Книга: Механика машины времени

Глава 15. Время сингулярного безвременья

Глава 15. Время сингулярного безвременья

Что же можно сказать о времени до начала Вселенной? Возникло ли время вместе с нашим миром – или существовало «всегда»? Сегодня в среде физиков-теоретиков все больше кристаллизуется точка зрения, что время в сверхплотном состоянии космологической сингулярности принципиально меняет свои свойства. При рождении новых вселенных из вакуумной пены происходит формирование физических законов и изменение всех физических параметров включая размерности пространства и времени.

С давних пор философы спорят о том, есть ли у Вселенной определенное происхождение, или она существовала всегда. Общая теория относительности подразумевает конечность бытия – расширяющаяся Вселенная должна была возникнуть в результате Большого взрыва. Мы знаем, что живем в расширяющейся Вселенной. Так называемая стандартная модель, доминирующая в современной космологии, утверждает, что если бы мы двигались вспять по времени, то пришли бы к сингулярности – точке, которая содержит все вещество и всю энергию Вселенной. Однако стандартная модель не позволяет нам описать эту сингулярность потому, что законы физики неприменимы к точке, соответствующей бесконечно большой плотности вещества и энергии. Неудивительно, что патриарх современной космологии Джон Уилер утверждал, что Большой взрыв ставит нас перед лицом «величайшего кризиса в физике». Можем ли мы воспринимать Большой взрыв как реальное событие, и как можно примирить это событие с законами природы, обратимыми во времени и детерминистическими? Мы снова возвращаемся к проблемам измерения и необратимости, но теперь – в космологическом контексте.

Однако в самом начале Большого взрыва теория относительности не действовала, поскольку все происходившие в тот момент процессы носили квантовый характер. В теории струн, которая претендует на звание квантовой теории гравитации, вводится новая фундаментальная физическая постоянная – минимальный квант длины. В результате старый сценарий Вселенной, рожденной в Большом взрыве, становится несостоятельным.

Большой взрыв все же имел место, но плотность материи в тот момент не была бесконечной, а Вселенная, возможно, существовала и до него. Симметрия теории струн предполагает, что у времени нет ни начала, ни конца. Вселенная могла возникнуть почти пустой и сформироваться к моменту Большого взрыва или пройти несколько циклов гибели и возрождения. В любом случае эпоха до Большого взрыва оказала огромное влияние на современный космос. Еще древние греки ожесточенно спорили о происхождении времени. Аристотель отвергал идею о наличии некоего начала, объясняя это тем, что из ничего ничто не возникает. А поскольку Вселенная не могла возникнуть из небытия, значит, она существовала всегда. Таким образом, время должно бесконечно простираться в прошлое и в будущее. Христианские богословы отстаивали противоположную точку зрения. Так, Блаженный Августин утверждал, что Бог существует вне пространства и времени и может создавать их точно так же, как и другие аспекты нашего мира. На вопрос «Что Бог делал прежде, чем создал мир?» одиозный теолог отвечал: «Время само является частью Божьего творения, просто не было никакого прежде!».

Если мы будем просматривать космическую историю в обратном порядке, то увидим, как все галактики будто проваливаются в черную дыру и сжимаются в единственную бесконечно малую точку – сингулярность. При этом плотность материи, ее температура и кривизна пространства – времени обращаются в бесконечность. На сингулярности наша космическая родословная обрывается и дальше в прошлое простираться не может.

Условия вблизи нулевого момента времени, соответствующего началу Большого взрыва, настолько экстремальны, что никто пока не знает, как решать соответствующие уравнения. Тем не менее специалисты по теории струн берут на себя смелость высказывать догадки о том, что представляла собой Вселенная до Большого взрыва. Сейчас в ходу две модели.

Первую из них, известную как предвзрывной сценарий, физики-теоретики начали разрабатывать в последнее десятилетие прошлого века. В ней принцип темпорального дуализма объединяется с более известной симметрией обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. Такая комбинация позволяет говорить о новых возможных вариантах космологии, в которых Вселенная, скажем, за несколько мгновений до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через мгновение после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях: если после Большого взрыва расширение замедлялось, то перед ним – ускорялось. Короче говоря, Большой взрыв, возможно, был не моментом возникновения Вселенной, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению.

Прелесть такой картины состоит в том, что она автоматически подразумевает более глубокое понимание теории инфляции: Вселенная должна была пройти период ускорения, чтобы стать настолько однородной и изотропной. В стандартной теории ускорение после Большого взрыва происходит под действием введенного специально для этой цели инфлатона. В предвзрывном сценарии оно происходит перед взрывом как естественное следствие новых видов симметрии в теории струн.

В соответствии с такой моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Если Вселенная безгранично устремляется в будущее, в котором ее содержимое разжижается до скудной кашицы, то она также бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный хаотический газ из излучения и вещества. Силы природы, управляемые дилатоном, были настолько слабы, что частицы этого газа практически не взаимодействовали друг с другом.

Но время шло, силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайным образом материя скапливалась в некоторых участках пространства. Там ее плотность в конечном счете стала настолько высокой, что начали образовываться черные дыры. Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, т. е. Вселенная разбивалась на обособленные части.

Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр – не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства – времени внезапно начинают уменьшаться. Момент такого реверсирования и есть то, что мы называем Большим взрывом. Внутренность одной из описанных черных дыр и стала нашей Вселенной.

Спираль времени

Со времени создания теории Большого взрыва научное сообщество реагировало на необычную природу этой сингулярности, пытаясь полностью исключить Большой взрыв или рассматривая его как своего рода «иллюзию», возникающую вследствие использования некорректного понятия времени, или даже как чудо сродни библейским, о которых повествует Книга Бытия.

Как мы уже упоминали, обсуждать космологию ныне невозможно без обращения к теории относительности, «самой красивой теории в физике», как говорится в знаменитом курсе теоретической физики Льва Ландау и Евгения Лифшица. В ньютоновской физике, даже расшифрованной квантовой механикой, пространство и время заданы раз и навсегда. Кроме того, существует универсальное время, общее для всех наблюдателей. В теории относительности это не так; пространство и время становятся частью картины. Какие последствия имеет это обстоятельство для нашей собственной интерпретации?

В одной из своих последних книг «О времени» видный теоретик Пол Дэвис так комментирует влияние теории относительности: «Самое деление времени на прошлое, настоящее и будущее представляется лишенным физического смысла». Дэвис повторяет знаменитое высказывание Германа Минковского: «Таким образом, пространство само по себе и время само по себе обречены на то, чтобы превратиться в тени».

Здесь полезно привести известное высказывание Эйнштейна о том, что для убежденных физиков различие между прошлым, настоящим и будущим – иллюзия, хотя и стойкая. Но в конце своей жизни Эйнштейн, насколько можно судить, все же изменил свое мнение. В 1949 году издали сборник статей, посвященный Эйнштейну, в котором был материал выдающегося математика Курта Геделя, весьма серьезно воспринимавшего высказывание Эйнштейна о том, что время как необратимость – всего лишь иллюзия. Когда Гедель предложил Эйнштейну космологическую модель, в которой можно было вернуться в собственное прошлое, Эйнштейн отнюдь не пришел в восторг. В своем ответе Геделю он писал, что не верит в то, будто может «телеграфировать в свое прошлое». Эйнштейн даже добавил, что невозможность возвращения в прошлое должна привести физиков к пересмотру проблемы необратимости. Именно это и пытаемся сделать мы.

Во всяком случае мы хотим подчеркнуть, что переворот в физических представлениях, произведенный теорией относительности, не повлиял на наши предыдущие заключения. Необратимость, или течение времени, остается таким же «реальным», как в нерелятивистской физике. Возможно, мы могли бы даже утверждать, что необратимость играет даже большую роль, когда мы переходим к все более высоким энергиям.

Было высказано предположение, главным образом Хокингом, что на раннем этапе развития Вселенной пространство и время утрачивают всякое различие, и время становится «опространствованным». Но, насколько нам известно, никто не предложил механизм для такого опространствования времени и не указал, каким образом пространство и время могли возникнуть из того, что часто называют «пеной».

Сегодня у части теоретиков весьма распространена позиция, в которой Большой взрыв считается необратимым процессом в истинном смысле слова. На этой основе возникла группа гипотез, в которых довзрывная Правселенная, которую иногда называют квантовым вакуумом, испытывает на пути к нашей реальности своеобразный необратимый космологический фазовый переход. Необратимость должна была возникнуть вследствие нестабильности в Правселенной, вызванной взаимодействиями гравитации и вещества. Ясно, что в этих вопросах мы подходим к краю положительного знания в опасной близости к научной фантастике.

Тем не менее все больше космологов приходят к мысли, что необратимые процессы, связанные с динамическими эффектами, могли сыграть важнейшую роль в рождении нашей Вселенной. С подобной точки зрения время представляется вечным и неуничтожаемым даже в пучинах будущего Большого разрыва или Большого хлопка. Интуитивно это можно как-то понять, но очень трудно осмыслить, ведь все вокруг, начиная с нас самих и кончая Метагалактикой, имеет свой возраст, а вот у самого времени может не оказаться ни начала, ни конца.

Подобная философия сближает многие традиционные взгляды, бытующие в космологии. В основе тут лежит теория стационарного состояния, разработанная Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом. В ней рассматривается крайне неустойчивая вакуумная среда, квантовые флуктуации которой породили Большой взрыв и в конечном итоге всю нашу Вселенную.

Разумеется, как это уже не раз отмечалось, здесь просто невозможно избежать определенного спекулятивного элемента. Тем не менее, по мере развития квантовой космологии и хроноквантовой физики подходы, акцентирующие внимание на роли времени и необратимости, формулируются все более точно и универсально. При этом вряд ли кто-то будет спорить, что истина «в последней инстанции» по-прежнему остается для нас недосягаемой. Здесь можно привести мнение известного индийского специалиста в области космологии и астрофизики Джайянта Нарликара, отмечавшего, что современная астрофизика придерживается того мнения, что «наиболее важная космологическая проблема» была более или менее решена в этом столетии за исключением нескольких сюрпризов. Впрочем, написано это было еще в конце прошлого века, до открытия ускоренного расширения Вселенной и гравитационных волн.

Так когда же началось время? Наука пока не дает окончательного ответа. И все же, согласно двум потенциально проверяемым теориям, Вселенная – а значит, и время – существовала задолго до Большого взрыва. Если один из этих сценариев соответствует истине, то космос существовал всегда. Возможно, однажды он снова коллапсирует, но не исчезнет никогда.