Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

В начале лектор кратко рассказывает о своей главной специальности — физической космологии. Это удивительный раздел астрономической науки, изучающий Вселенную как единое целое. Космология во многом является синтетической наукой, включающей в себя астрономию, физику и математику. В то же время от других наук ее отличает специфическая структура, как в значительной степени умозрительной и гипотетической дисциплины. Развитие современной космологии основывается на положении, по которому все законы природы, установленные на нашей планете и в ближайшем космическом окружении, безусловно, распространяются на всю видимую Вселенную — Метагалактику. Это, конечно же, не означает, что где-то в глубинах космоса ученые не смогут открыть новые поразительные физические закономерности, но они никогда не отменят уже открытые законы природы в пространстве и времени, а будут расширять и развивать их на новом уровне.

Затем Хокинг проводит исторический экскурс, приводя примеры, как на протяжении веков величайшие умы человечества — Коперник, Кеплер, Галилей и Ньютон — считали окружающий Мир однородным и неизменным. На эти же свойства Вселенной изначально опирался в своих построениях Эйнштейн. Создатель теории относительности считал, что Вселенная в космических масштабах практически не эволюционирует, в общем-то пребывая в неизменном состоянии, не подвластном течению времени. При этом, разумеется, в разных частях Метагалактики возникают и гаснут звезды, распадаются и возникают вновь целые галактики, но общая картина Мира остается в принципе неизменной. Тем неожиданней было теоретическое и практическое (в астрономических наблюдениях) открытие поразительного факта, что реальная Вселенная непрерывно пребывает в динамичном состоянии стремительного разлета, а все грандиозные галактические структуры напоминают разлетающиеся (в настоящий момент еще и ускоренно!) осколки вселенской супербомбы.

После лекционного вступления Хокинг ставит риторический вопрос, возникший после открытия расширяющейся Вселенной: а что будет, если проследить эволюцию Метагалактики обратно во времени?

Уже в простейших космологических моделях при попытках «повернуть вспять» историю Вселенной возникает образ очень загадочной точки вселенского сжатия, лежащей у истоков нашего Мира и носящей название космологическая сингулярность. Эта во многом мнимая точка (ведь указать ее координаты просто невозможно — нет подходящей системы отсчета!) и будет являться моментом «начала начал» расширения нашей Вселенной. Сам астрономический термин «сингулярность» можно перевести как особенность, необычность или исключительность, ведь начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятными плотностями материи и энергии, стремящимися к бесконечности.

Понятие космологической сингулярности тесно связано с кривизной окружающего нас трехмерного пространства, которое может быть как замкнутым, так и разомкнутым. Вопрос о том, в каком Мире мы живем, на самом деле определяется всего лишь одним-единственным параметром: плотностью окружающего нас Космоса. К примеру, если плотность Метагалактики будет ниже некоей критической отметки, то наш Мир окажется открытым и будет расширяться практически до бесконечности. Правда, некоторые современные космологические сценарии предрекают, что в этом случае само пространство-время не выдержит бесконечного «растяжения», и произойдет Большой разрыв. В подобной модели фантастический космический корабль, летящий с субсветовой скоростью не меняя курса, никогда не вернется назад.

Если же плотность вселенской материи превысит данное критическое значение, то пространство окажется замкнутым, и на определенном этапе расширение нашего Мира сменится сжатием. В принципе он может то расширяться, то сжиматься, не выходя в максимуме и минимуме за некоторые пространственно-временные пределы. Наглядно это можно представить в виде резинового шара, который то надувается, то спускается. Понятно, что невозможно раздуть шар больше определенного размера, за которым последует нечто критическое. Это гипотетическая вселенская катастрофа так и называется — Большой разрыв. В подобном замкнутом пространстве наш космолет, не меняя направления полета, может облететь всю Вселенную и вернуться с противоположной стороны Метагалактики.

После создания теории относительности, в двадцатых годах прошлого века, замечательный петербургский математик Александр Александрович Фридман одним из первых получил оригинальные решения уравнений общей теории относительности для всей Вселенной в целом. Анализируя полученные результаты и применяя их к новой теории гравитации Эйнштейна, профессор Фридман сделал сенсационное открытие, обнаружив, что решения уравнений эйнштейновской гравитации предполагают наличие полностью замкнутой Вселенной. А еще из их анализа получалось, что под действием гравитации в отдельных участках космоса материя может как бы «схлопнуться», образовав необычное пространство, замкнутое само на себя. Далее ученый получил еще более неожиданный результат, показывающий, что если наш Мир заполнить тяготеющим веществом, он неуклонно будет либо расширяться, либо сжиматься. Эти решения Фридмана для развивающейся и увеличивающейся Вселенной лежат в основе всей современной космологии.

Как же можно представить себе Мир Фридмана? Здесь Хокинг предлагает оригинальную аналогию в виде глобуса, населенного ползающими по его поверхности «плоскунами». Эти двумерные сущности в силу своего двумерного замкнутого мира даже не подозревают о существовании третьего измерения.

— Давайте представим, — продолжает Хокинг, — что плоскуны решили опытным путем определить границы своего мира. Приступив к измерению длины окружности сферы, они вскоре пришли бы в большое удивление, увидев, что длина окружности, неуклонно возрастая до определенного момента, по мере удаления от начальной точки наблюдений, достигла бы максимума, а затем начала бы также неуклонно уменьшаться, вплоть до нулевой отметки. Это однозначно продемонстрировало бы плоскунам, что их мир замкнут. Надо сказать, что в таком плоско-замкнутом мире должны были бы происходить удивительные вещи….

Тут профессор выдерживает эффектную паузу и продолжает:

— Там действовали бы совершенно иные физические законы, а сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы совсем иначе, чем в нашей Вселенной. Двумерные существа могли бы никогда не узнать, что находится внутри искривленной поверхности сферы, центральная и внешняя часть трехмерного пространства которой по идее должна быть совершенно недоступна для наблюдения с помощью двумерных приборов. Мир плоскунов был бы для них безграничен, но для стороннего наблюдателя казался бы лишь ничтожной частью «внешней» Вселенной.