Китти Фергюсон - Стивен Хокинг. Непобедимый разум

Пока Хаббл не доказал, что вселенная расширяется, вера в статическую вселенную (вселенную с неизменными размерами) была настолько прочна, что Эйнштейн, создав к 1915 году общую теорию относительности, предполагавшую в числе прочего нестатичность вселенной, предпочел внести изменения в свою теорию, до такой степени он был убежден в неизменности размеров вселенной. Великий физик дополнил свое уравнение “космологической константой”, уравновешивающей гравитацию. Без космологической константы общая теория относительности утверждала то самое, что мы теперь принимаем за истину: размеры вселенной меняются.

Российский физик Александр Фридман решил принять теорию Эйнштейна в ее первозданном виде, без космологической константы, и на основании этой теории предсказал то, что подтвердит в 1929 году Хаббл: вселенная расширяется.

Фридман исходил из двух предпосылок: 1) вселенная кажется одинаковой, в какую сторону ни глянь, и исключение составляют лишь близкие к нам объекты – очертания галактики Млечного Пути, наша Солнечная система; 2) вселенная выглядит одинаково с любой точки наблюдения во вселенной. Иными словами, космическому путешественнику вселенная все равно будет казаться одинаковой, в каком направлении ни погляди.

Первую предпосылку Фридмана принять нетрудно, а вот со второй нелегко смириться. Мы не располагаем доказательствами ни за ни против. Как говорит Хокинг, “мы соглашаемся с этим утверждением лишь из скромности: странно было бы, если б вселенная выглядела одинаковой во всех направлениях только с Земли, но не из других точек наблюдения”. Странно, однако ведь не вовсе невозможно. Скромность – ничуть не более убедительный аргумент, чем гордыня. И все же физики в большинстве своем согласны с Фридманом.

В модели Фридмана все галактики движутся прочь друг от друга, и чем дальше они друг от друга, тем быстрее расходятся. Это совпадает с наблюдениями Хаббла. По мнению Фридмана, путешествуя во вселенной, мы все так же будем видеть, как вселенные убегают от нас. Вообразите себе муравья, ползущего по воздушному шарику, на поверхности которого нарисованы на равном расстоянии точки. И пусть муравей не воспринимает то измерение, которое позволило бы ему выглянуть “за пределы” поверхности шарика. О внутренней стороне шарика он также не имеет понятия. Вселенная муравьишки сводится к поверхности шарика. Она кажется одинаковой во всех направлениях. И куда бы муравей ни пополз, впереди столько же точек, сколько позади. Если шарик начнет раздуваться, муравей из любой точки поверхности увидит, как точки отдаляются от него. Вселенная в виде надувающегося шарика соответствует обоим предположениям Фридмана: она выглядит одинаково, куда ни погляди, и она выглядит одинаково из любой точки наблюдения.

Что еще можно сказать о вселенной – воздушном шарике? Ее размеры не бесконечны. У поверхности “шарика” имеются определенные параметры, которые мы можем измерить, как и поверхность Земли. Никто ведь не утверждает, будто поверхность Земли бесконечна. Но вместе с тем у поверхности Земли нет границ, и в этом смысле она беспредельна. Муравей, ползущий по воздушному шарику, никогда не наткнется на непреодолимое препятствие, поверхность нигде не кончается, он не свалится с нее: если будет ползти достаточно упорно, вернется когда-нибудь в исходную точку.

В первоначальной модели Фридмана пространство выглядит именно так: оно обладает не двумя, а тремя измерениями, но гравитация загибает пространство на самое себя. В таком случае вселенная отнюдь не бесконечна по размеру, но и не имеет предела, то есть границы. Ни один космический корабль никогда не долетит до того места, где вселенная кончается. Понять это непросто, ведь мы привыкли отождествлять понятия “бесконечный” и “беспредельный”. Однако это не одно и то же.

Хокинг напоминает: хотя затея облететь вселенную и вернуться в исходный пункт могла бы послужить прекрасным сюжетом для научной фантастики, на деле она неосуществима, по крайней мере, в этой модели Фридмана. Чтобы облететь вселенную прежде, чем вселенная перестанет существовать, понадобилась бы скорость, превышающая лимит для этой вселенной (то есть скорость света), а это невозможно. Наш шарик очень велик, а мы – совсем маленькие муравьишки.

Время в этой модели Фридмана тоже не бесконечно. Его можно измерить, и, в отличие от пространства, у времени есть границы, есть начало и конец. Посмотрите на рисунок 6.1а. В начале времени расстояние между двумя галактиками равно нулю. Они расходятся – расходятся медленно, и масса вселенной достаточно велика, так что постепенно силы притяжения останавливают это движение и вынуждают вселенную, наоборот, сжиматься. Галактики начинают вновь сближаться. В конце времен расстояние между ними опять равно нулю. Возможно, именно так устроена наша вселенная.

На рисунках 6.1b и 6.1c представлены две другие модели, которые также соответствуют предпосылкам Фридмана (вселенная выглядит одинаково во всех направлениях и из любой точки). На рис. 6.1b расширение происходит значительно быстрее. Гравитация не может его остановить, только слегка замедляет. На рис. 6.1с вселенная расширяется не так быстро, как на рис. 6.1b, но достаточно быстро, чтобы избежать коллапса. Скорость расхождения галактик становится все меньше и меньше, однако они продолжают расходиться. Если верна какая-либо из этих двух моделей вселенной, то пространство бесконечно: оно не заворачивается само на себя.

Рис. 6.1. Три модели, соответствующие идее Фридмана: вселенная выглядит одинаковой в любом от нас направлении, и вселенная выглядит одинаково из любой точки наблюдения во вселенной.

Какая модель соответствует нашей вселенной? Зависит от того, сколько во вселенной массы, сколько голосов в совокупности у электората. Чтобы “закрыть” вселенную, понадобится значительно больше массы, чем мы наблюдаем сейчас. Так в упрощенном виде формулируется намного более сложная проблема, к которой мы в дальнейшем еще вернемся.

Теория Пенроуза о звездах, которые в результате коллапса превращаются в черные дыры, работает лишь в бесконечном пространстве, во вселенной, которая будет расширяться вечно (как на рис. 6.1b и 6.1c), а не схлопнется (как на рис. 6.1а). Хокинг первым взялся доказать, что вселенная с бесконечным пространством не только должна иметь сингулярные точки в виде черных дыр, но и начиналась с сингулярной точки. Заканчивая свою работу, он почувствовал такую уверенность, что подытожил: “В прошлом у нас – сингулярная точка” [98] Hawking S. Ph. D. thesis. University of Cambridge, March 1966. .