Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Однако уравнения Эйнштейна, описывающие искажение пространства-времени в присутствии вещества, те самые уравнения, которые так триумфально подтвердили наблюдения солнечного затмения, обладали одной обескураживающей чертой, объяснить которую не мог сам Эйнштейн. Из уравнений следовало, что пространство-время, в котором укоренена материальная вселенная, не может быть статическим. Оно либо сжимается, либо расширяется. Эйнштейн оказался в безвыходном положении и был вынужден добавить к своим уравнениям дополнительное слагаемое – только для того, чтобы удержать пространство-время на месте. Даже в начале 1920-х годов Эйнштейн, как и все его современники, придерживался ньютоновой идеи статической вселенной. Но не прошло и десяти лет, как наблюдения, которые проделал Эдвин Хаббл при помощи нового мощного телескопа, установленного на вершине горы в Калифорнии, показали, что Вселенная расширяется.

Звезды в небе не разлетаются друг от друга. Они принадлежат к одной огромной системе – галактике Млечный Путь, – в которой содержится около ста миллиардов звезд, и она словно остров в космосе. В 1920-е годы астрономы при помощи новых телескопов обнаружили, что за пределами Млечного Пути есть множество других галактик, и во многих миллиарды звезд вроде нашего Солнца. И разбегаются друг от друга не отдельные звезды, а галактики – их уносит вместе с расширением пространства, в котором они находятся.

Этот прогноз ОТО поразил научное сообщество даже сильнее, чем искривление света, заметное во время затмения. Подобным следствиям из собственных уравнений поначалу отказывался верить даже Эйнштейн, но впоследствии наблюдения показали, что так и есть. Самые основы научного мировоззрения пошатнулись. Оказывается, Вселенная не статична, она развивается; впоследствии Эйнштейн признавался, что попытки подправить уравнения, чтобы удержать вселенную на месте, были «величайшей ошибкой в его жизни»[9] – уже к концу 1920-х годов и наблюдения, и теория указывали на то, что Вселенная расширяется. А если галактики разбегаются, значит, когда-то давно они были ближе друг к другу. Насколько ближе? Что происходило в те времена, когда галактики соприкасались? А еще раньше?

Мысль о рождении Вселенной в виде сверхплотного сверхгорячего огненного шара – теория так называемого Большого Взрыва – в наши дни служит краеугольным камнем науки, однако на ее разработку ушло время – более полувека. Пока астрономы искали подтверждения расширения Вселенной и тем самым преобразовывали научную картину Вселенной в целом, их коллеги – физики – разрабатывали квантовую теорию, преображая наше понимание очень малых величин. Внимание исследователей в течение ближайших десятилетий было сосредоточено в основном на разработке квантовой теории, а теория относительности и космология (наука о Вселенной) превратились в экзотическое побочное научное направление, которым занимались лишь несколько узких специалистов-математиков. До объединения большого и малого даже в конце 1920-х оставалось еще очень далеко.

Когда XIX век уступил место XX веку, физики были вынуждены пересмотреть свои представления о природе света. Поначалу скромная поправка к их мировоззрению росла и набирала силу, будто снежная лавина, вызванная одним-единственным снежком, покатившимся вниз по склону, и превратилась в настоящую революцию, охватившую физику в целом – в квантовую революцию.

Первым шагом было осознание, что электромагнитную энергию не всегда можно понимать просто как волну, проходящую сквозь пространство. Например, луч света в некоторых обстоятельствах ведет себя скорее как поток крошечных частиц (теперь их называют фотонами). Среди первооткрывателей «корпускулярно-волнового дуализма» был и Эйнштейн, который в 1905 году показал, что явление, когда электромагнитное излучение вышибает электроны из атомов в металлической пластине (фотоэффект), прекрасно объясняется существованием фотонов, а не волнами электромагнитной энергии. (Кстати, Нобелевскую премию Эйнштейн получил именно за эту работу, а не за две теории относительности.)

Корпускулярно-волновой дуализм изменил все наши представления о природе света. Мы привыкли считать, что импульс – это величина, зависящая от массы частицы и ее скорости (точнее, векторной скорости). Если два тела движутся с одинаковой скоростью, у того, которое тяжелее, импульс больше, и ему труднее остановиться. У фотона нет массы, и, казалось бы, не должно быть и импульса. Однако вспомним, что Эйнштейн открыл, что масса и энергия эквивалентны, а энергия у света определенно есть, более того, луч света – это луч чистой энергии. Поэтому импульс у фотонов есть, и он связан с их энергией, хотя у них нет массы и они не могут менять скорость. Если у фотона меняется импульс, это значит, что у него изменилось количество переносимой энергии, а не скорость, а изменение энергии фотона означает изменение длины его волны.