Стивен Хокинг - Краткие ответы на большие вопросы

Ученые сейчас пытаются объединить общую теорию относительности Эйнштейна и идею Фейнмана о том, что Вселенная имеет множество историй, в единую теорию, которая будет описывать все, что происходит во Вселенной. Объединенная теория даст нам возможность вычислить, как будет эволюционировать Вселенная. Но объединенная теория сама по себе не объяснит, как началась Вселенная или каково было ее изначальное состояние. Для этого требуется кое-что еще. Нам нужно знать так называемые пограничные условия, то есть то, что может объяснить происходящее на границе Вселенной, на краю пространства и времени. Если граница Вселенной представляет собой нормальную точку пространства и времени, мы можем пройти за нее и объявить территорию, находящуюся дальше, частью Вселенной. С другой стороны, если граница Вселенной имеет зазубренный край, где пространство или время скручиваются, а плотность бесконечна, то будет очень сложно определить поддающиеся толкованию пограничные условия. Так что не ясно, что требуется для пограничных условий. Похоже, нет логических оснований отдавать предпочтение одним пограничным условиям перед другими.

Мы с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре догадались, что есть третья возможность. Не исключено, что Вселенная не имеет границ в пространстве и времени. На первый взгляд, это вступает в прямое противоречие с геометрическими теоремами, которые я упоминал раньше. Они показывают, что у Вселенной должно быть начало, граница времени. Однако ученые, пытавшиеся математическими способами уточнить методы Фейнмана, разработали концепцию, получившую название «мнимое время». Оно не имеет никакого отношения к реальному времени, которое мы ощущаем. Мнимое время не имеет границ. Оно не имеет отношения к пограничным условиям. Мы назвали эту возможность «безграничным предложением».

Если пограничные условия Вселенной заключаются в том, что она не имеет границ в мнимом времени, значит, у нее не единственная история. В мнимом времени существует множество историй, и каждая из них будет определять историю в реальном времени. Таким образом, появляется множество историй Вселенной.

Что влияет на выбор конкретной истории или ряда историй, в которых мы живем, из всего множества вероятных историй Вселенной?

Можно сразу обратить внимание на то, что многие из этих вероятных историй Вселенной не затрагивают последовательность образования галактик и звезд – а это необходимое условие для нашего собственного развития. Не исключено, что разумные существа могут эволюционировать без галактик и звезд, но это маловероятно. Таким образом, сам факт, что мы есть и как разумные существа способны задать вопрос «Почему Вселенная именно такая?», является ограничением для той истории, в которой мы живем. Получается, что это одна из меньшинства историй, в которых существуют галактики и звезды. Мы это называем антропным принципом. Он утверждает, что Вселенная должна быть более или менее такой, какой мы ее видим, потому что, будь она иной, не было бы тех, кто ее может наблюдать.

Многим ученым не нравится антропный принцип, потому что он кажется надуманным и не обладает существенной предсказательной силой. Но антропный принцип можно изложить в точной формулировке, а это имеет большое значение, когда речь идет о происхождении Вселенной. М-теория, наш пока лучший кандидат на роль исчерпывающей объединенной теории, допускает очень большое количество вероятных историй Вселенной. [10] Подробнее об М-теории см.: Хокинг С . Мир в ореховой скорлупке. – М.: Амфора, 2007; Хокинг С., Млодинов Л. Кратчайшая история времени. М.: АСТ, 2017. – Прим. ред. Большинство этих историй совершенно неприемлемы для развития разумной жизни. Они либо пустые, либо слишком короткие, либо слишком сильно искривлены, либо не годятся по каким-то иным причинам. Однако идея Ричарда Фейнмана о множественном прошлом допускает высокую вероятность таких «необитаемых историй».

На самом деле нам совершенно не важно, сколько может существовать историй, которые не содержат разумной жизни. Нас интересует лишь подгруппа, в которой развивается разумная жизнь. Эта разумная жизнь совершено не обязательно должна быть похожа на человеческую. Маленькие зеленые человечки тоже могут существовать, и не исключено, что гораздо лучше. Человечество не может похвастаться особо разумным поведением.

Чтобы понять действенность антропного принципа, попробуем рассмотреть количество направлений во Вселенной. Здравый смысл подсказывает, что мы живем в трехмерном пространстве. Иными словами, мы можем определить положение точки в пространстве тремя координатами. Например, широтой, долготой и высотой над уровнем моря. Но почему пространство трехмерное? Почему у него нет двух, или четырех, или еще какого-то количества измерений, как в научной фантастике? На самом деле в М-теории пространство имеет десять измерений (а также в этой теории есть еще одно измерение – время), но считается, что семь из десяти измерений скрученные и очень маленькие, в то время как остальные три большие и почти плоские. Это похоже на соломинку для коктейля. Поверхность соломинки двумерная. Но одно измерение скручено в маленькую трубочку, поэтому на расстоянии соломинка выглядит как одномерная линия.

Почему мы живем не в той истории, где восемь измерений скручены и малы, а мы обращаем внимание только на два? Двумерное животное будет испытывать большие проблемы с перевариванием пищи. Если у такого животного желудок будет находится внутри, как у нас, то он разделит животное надвое, и бедняга попросту распадется.

Согласно идее о безграничности Вселенной, задавать вопрос о том, что было до Большого взрыва, так же бессмысленно, как спрашивать, где юг на Южном полюсе, – поскольку нет представления о времени, на которое можно сослаться. Концепция времени существует только в нашей Вселенной.

Двух плоских измерений недостаточно для такого сложного явления, как разумная жизнь. В трехмерном пространстве есть нечто особенное. В трехмерном пространстве планеты могут сохранять устойчивые орбиты вокруг своих звезд. Это следствие того, что гравитация подчиняется закону обратных квадратов, открытому Робертом Гуком в 1665 году и доработанному Исааком Ньютоном. Речь идет о гравитационном притяжении двух тел на определенном расстоянии. Если дистанция увеличивается вдвое, сила притяжения уменьшается вчетверо. Если расстояние увеличивается втрое, тогда силу притяжения следует делить на девять, если вчетверо – на шестнадцать и так далее. Это обеспечивает стационарные орбиты планет. А теперь поговорим о пространстве с четырьмя измерениями. Здесь гравитация подчиняется закону обратных кубов. Если расстояние между двумя телами удваивается, то силу притяжения следует делить на восемь, если увеличивается втрое – на двадцать семь, если вчетверо – на шестьдесят четыре. Такое изменение действия закона обратных квадратов приводит к тому, что планеты теряют стационарные орбиты. Они должны либо упасть на свою звезду, либо улететь в космический холод и мрак. Таким же образом потеряют стабильность электроны атомов, и вещество в известном нам виде перестанет существовать. Следовательно, если идея множества историй и допускает такое же множество почти плоских направлений, только в историях, имеющих три плоских направления, возможно нахождение разумных существ. Только в таких историях можно задать вопрос: «Почему пространство имеет три измерения?»