Роберт Сойер - Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

В начале 1960-х шли большие дебаты касательно того, имела ли вселенная начало конечное время тому назад. Если да, то появлялся очевидный вопрос – а что было до появления вселенной? Как шутка. Альтернативная теория гласила, что вселенная существовала всегда, как верил Аристотель, поскольку нечто вечное более совершенно и поскольку это позволяло избежать неловких вопросов про творение.

Чтобы избежать начала вселенной, на котором ломалась физика, Хойл, Бонди и Голд предложили теорию устойчивого состояния. Согласно этой теории, вселенная существовала всегда, а чтобы ее плотность не менялась, вещество постоянно создается, по мере того, как она расширяется. Теория устойчивого состояния никогда не дружила с наблюдениями, но последний гвоздь в крышку ее гроба вбило обнаружение слабого микроволнового фона. Эти микроволны такие же, что в вашей микроволновой печи, но намного менее мощные. Они нагреют вашу пиццу только до –271,3 °C, и этого не хватит даже чтобы разморозить ее, не говоря уже о том, чтобы приготовить.

Между тем вы можете сами наблюдать эти микроволны. Включите аналоговый телевизор на пустой канал. Некоторый процент «снега» на экране будет вызван как раз этими фоновыми микроволнами. Теория устойчивого состояния никак не могла объяснить такой фон. Единственная разумная интерпретация состоит в том, что это излучение, оставшееся от раннего, очень горячего и плотного состояния вселенной. По мере расширения вселенной, это излучение остывало, пока не превратилось в слабый фон, который мы наблюдаем сейчас.

В теории устойчивого состояния было поле отрицательной энергии, что противоречит физике частиц, потому что это привело бы к безостановочному производству пар частиц с положительной и отрицательной энергией. Предполагая, что все поля имеют положительную плотность энергии, Роджер Пенроуз и я доказали, что если классическая общая теория относительности верна и имеют место определенные физически разумные условия, вселенная должна была начаться с сингулярности.

Сингулярность – это место, где уравнения поля классической общей теории относительности не могут быть определены. То есть, классическая общая теория относительности не может предсказать, как должна была начаться вселенная. Это был вывод, который порадовал папу Иоанна Павла II.

На конференции по космологии в Ватикане папа сказал делегатам, что можно изучать вселенную после ее начала, но в само начало исследовать не надо, потому что это момент творения и действие Бога. Я был рад, что он не знал о моем докладе на конференции с предположениями о том, как началась вселенная. Меня не привлекала судьба Галилея, переданного в руки инквизиции.

Многие современные космологи похожи на папу Иоанна Павла II. Они счастливы приложить законы физики к вселенной после ее начала, но про само начало они высказываются очень туманно. Но пока не сказано о том, что случается в начале вселенной, космология не имеет предсказательной силы. Все, что она может сказать, это что сейчас все такое как есть потому, что оно было таким, как было вскоре после начала.

Хотя классическая общая теория относительности предсказывает, что начало вселенной было сингулярностью, где сама эта теория оказывается неприменимой, мы знаем, что полная теория должна быть квантовой, как и теории других физических полей. Хотя у нас пока нет полной теории квантовой гравитации, верной для всех масштабов, у нас есть приближение, пригодное для практических целей. Оно основано на идее Ричарда Фейнмана о сумме по историям (или траекториям). Фейнман был колоритным персонажем, который играл на бонгах в стрип-баре в Пасадене и был блестящим физиком в Калтехе. Он предложил, что система переходит из состояния А в состояние Б каждым возможным путем или историей. Будет история, в которой Луна сделана из сыра, но ее амплитуда мала, и это плохая новость для мышей.

Каждый путь или история имеет определенную амплитуду или интенсивность, определяемую экспонентой от iS , где S – действие этой истории, а амплитуда системы, следующей из А в Б, определяется сложением амплитуд для каждого пути. Поскольку я использую Эвклидов подход, где время мнимо, экспонента от iS будет заменена экспонентой от – S . Обычно доминирующие вклады в суммарную амплитуду вносят истории, близкие к той, которая удовлетворяет классическим уравнениям поля. Тогда эти доминирующие вклады будут пропорциональны экспоненте от —S , где S – действие решения классических уравнений поля.

В случае с вселенной, ее состояние определяется волновой функцией или амплитудой для каждой геометрии поверхности, соответствующей фиксированному моменту времени, и материальными полями на этой поверхности. Для простоты я рассмотрю во вселенной поверхности постоянного времени, представляющие собой круглые 3-сферы радиуса b , а вещество представлю как одно поле φ, имеющее величину χ на поверхности постоянного времени. Волновая функция вселенной, ψ, тогда будет функцией b и χ. Волновая функция вселенной при заданном радиусе и поле вещества определяются сложением амплитуд всех историй, заканчивающихся этим состоянием. Но как начинались эти истории? Это вопрос о начале вселенной, просто он задан в другой форме. Необходим ли творец, чтобы определить, как началась вселенная? Или же изначальное состояние вселенной определяется законами науки?

Чтобы ответить, как начались истории вселенной, мы с Джимом Хартлом предложили, как мы это назвали, гипотезу об отсутствии границ. Она говорит, что Эвклидово пространство-время несингулярно везде, даже в начале. Это как поверхность Земли, только с еще двумя измерениями.

Проблема того, что случается в начале времени, немного похожа на вопрос о том, что случается на краю света, который люди задавали, когда думали, что мир плоский. Мир плоский, как тарелка, и море переливается через край? Я проверил это экспериментально. Я поездил по миру и с края не свалился.

Как мы все знаем, вопрос о том, что происходит на краю света, был решен, когда люди поняли, что мир не плоская тарелка, а искривленная поверхность. Можно представить, что поверхность Земли начинается в точке на Южном полюсе. По мере продвижения к северу размер кругов широты увеличивается. В соответствии с гипотезой об отсутствии границ евклидова история вселенной выглядит примерно так же. При возрастании мнимого времени три сферы постоянного мнимого времени становятся больше. Спрашивать, что было до начала вселенной, будет бессмысленно, потому что нет ничего южнее Южного полюса. Мнимое время, измеренное в градусах широты, будет начинаться на Южном полюсе, но Южный полюс мало чем отличается от любой другой точки; по крайней мере, мне так говорили. Сам я бывал в Антарктике, но не на Южном полюсе.