Стивен Хокинг - Краткие ответы на большие вопросы

Я начал заниматься космологией примерно в то время, когда Лифшиц и Халатников опубликовали свое предположение, что Вселенная не имеет начала. Я понял, что это очень серьезный вопрос, но аргументы Лифшица и Халатникова меня не убедили.

Мы привыкли, что причиной событий являются предыдущие события, которые, в свою очередь, произошли из-за еще более ранних событий. Такая причинно-следственная цепочка тянется в прошлое. Но предположим, что у цепочки есть начало – допустим, первоначальное событие. Что стало его причиной? Немногие ученые демонстрируют желание затрагивать этот вопрос. Они стараются избегать его, либо заявляя, как русские ученые и сторонники теории стационарного состояния, что Вселенная не имеет начала, либо настаивая, что вопрос о происхождении Вселенной лежит не в области науки, а а в области метафизики или религии. На мой взгляд, такая позиция недостойна настоящего ученого. Если научные законы в момент зарождения Вселенной оказываются в подвешенном состоянии, не могут ли они оказаться недействительными и в другие моменты? Закон – не закон, если он действует лишь время от времени. Уверен, что мы должны попытаться понять начало Вселенной на научной основе. Возможно, это непосильная для нас задача, но имеет смысл хотя бы попробовать.

Мы с Роджером Пенроузом смогли доказать: если общая теория относительности Эйнштейна верна и соблюдаются определенные рациональные условия, то Вселенная должна иметь начало. С математическими обоснованиями спорить трудно, поэтому Лифшиц и Халатников в итоге согласились с тем, что Вселенная должна иметь начало. Хотя идея начала Вселенной, может, и не совсем соответствовала коммунистическим представлениям, идеологии как таковой никогда не позволяли вставать на пути развития физики как науки. Физики понадобились для создания бомбы, и было важно, чтобы она действовала. Однако советская идеология препятствовала прогрессу в биологии, отвергая генетику как науку.

Наши с Роджером Пенроузом теоремы показали, что Вселенная должна иметь начало, но они мало что могли сказать о характере этого начала. Они показывали, что Вселенная началась с Большого взрыва, с момента, когда Вселенная и все, из чего она состоит, были втиснуты в единственную точку бесконечной плотности, в пространственно-временную сингулярность. В этот момент общая теория относительности Эйнштейна перестает работать. Поэтому нельзя даже предположить, каким образом началась Вселенная. Остается заявить, что объяснение происхождения Вселенной выходит за рамки науки.

Эмпирические данные, подтверждающие, что Вселенная имела очень компактное начало, появились в октябре 1965 года, через несколько месяцев после моей идеи сингулярности. Это было открытие слабого микроволнового фона в космосе. Микроволны ничем не отличаются от тех, что испускает ваша микроволновая печь, разве что гораздо более слабые. Они могут нагреть пиццу всего-то до минус 270,4 градуса Цельсия – маловато для разморозки, не говоря уж о приготовлении. Вы сами могли наблюдать эти микроволны. Те, кто еще помнит аналоговые телевизоры, почти наверняка их видели. При включении телевизора на «пустой» канал несколько процентов «снежинок», которые были видны на экране, как раз имели отношение к этим фоновым микроволнам. Единственное рациональное объяснение этого фона – излучение, оставшееся от ранее очень горячей и плотной структуры. По мере расширения Вселенной это излучение остывает и постепенно превращается в те слабые остатки, которые мы можем наблюдать сегодня.

Мне и ряду других людей не очень нравится идея сингулярности начала Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна перестает работать рядом с Большим взрывом, поэтому она и называется классической. Она неявно предполагает то, что кажется очевидным с точки зрения здравого смысла: каждая частица имеет четко определенное положение и четко определенную скорость. Если известны положения и скорости всех частиц Вселенной в конкретный момент времени, можно вычислить, каковы они могут быть в любой другой момент времени, в прошлом или будущем. Однако в начале ХХ века ученые обнаружили, что не могут определить, что происходит на очень малом расстоянии. Дело не в том, что им были нужны более качественные теории. Оказалось, что в природе существует определенный уровень хаотичности, или случайности, который не может исключить ни одна даже самая лучшая теория. Это отражено в принципе неопределенности, предложенном немецким ученым Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Нельзя абсолютно точно измерить положение и скорость частицы. Чем точнее определяется положение, тем менее точно можно определить скорость и наоборот.

Эйнштейну категорически не нравилась мысль, что во Вселенной правит случай. Свое отношение к этому он выразил в знаменитой фразе: «Бог не играет в кости». Но все свидетельствует о том, что Бог – азартный игрок. Вселенная похожа на гигантское казино, где при каждом случае бросаются кости или запускается колесо рулетки. При каждом броске или обороте колеса владельцы казино рискуют потерять деньги. Но при большом количестве ставок шансы уравниваются, и владелец казино уверен, что средний результат окажется в его пользу. Поэтому владельцы казино так богаты. Единственный шанс выиграть у них – поставить все свои деньги на несколько чисел в рулетке или комбинаций костей.

То же самое во Вселенной. Когда Вселенная большая, существует множество комбинаций того, как выпадут кости, но средний результат предсказать можно. Но когда Вселенная очень маленькая, в самом начале своего расширения, комбинаций тоже мало, и здесь большую роль играет принцип неопределенности. Чтобы понять происхождение Вселенной, необходимо совместить принцип неопределенности с общей теорией относительности Эйнштейна. Это сложнейная задача для физиков-теоретиков. За последние тридцать лет нам еще не удалось решить ее, но прогресс налицо.

Предположим, мы хотим предсказать будущее. Поскольку нам известно несколько комбинаций положения и скорости частицы, мы не можем точно предсказать, как ее положение и скорость изменятся в дальнейшем. Мы можем лишь определить вероятность конкретных комбинаций положения и скорости. Таким образом устанавливается определенная вероятность будущего Вселенной. А теперь попробуем таким же образом представить себе прошлое.

С учетом характера наблюдений, которые мы способны проделать сегодня, можно установить вероятность определенной истории Вселенной. У Вселенной должно быть много вариантов прошлого, и у каждого – своя вероятность. Есть история Вселенной, в которой Англия снова стала чемпионом мира по футболу, хотя вероятность этого невелика. Мысль о том, что у Вселенной несколько вариантов прошлого, может показаться из области научной фантастики, но это научный факт. И все благодаря Ричарду Фейнману, который работал в высшей степени авторитетном Калифорнийском технологическом институте и в свободное время играл на уличных перекрестках на бонго. Для понимания природы вещей Фейнман предложил устанавливать каждому варианту истории степень вероятности и на основании этого делать прогнозы. Это очень хорошо работает для предсказания будущего. Можно предположить, что оно работает и для реконструкции прошлого.