Книга: Черные дыры и молодые вселенные

9. Происхождение Вселенной

9. Происхождение Вселенной

Вопрос о происхождении Вселенной немного схож с самой древней проблемой: что появилось сначала – курица или яйцо? Другими словами, какая сила создала Вселенную и что создало эту силу? Или, возможно, Вселенная или создавшая ее сила существовали всегда и не нуждались в создании? До недавнего времени ученые сторонились этих вопросов, чувствуя, что они относятся скорее к метафизике или религии, чем к науке. Однако в последние несколько лет получилось так, что научные законы могут охватить даже возникновение Вселенной. В таком случае Вселенная может быть самодостаточной и полностью определяться научными законами.

Споры о том, возникла ли Вселенная когда-то и как она возникла, проходят через всю зафиксированную историю. Существовало две основные школы мышления. Многие ранние традиции, а также иудейская, христианская и мусульманская религии утверждали, что Вселенная была создана в сравнительно недалеком прошлом (в XVII веке епископ Ашер вычислил дату создания Вселенной – 4004 г. до н. э.; он пришел к этой цифре путем сложения возраста персонажей Ветхого Завета). Одним из фактов, взятых им для обоснования идеи о недавнем происхождении Вселенной, было признание того, что человечество очевидно развивается в культуре и технике. Мы помним, кто первым выполнил такое-то действие или развил такой-то метод. Таким образом, утверждается, мы не могли активно развиваться все время, иначе мы бы уже продвинулись гораздо дальше, чем продвинулись на самом деле.

С другой стороны, были и такие люди, как греческий философ Аристотель, которым не нравилась мысль, что Вселенная когда-то возникла. Они чувствовали, что это подразумевает божественное вмешательство, и предпочитали верить, что Вселенная существовала всегда и будет существовать всегда. Существующее вечно совершеннее того, что пришлось создать. У них был ответ на приведенный выше аргумент о человеческом прогрессе: наводнения и другие природные катаклизмы периодически отбрасывали человечество назад, к началу.

Общим было то мнение, что со временем Вселенная существенно не меняется. Или она была создана в том виде, как есть сейчас, или просто всегда была такой. Так считать было естественно, поскольку человеческая жизнь коротка и между рождением и смертью Вселенная значительно не изменялась. В статической, неизменной Вселенной вопрос о том, существовала она всегда или была создана конечное время назад, важен для метафизики и религии – обе могут заняться такой Вселенной. В самом деле, в 1781 году философ Иммануил Кант написал монументальный и весьма туманный труд «Критика чистого разума», в котором заключил, что есть равно здравые аргументы как в пользу того, что Вселенная имеет начало, так и того, что начала у нее нет. Как предполагает название, его умозаключения основывались на «чистом разуме» – другими словами, никакие наблюдения Вселенной в расчет не принимались[17]. В конце концов, что наблюдать в неизменной Вселенной?

Однако в XIX веке стали накапливаться свидетельства, что Земля и остальная Вселенная в действительности со временем изменяются. Геологи поняли, что формации скал и окаменелости насчитывают сотни и тысячи миллионов лет. Это значительно превосходило расчеты сторонников сотворения мира. Дальнейшие свидетельства поступили от так называемого второго закона термодинамики, сформулированного немецким физиком Людвигом Больцманом. Этот закон утверждает, что общее количество беспорядка во Вселенной (эту величину называют энтропией) со временем только возрастает. Это, как и аргумент насчет прогресса человечества, предполагает, что Вселенная развивается лишь какое-то конечное время. Иначе она бы уже деградировала до состояния полного беспорядка, где все имело бы одну и ту же температуру.

Другая проблема в идее о статической Вселенной заключалась в том, что, согласно Ньютонову закону тяготения, каждая звезда во Вселенной должна притягиваться ко всем другим. А если так, как же они могут оставаться неподвижными, на постоянном расстоянии друг от друга? Не должны ли они собраться все вместе?

Ньютон осознавал эту проблему. В письме Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, он согласился, что конечное число звезд не может оставаться неподвижным, – они все притянулись бы к какой-то центральной точке. Однако, возразил он, бесконечное число звезд не собралось бы вместе, поскольку для них нет никакой центральной точки. Этот аргумент служит примером того, сколько ловушек можно встретить, говоря о бесконечных системах. Пробуя по-разному приложить к каждой звезде силы от бесконечного числа остальных звезд во Вселенной, можно получить разные ответы на вопрос, могут ли звезды оставаться на постоянном расстоянии друг от друга. Теперь мы знаем, что правильно будет рассмотреть случай конечной области звезд, а затем добавлять другие, распределенные приблизительно равномерно за пределами этой области. Конечное число звезд, согласно закону Ньютона, соберется вместе, и добавление других звезд за пределами области не остановит коллапса. Таким образом, бесконечное число звезд не может оставаться неподвижным. Если они хоть на мгновение остановятся относительно друг друга, взаимное притяжение заставит их начать падать друг на друга. Или же они могут двигаться друг от друга, и сила притяжения замедляет скорость их удаления.

Учитывая все проблемы в идее о статической и неизменной Вселенной, никто в XVII, XVIII, XIX и начале XX века не предполагал, что со временем она может получить свое развитие. И Ньютон и Эйнштейн упустили шанс предсказать, что Вселенная должна или сжиматься, или расширяться. Ньютона нельзя в этом упрекнуть, поскольку он жил за 250 лет до того, как наблюдения обнаружили ее расширение, но Эйнштейну следовало бы это знать. Общая теория относительности, сформулированная им в 1915 году, предсказала, что Вселенная должна расширяться. Но он по-прежнему был так убежден в ее статичности, что добавил к своей теории элемент, примиряющий ее с теорией Ньютона и уравновешивающий гравитацию.

Открытое в 1929 году Эдвином Хабблом расширение Вселенной полностью изменило характер дискуссии о ее происхождении. Если взять современные сведения о галактиках и пустить время вспять, окажется, что где-то между десятью и двадцатью миллиардами лет назад они все были в куче. В это время, в момент взрыва сингулярности, называемого Большим Взрывом, плотность Вселенной и искривление пространства-времени должны были быть бесконечными. В таких условиях все известные научные законы должны были нарушаться. Для науки это катастрофа. Это означало бы, что наука сама по себе не может предсказать, как возникла Вселенная. Наука могла бы сказать лишь, что «Вселенная такова, какова она есть, потому что она была такой, какой была». Но наука не могла бы сказать, почему сразу после Большого Взрыва Вселенная была такой, какой была.

Ничего удивительного, что многих ученых не устраивал такой вывод, и потому было предпринято несколько попыток избежать заключения, что произошел Большой Взрыв сингулярности и с него началось время. Одной из теорий была так называемая теория устойчивого состояния. Идея заключалась в том, что, когда галактики разлетались друг от друга, в пространстве между ними из постоянно создававшейся материи возникали новые галактики. Тогда Вселенная могла бы существовать вечно почти в том же состоянии, какова она сегодня.

Чтобы Вселенная продолжала расширяться и создавалась новая материя, теория устойчивого состояния требовала несколько изменить общую теорию относительности, но скорость создания материи, согласно ей, должна была быть очень низкой – примерно одна частица на кубический километр в год, что не противоречило наблюдениям. Теория также предсказывала, что средняя плотность галактик и схожих объектов должна быть постоянной и во времени, и в пространстве. Однако наблюдение источников радиоволн вне нашей Галактики, проведенное Мартином Райлом и его группой в Кембридже, показало, что слабых источников больше, чем сильных. В среднем можно было бы ожидать, что слабые источники – это более удаленные. Тут было две возможности: или мы находимся в области Вселенной, где сильные источники встречаются реже, чем в среднем по Вселенной, или плотность источников была выше в прошлом, когда свет отправился к нам из более удаленных источников. Ни одна из этих возможностей не стыковалась с предсказаниями теории устойчивого состояния, предполагавшей, что плотность радиоисточников должна быть постоянной в пространстве и времени. Окончательным ударом по этой теории стало открытие, сделанное в 1964 году Арно Пенциасом и Робертом Уилсоном относительно происхождения микроволнового излучения, исходящего из отдаленных областей вне нашей Галактики. Оно имело характерный спектр излучения, исходящего от горячего тела, хотя в данном случае термин «горячее» вряд ли уместен, поскольку речь идет о температуре 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Вселенная – холодное, темное место! В теории устойчивого состояния не было никакого осмысленного механизма для порождения микроволн с таким спектром. Поэтому от нее пришлось отказаться.

Другую идею, обходившуюся без Большого Взрыва сингулярности, предложили в 1963 году двое ученых из России – Евгений Лифшиц и Исаак Халатников. Они говорили, что состояние бесконечной плотности может иметь место, только если галактики движутся строго друг к другу или друг от друга – лишь в этом случае когда-то в прошлом они могли быть все вместе. Но галактики имеют и некоторую скорость в сторону, и это дает возможность предположить, что в прошлом была какая-то фаза сжатия Вселенной, когда галактики находились очень близко друг к другу, но каким-то образом сумели не столкнуться. В таком случае Вселенная могла начать расширение, миновав фазу бесконечной плотности.

Когда Лифшиц и Халатников сделали свое предположение, я был аспирантом и подыскивал тему для диссертации. Меня заинтересовало, произошел ли в прошлом Большой Взрыв сингулярности, поскольку этот вопрос был решающим для понимания происхождения Вселенной. Вместе с Роджером Пенроузом мы разработали ряд новых математических приемов, чтобы оперировать с этой и схожими проблемами. Мы показали, что, если общая теория относительности верна, любая осмысленная модель Вселенной должна начинаться с сингулярности, а значит, наука может сказать, что Вселенная должна была иметь начало, но не может сказать, как она должна была начаться, – для этого нужно обратиться к Богу.

Было интересно наблюдать изменение отношения к сингулярностям. Когда я учился на последнем курсе университета, почти никто не воспринимал их всерьез. Теперь, благодаря теоремам сингулярности, почти все верят, что Вселенная возникла из сингулярности, где физические законы нарушаются. Однако теперь уже я думаю, что, хотя сингулярности и существуют, физические законы все же могут определить, как возникла Вселенная.

Общая теория относительности – это так называемая классическая теория, то есть она не принимает в расчет тот факт, что частицы не имеют точно определенного положения и скорости, а «размазаны» по маленькой области пространства принципом неопределенности квантовой механики, который не позволяет одновременно измерить и положение, и скорость. В обычных ситуациях это не имеет большого значения, потому что радиус искривления пространства-времени очень велик по сравнению с неопределенностью положения частицы. Однако теоремы сингулярности показывают, что в начале настоящей фазы расширения Вселенной пространство-время было сильно деформировано, с малым радиусом искривления. В этой ситуации принцип неопределенности очень важен. Таким образом, общая теория относительности, предсказывая сингулярности, можно сказать, ведет к собственному крушению. Чтобы обсуждать происхождение Вселенной, нам нужна теория, сочетающая общую теорию относительности и квантовую механику.

Таковой является теория квантовой гравитации. Мы еще точно не знаем, какую форму примет правильная теория квантовой гравитации. Лучшим кандидатом из имеющихся в настоящий момент является теория суперструн, но в ней еще есть ряд нерешенных проблем. Однако можно предположить, какие свойства будут наличествовать в любой жизнеспособной теории. Одно из них – идея Эйнштейна о том, что влияние гравитации можно представить как искривление или возмущение (искажение) пространства-времени материей и заключенной в ней энергией. Объекты стремятся следовать за ближайшим телом по прямой в искривленном пространстве. Однако, поскольку оно искривлено, их пути оказываются изогнутыми словно бы гравитационным полем.

Другой ожидаемый элемент окончательной теории – это предположение Ричарда Фейнмана относительно того, что квантовую теорию можно сформулировать как «сумму предысторий». В простейшей форме идея заключается в том, что каждая частица имеет все возможные пути, или истории, в пространстве-времени. Каждый путь, или история, имеет некую вероятность, зависящую от его формы. Чтобы эта идея заработала, нужно рассмотреть истории во мнимом, а не в реальном времени, где мы якобы живем. Термин «мнимое время» напоминает нам научную фантастику, но на самом деле это хорошо проработанная математическая концепция. В некотором смысле мнимое время можно представить направлением времени, перпендикулярным к реальному времени. Складываются вероятности всех предысторий частицы с определенными свойствами, такими как прохождение через определенные точки в определенное время. Потом нужно экстраполировать результат обратно в реальное пространство-время, в котором мы живем. Это не самый известный подход к квантовой теории, но он дает те же результаты, что и другие методы.

В случае квантовой гравитации идея Фейнмана о сумме историй включает суммирование всевозможных историй по Вселенной – то есть разных искривленных пространств-времен. Они представляют собой историю Вселенной и всего сущего в ней. Тут придется определить, какой класс из возможных искривленных пространств включать в сумму историй. Выбор этого класса пространств определяет, в каком состоянии находится Вселенная. Если в класс искривленных пространств, определяющий состояние Вселенной, войдут пространства с сингулярностями, то вероятность существования таких пространств не удастся определить теорией. Вместо этого вероятностям придется присвоить значения некоторым произвольным образом. Это означает, что наука не может предсказать вероятности таких сингулярных историй для пространства-времени. Таким образом, она не может сказать, как Вселенная должна себя вести. Возможно, однако, что Вселенная находится в состоянии, определяемом суммой, включающей в себя только несингулярные искривленные пространства. В таком случае научные законы объяснят Вселенную полностью, и чтобы определить, как она возникла, не нужно будет обращаться к какой-то внешней по отношению к ней силе. Предположение, что состояние Вселенной определяется суммой только несингулярных историй, в какой-то степени напоминает ситуацию с пьяным, ищущим свои ключи под фонарем: возможно, он потерял их не там, но это единственное место, где их можно найти. Аналогично, Вселенная может быть в состоянии, определяемом суммой не только несингулярных историй, но это единственное ее состояние, в котором наука может предсказать, какой она будет.

В 1983 году Джим Хартл и я предложили получать состояние Вселенной как сумму определенного класса историй. Этот класс состоял из искривленных пространств без сингулярностей, пространств конечного размера, но не имеющих краев и границ, вроде земной поверхности, но с еще двумя измерениями. Земная поверхность имеет конечную площадь, но не имеет сингулярностей, краев и границ. Я проверил это экспериментально: объехал вокруг Земли и нигде с нее не упал.

Предложение, сделанное Хартлом и мной, можно перефразировать так: «Граничным условием Вселенной является то, что она не имеет границ». Только если Вселенная находится в безграничном состоянии, научные законы сами по себе определяют вероятности каждой возможной истории. Таким образом, только в этом случае известные законы определят, как поведет себя Вселенная. Если она находится в каком-либо другом состоянии, класс искривленных пространств в сумме историй включит пространства с сингулярностями. Чтобы определить вероятности таких сингулярных историй, нужно призвать какой-то другой принцип, отличный от известных научных законов. Этот принцип будет чем-то внешним по отношению к Вселенной. Мы не можем вывести его из чего-то внутри нее. С другой стороны, если Вселенная находится в безграничном состоянии, теоретически мы могли бы полностью определить, как она поведет себя, с точностью, ограниченной принципом неопределенности.

Бесспорно, для науки было бы хорошо, если бы Вселенная была в безграничном состоянии, но как мы можем сказать, так ли это? Ответ заключается в том, что из предположения о безграничности Вселенной вытекают некоторые предсказания относительно того, как Вселенная должна себя вести. Если бы все эти предсказания не согласовались с наблюдениями, мы могли бы заключить, что Вселенная не находится в безграничном состоянии. Таким образом, предположение безграничности – это хорошая научная теория в смысле, определенном философом Карлом Поппером: ее можно опровергнуть наблюдением.

Если наблюдения не сойдутся с предсказаниями, мы узнаем, что в классе возможных историй должны быть сингулярности. Однако это почти и всё, что мы узнаем. Мы не сможем рассчитать вероятности сингулярных историй, а значит, не сможем предсказать, как Вселенная должна себя вести. Можно подумать, что эта непредсказуемость не так уж много значит, если она имела место только во время Большого Взрыва, – ведь это было десять или двадцать миллиардов лет назад. Но если предсказуемость нарушилась в очень сильном гравитационном поле при Большом Взрыве, она также нарушится и при коллапсе каждой звезды. Это может случаться несколько раз в неделю только в нашей Галактике[18], и наша способность предсказывать окажется мала даже по стандартам метеопрогнозов.

Конечно, можно сказать, что нет нужды беспокоиться о нарушении предсказуемости на далеких звездах. Однако в квантовой теории все, что полностью не исключено, может случиться – и случится. Следовательно, если класс возможных историй включает пространства с сингулярностями, эти сингулярности могут оказаться где угодно – не только при Большом Взрыве или коллапсе звезды. И наоборот, тот факт, что мы можем предсказать события, – это экспериментальное свидетельство против сингулярностей и за предположение безграничности.

Так что же предсказывает для Вселенной предположение безграничности? Прежде всего, поскольку все возможные истории для Вселенной в какой-то мере конечны, любая система измерения, которую кто-либо мог бы применить для времени, должна иметь наибольшее и наименьшее значение. Следовательно, Вселенная будет иметь начало и конец. Началом в реальном времени будет Большой Взрыв сингулярности. Однако начало во мнимом времени не будет сингулярностью, а будет отдаленно напоминать Северный полюс на Земле. Если за аналог времени взять долготу на поверхности времени, то можно сказать, что поверхность Земли начинается с Северного полюса. И все же Северный полюс – это самая обыкновенная точка на Земле. Точно так же событие, которому мы хотим присвоить имя «начало Вселенной во мнимом времени», будет обыкновенной точкой пространства-времени, такой же, как остальные. Научные законы будут выполняться в начале так же, как и где-либо еще.

По аналогии с поверхностью Земли можно ожидать, что конец Вселенной будет напоминать начало, так же как Северный полюс напоминает Южный. Однако Северный и Южный полюсы соотносятся с началом и концом истории Вселенной во мнимом времени, а не в реальном, в котором мы живем. Если экстраполировать результаты суммирования историй во мнимом времени на реальное время, окажется, что начало Вселенной в реальном времени может сильно отличаться от ее конца.

Вместе с Джонатаном Галливеллом мы провели приблизительный расчет, что же влечет за собой условие безграничности. Мы оперировали со Вселенной как с совершенно гладким и однородным фоном, на котором есть малые возмущения плотности. В реальном времени может представиться, что Вселенная начала расширяться с очень маленького радиуса. Во-первых, расширение будет, так сказать, инфляционным, то есть размер Вселенной будет удваиваться за крошечную долю секунды, как цены в некоторых странах удваиваются каждый год. Мировой рекорд экономической инфляции, вероятно, поставила Германия после Первой мировой войны, когда цена буханки хлеба подскочила за месяц от одной марки до миллиона. Но это ничто по сравнению с инфляцией, случившейся при возникновении Вселенной: ее размер увеличивался в геометрической прогрессии с коэффициентом миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз за крошечную долю секунды. Конечно, это было еще до прихода нынешнего правительства.

Инфляция была хороша тем, что произвела Вселенную, гладкую и однообразную в большом масштабе, которая, чтобы избежать повторного коллапса, расширялась с критической скоростью. Инфляция также была хороша тем, что производила все содержимое Вселенной буквально из ничего. Когда Вселенная была одиночной точкой вроде Северного полюса, в ней не было ничего, а теперь в той части Вселенной, что мы можем наблюдать, содержится по меньшей мере 10⁸⁰ частиц. Откуда же взялись все эти частицы? Ответ заключается в том, что теория относительности и квантовая механика позволяют материи возникать из энергии в форме пар частица-античастица. А откуда взялась энергия на создание этой материи? Ответ таков: она была позаимствована из гравитационной энергии Вселенной. Вселенная взяла в долг огромное количество отрицательной гравитационной энергии, которая точно уравновесила положительную энергию материи. Во время инфляции Вселенная делала огромные долги у гравитационной энергии, чтобы финансировать создание новой материи. В результате восторжествовала кейнсианская экономика: получилась сильная экспансивная Вселенная, полная материальных объектов. А долг гравитационной энергии не будет погашен до скончания Вселенной.

Ранняя Вселенная не могла быть совершенно однородной и равномерной, потому что это нарушило бы существующий в квантовой механике принцип неопределенности. В ней должны были быть отклонения от равномерной плотности. Предположение безграничности подразумевает, что эти различия в плотности имеются уже в своем первоначальном состоянии, то есть они, согласно принципу неопределенности, должны быть насколько возможно малы. Однако в течение инфляционного расширения эти различия будут увеличиваться. Когда период инфляционного расширения закончится, мы окажемся во Вселенной, которая кое-где расширяется быстрее, а кое-где медленнее. В областях более медленного расширения гравитационное притяжение материи будет замедлять дальнейшее расширение. В конце концов такие области прекратят расширяться и сожмутся в виде галактик и звезд. Следовательно, предположение безграничности позволяет объяснить все сложные структуры, которые мы видим вокруг. Однако оно не может дать для Вселенной одного-единственного предсказания, а дает целое семейство возможных историй, каждая со своей вероятностью. Возможна история, в которой на последних выборах в Великобритании победила лейбористская партия, хотя вероятность такой истории мала.

Предположение безграничности имеет глубокий смысл для оценки роли Бога в делах Вселенной. Теперь в основном признано, что Вселенная развивается согласно четко определенным законам. Эти законы могли быть установлены Богом, но, похоже, Он больше не вмешивается в жизнь Вселенной, чтобы их нарушить. Дело Бога было завести часы и запустить ее так, как Ему заблагорассудилось; в таком случае нынешнее состояние Вселенной было бы результатом Божьего выбора начальных условий.

Однако если нечто вроде предположения безграничности верно, ситуация была бы совершенно иной. В этом случае законы физики выполнялись бы даже при возникновении Вселенной, и Бог не имел бы свободы выбора начальных условий. Конечно, Он все равно мог бы произвольно выбрать законы, правящие Вселенной, однако у Него не было бы обширного выбора. Могло бы быть лишь небольшое число непротиворечивых законов, которые привели бы к возникновению таких сложных существ, как мы, чтобы задаться вопросом: какова природа Бога?

И даже если существует всего одно множество возможных законов, это всего лишь множество уравнений. Что же вдыхает в уравнения жизнь и создает Вселенную, чтобы они управляли ею? Эта окончательная единая теория так мощна, что стала причиной собственного существования? Хотя наука может решить вопрос, как Вселенная возникла, она не может ответить, почему Вселенная появилась. На этот вопрос я ответа не знаю.