Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Если Вселенная подобна внутренности черной дыры, а пространство-время замкнуто вокруг нее, можно представить себе согласно стандартной картине Большого Взрыва, что все, в том числе и пространство, расширяется вовне от первоначальной сингулярности, достигает определенного размера, а потом схлопывается обратно, зеркально повторяя последствия Большого Взрыва. Это называется «Большое Сжатие». В такой модели есть и начало времен (первоначальная сингулярность), и конец времен (финальная сингулярность). Хокинг называет начало и конец времен «краями» своей модели вселенной – у такой модели нет краев и границ в пространстве, поскольку пространство свернуто в гладкую поверхность вроде поверхности воздушного шара или поверхности Земли, зато есть «край времени», его начало, когда вселенная была точкой нулевого размера.

Хокинг хотел избавиться от краев и границ не только в пространстве, но и во времени, – создать модель поистине безграничной Вселенной. Он обнаружил, что можно не вдаваться в подробности расчетов всех траекторий всех частиц в пространстве-времени, и тогда общие правила суммы историй в применении к семействам искривленных пространств-времен гласят, что если верно условие безграничности, то есть одна конкретная кривизна, вероятность которой гораздо больше вероятностей остальных вариантов кривизны.

Хокинг подчеркивает, что условие безграничности пока что лишь гипотеза о природе Вселенной, позволяющая построить очень убедительную картину реальности. Это утверждение такой же силы, как и открытие, что интегрирование по траекториям оставляет электрону лишь определенные орбиты вокруг ядра атома, только оно касается космологии: у Вселенной есть на выбор лишь ограниченное количество жизненных циклов, и все они очень похожи друг на друга.

Легче всего представить себе эти модели как обобщение идеи, что вселенная – это поверхность воздушного шара. Раньше считалось, что поверхность – это пространство, а эволюция Вселенной от взрыва до сжатия похожа на то, как шарик сначала надувают, а потом сдувают. Согласно новым представлениям сферическая поверхность – это одновременно и пространство, и время, и ее размеры не меняются, скорее как поверхность Земли, чем как поверхность воздушного шара. Как же согласуется с этой моделью наблюдаемое расширение Вселенной?

Хокинг предлагает нам представить себе Большой взрыв как точку на поверхности сферы – условно говоря, северный полюс. Теперь обведем эту точку кружочком (географической параллелью) – это будет размер пространства, занимаемого вселенной. С течением времени нам придется рисовать параллели все дальше и дальше от северного полюса, и круги будут все больше и больше (они показывают, как расширяется вселенная) – и так до самого экватора. А начиная с экватора и до южного полюса кружки-параллели будут снова уменьшаться: это вселенная с течением времени сжимается в ничто.

Мы по-прежнему считаем, что вселенная рождается в сверхплотном состоянии, эволюционирует, а затем сжимается и возвращается в сверхплотное состояние, однако избавляемся от ограниченности времени, точно так же как мир не кончается на северном полюсе. На северном полюсе нет северного направления, оттуда можно двинуться только на юг. Но это только потому, что у искривленной поверхности Земли такая геометрия. Точно так же в момент Большого взрыва не было прошлого – было только будущее. Это вызвано исключительно свойствами геометрии искривленного пространства-времени. Полный комплект пространства, времени, вещества и энергии замкнут и самодостаточен.

А теперь следующая симпатичная аналогия. Представьте себе, что вы стоите неподалеку от северного полюса и идете прямо на север. Хотя вы идете по прямой, скоро вы обнаружите, что идете строго на юг. Точно так же, если бы у вас была действующая машина времени и вы двинулись бы в прошлое спустя некоторое время после Большого взрыва, вскоре оказалось бы, что вы движетесь вперед во времени, хотя и не прикасались к приборной доске. Вернуться в прошлое до Большого взрыва (строго говоря, до планковского времени) нельзя – этого прошлого попросту нет.

В «Краткой истории времени» Хокинг подробно рассказал, что из этого следует с точки зрения религии. Он не оставил у коллег никаких сомнений, что он по меньшей мере агностик, а космологические исследования лишь укрепляют его убеждения:

Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, в картине мира сохраняется место и для Творца. Но если Вселенная и вправду полностью самодостаточна – не имеет ни края, ни границ, – у нее нет также начала и конца: она просто есть. Так зачем же тогда Создатель? [80]

Но и без Создателя загадок без ответов оставалось еще предостаточно. Уже в 1981 году внимание Хокинга и его коллег переключилось на следующую задачу: как крошечный зародыш Вселенной раздулся до нынешних исполинских размеров?

Вопрос о том, как Вселенная стала такой большой, становился все насущнее на протяжении 1970-х годов. Пока все считали, что Большой Взрыв – это просто модель, с которой можно играть, конкретные механизмы никого не заботили. Но когда накопилось достаточно данных в пользу того, что эта модель хорошо описывает реальную Вселенную, назрела острая необходимость объяснить, из-за чего, собственно, эта модель – а значит, и Вселенная – живет и растет.

Перед космологами 1970-х годов стояли две задачи, которые они тогда еще были не в состоянии решить. Во-первых, почему Вселенная такая однородная, почему она в среднем одинакова по всем направлениям пространства и, в частности, почему температура фонового микроволнового излучения одинакова во всех направлениях? Во-вторых, Вселенная находится в очень тонком равновесии на грани между замкнутостью наподобие черной дыры и открытостью, то есть вечным расширением. В терминах искривления пространства Вселенная на удивление плоская. Но почему?

Если исходить исключительно из ОТО, нет никаких причин, мешающих Вселенной быть, скажем, гораздо сильнее искривленной, а тогда после Большого Взрыва Вселенная расширялась бы совсем недолго, после чего ей пришлось бы коллапсировать, а звезды, планеты и люди просто не успели бы возникнуть. Космологи подозревали, что гладкость и плоскость Вселенной говорит нам что-то фундаментальное о природе Большого Взрыва, но никто не понимал, что именно, пока молодому ученому из Корнельского университета Алану Гуту не пришла в голову свежая мысль.

Предположение Гута называется теорией инфляции и основано на квантовой физике. Гут предположил, что в первый миг после начала вакуум Вселенной был высокоэнергичен – согласно законам квантового мира – но нестабилен. Аналог такого высокоэнергичного состояния – емкость с водой, которая медленно и плавно остывает до температуры ниже 0 °C. Такое супер-остывание возможно, если остужать воду очень осторожно, однако его результат нестабилен. Достаточно легчайшего колебания – и вода превратится в лед и при этом испустит энергию (когда какое-то количество воды замерзает, испускается точно такое же количество энергии, которое необходимо, чтобы растопить ледяной куб соответствующего размера при 0 °C).