава 12); совместно с Герохом привел первые аргументы в пользу разрушения машины времени в самый момент ее возникновения (глава 14).
Хартл, Джеймс Б. (р. 1939) — ученик Уилера. Совместно с Бекенштейном показал, что по внешним проявлениям черной дыры невозможно определить, из каких частиц она состоит (глава 7); совместно с Хокингом открыл законы эволюции горизонта событий черной дыры (глава 12) и продолжает искать законы квантовой гравитации (глава 13).
Хокинг, Стивен У. (р. 1942) — британский физик-теоретик, ученик Сиамы. Привел основное доказательство того, что у черной дыры нет «волос» (глава 7); совместно с Бардином и Картером открыл четыре закона механики черных дыр (законы эволюции черных дыр) (глава 12); доказал, что без учета законов квантовой механики поверхностная площадь черной дыры возрастает, а испарение и сжатие черной дыры возможно только в рамках квантовой механики (глава 12); показал, что крошечные черные дыры могли образоваться при Большом взрыве; совместно с Пейджем рассчитал наблюдательные пределы для этих первичных черных дыр на основе того, что астрономы не видят гамма-излучения в процессе их испарения (глава 12); разработал глобальные (топологические) методы анализа черных дыр (глава 13); совместно с Пенроузом доказал, что Большой взрыв содержал сингулярность (глава 13); сформулировал гипотезу о «защите хронологии», которая должна действовать в присутствии флуктуаций вакуума, разрушающих любую машину времени в момент ее возникновения (глава 14); держал пари с Кипом Торном относительно того, является ли Лебедь Х-1 черной дырой (глава 8) и может ли в нашей Вселенной образоваться «голая сингулярность» (глава 13).
Цвикки, Фриц (1898–1974) — американский физик-теоретик, уроженец Швейцарии, астрофизик и астроном-оптик. Совместно с Бааде занимался исследованиями Сверхновых звезд и высказал предположение, что в результате взрыва Сверхновой нормальная звезда превращается в нейтронную звезду (глава 5).
Чандрасекар, Субраманьян (р. 1910) — американский астрофизик, индиец по происхождению, лауреат Нобелевской премии. Вывел предел массы белых карликов и отстаивал точность своего предсказания в споре с Эддингтоном (глава 4); участвовал в разработке теории малых возмущений черных дыр (глава 7).
Шварцшильд, Карл (1876–1916) — немецкий астрофизик. Предложил решение для уравнения поля Эйнштейна, описывающее геометрию пространства-времени вблизи обычной невращающейся звезды, как статичной, так и в процессе взрыва, а также вблизи невращающейся черной дыры (глава 3); нашел решение уравнения Эйнштейна для центральной части звезды с постоянной плотностью, на основании которого Эйнштейн отрицал существование черных дыр (глава 3).
Эддингтон, Артур Стэнли (1882–1944) — британский астрофизик, сторонник общей теории относительности Эйнштейна с самых первых дней ее появления (глава 3), противник концепции черных дыр и предела массы белых карликов Чандрасекара (главы 3 и 4).
Эйнштейн, Альберт (1879–1955) — родившийся в Германии швейцарско-американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии. Сформулировал законы специальной (глава 1) и общей теории относительности (глава 2); показал, что свет одновременно является частицей и волной (глава 4); не признавал черные дыры (глава 3).