Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 19)
Но как же квантовый индетерминизм мог бы разрешить загадку причинности, которую ставит перед нами Большой взрыв? Леметр имел в виду, что сложная Вселенная могла появиться из простого первичного атома вследствие случайных квантовых скачков. И если бы оказалось, что сложность современной Вселенной есть результат бесчисленных «замороженных случайностей» в ее эмбриональном развитии, а не следует с необходимостью из идеально выверенных исходных условий, заложенных в самом начале, – разве это не могло бы сделать всю идею начала Вселенной более приемлемой? Размышляя над потенциальными следствиями сценария квантового происхождения Вселенной, Леметр заканчивал свое письмо в Nature такими словами: «Ясно, что первоначальный квант не мог содержать в себе весь последующий ход эволюции. Нет никакой необходимости в том, чтобы история мира была записана в первом кванте, как песенка на диске фонографа… Напротив, из одного и того же начала могли бы развиться очень разные вселенные».
Благодаря тому, что идея квантового происхождения казалась способной смягчить остроту проблемы происхождения времени, Леметр стал рассматривать эту идею как центральную опору его новой космологии, хотя он так и не записал ни единого уравнения первичного атома в обоснование своего дерзновенного видения. Интуитивная картина начала Вселенной, которую Леметр нарисовал в своем «манифесте Большого взрыва» отличается крайней простотой. В его представлении первичный атом был чем-то вроде абстрактного, неделимого, девственного космического яйца, что заставляет меня вспомнить «Начало мира», произведение румынского скульптора Константина Бранкузи (см. рис. 6 на вклейке).
Британский квантовый физик Поль Дирак, один из первых сторонников Леметра и его гипотезы первичного атома, пошел еще дальше и предположил, что квантовые скачки в ранней Вселенной могли полностью заменить собой необходимость в каких-либо начальных условиях. Могло ли случиться, что в момент квантового начала мира причинность исчезает, что тайна «первопричины» в квантовом мире – в нашем мире – просто испаряется?
Поль Дирак прибыл в Кембридж в качестве студента в 1923 году, в том же году, что и Леметр, и тоже надеялся изучать теорию относительности у Эддингтона. Но ему было суждено пойти по иному пути. Этот путь привел его в квантовую теорию частиц, где он достиг непревзойденной никем глубины понимания. Дирак вывел получившее его имя уравнение, объединившее эйнштейновскую частную теорию относительности с квантовой механикой, и предсказал существование антивещества, что принесло ему в 1933 году Нобелевскую премию. Впоследствии он стал даже пятнадцатым по счету Лукасовским профессором математики в Кембридже. При этом Дирак был весьма необычной личностью: он отличался известной всем застенчивостью и молчаливостью, и, как говорили некоторые его коллеги, иногда казался поистине невидимкой. Как-то раз в конце 1970-х Стивен и его жена Джейн субботним вечером пригласили Дирака с женой к чаю. Дон Пэйдж, в то время ассистент Стивена, живший у него и помогавший ему в быту, тоже задержался за столом, чтобы послушать, о чем будут говорить между собой два титана физики XX века. Но ни один из них так и не произнес ни слова.
В архиве Дирака в Таллахасси, штат Флорида, хранится прелестная карандашная зарисовка: портрет Леметра, набросанный одним из слушателей во время лекции Леметра в Клубе Капицы в Кембридже в 1930 году (см. рис. 15). Под наброском написано: «Но я не верю в Божий Перст, всколыхнувший эфир». Согласно воспоминаниям Дирака, которые он записал на сопровождающем этот рисунок листке в 1971 году, «во время лекции Леметра было много споров о роли квантовой неопределенности».
Рис. 15 (а). Этот набросок сделал слушатель доклада, который Жорж Леметр прочел в Кембриджском университете в 1930 году. Надпись внизу свидетельствует, что Леметр не видел никаких причин для участия Бога в Большом взрыве. Он считал, что гипотеза первичного атома – чисто научный вопрос, основанный на физической теории, и решаться он должен в конечном счете астрономическими наблюдениями. Через сорок лет Поль Дирак сделал к этому наброску приписку, приводимую здесь же.
Рис. 15 (b). «Году в 1930-м аббат Леметр приехал в Кембридж и прочел лекцию в Клубе Капицы. Было много споров о проблеме неопределенности в квантовой механике. Леметр упорно твердил, что не верит в то, что Бог непосредственно вмешивается в события в мире атомов.
Во время дискуссии кто-то из присутствующих сделал на память этот набросок. Не помню, кто это был. Леметр на рисунке получился довольно похоже. П. А. М. Дирак. 1 сентября 1971».
И Дирак, и Леметр видели в квантовой механике способ распутать причинный узел, созданный детерминистской перспективой начала Вселенной, – и сделать это, прослеживая корни сложности, приобретенной Вселенной в ходе ее существования, до случайных квантовых скачков на заре ее образования. Эти скачки в каком-то смысле сделали космологическую эволюцию истинно творческим процессом.
Подводя итоги бурного десятилетия открытий, Дирак снова упомянул леметровскую гипотезу первичного атома в 1939 году, в своей лекции при получении премии Вальтера Скотта в Королевском обществе в Эдинбурге: «Новая космология [связанная с расширением Вселенной] в философском смысле, вероятно, окажется даже более революционной, чем теория относительности или квантовая теория, хотя сейчас мы вряд ли можем осознать все таящиеся в ней последствия»[76]. Пройдет семьдесят лет, и мы со Стивеном в нашем научном странствии и вправду столкнемся с некоторыми из этих философских последствий.
В то время, однако, наблюдений, которые могли бы подтвердить гипотезу первичного атома или чего-то вроде него, выполнить не удавалось. После взлета в начале 1930-х космология постепенно сделалась тихой научной заводью: наблюдений в этой области почти не было, зато грандиозных умозрительных построений – хоть отбавляй. Ученые-космологи приобрели сомнительную репутацию тех, кто «часто ошибается, но никогда не сомневается».
По сути, в 1950-х теория Большого взрыва почти исчезла из поля зрения научной общественности. В 1949 году ярый оппонент теории Леметра британский астрофизик Фред Хойл в ходе взятого у него радиокомпанией BBC интервью пустил в обращение словосочетание «Большой взрыв». Он придавал этому выражению иронический оттенок, характеризуя обозначаемое явление как «иррациональный процесс, который не может быть описан на языке науки». Хойл не упустил случая представить космологию Большого взрыва как псевдонауку, упорно внедрявшуюся в общественное сознание согласованными усилиями. Вторя Эддингтону, Хойл констатировал: «У начала Вселенной не может быть никакого причинного объяснения, да и вообще никакого объяснения. Маниакальная страстность, с которой за космологию Большого взрыва хватается корпоративная научная братия, очевидным образом проистекает из глубоко укоренившегося пристрастия к первой странице Книги Бытия – перед нами религиозный фундаментализм во всем своем блеске»[77]. И порекомендовал: «Как только вы услышите слово “происхождение” – не верьте ничему, что вам скажут дальше!»[78]
Вместе с Германом Бонди и Томасом Голдом Хойл предложил альтернативную модель: теорию стационарной Вселенной, которая в 1950-е годы составила Большому взрыву серьезную конкуренцию. Согласно этой теории, хотя Вселенная действительно всегда расширяется, ее средняя плотность остается постоянной: в ней непрерывно происходит образование вещества. Из него формируются новые галактики, которые заполняют образующиеся вследствие разбегания более старых галактик пустоты. В то время как в космологии Большого взрыва бо́льшая часть материи создается в первичном огне, в стационарной Вселенной творение материи – медленный, бесконечно длящийся процесс. У стационарной Вселенной Хойла нет ни начала, ни конца во времени – это какая-то мини-версия мультивселенной, только вместо постоянного образования новых вселенных образуются галактики.
Тем временем известный физик русского происхождения Георгий (Джордж) Гамов – друзья прозвали его Джи-Джи – подверг тщательному рассмотрению экзотическую среду, возникающую в ходе Большого взрыва. Гамов был колоритной фигурой: он обладал каким-то чудесным даром привлекать к себе самых разных людей – от Троцкого и Бухарина до Эйнштейна и Фрэнсиса Крика, причем часто при самых запоминающихся обстоятельствах[79]. Гамов вырос в украинском городе Одесса, а учился в Санкт-Петербурге (Ленинграде), где изучал общую теорию относительности у Александра Фридмана. Раздраженный растущим вмешательством коммунистического государства в интеллектуальную жизнь, Гамов вместе с женой попытался переплыть Черное море в лодке. Они отчалили с южной оконечности Крымского полуострова в сторону Турции, и сначала все шло хорошо, но через два дня они попали в шторм, который отнес их лодку обратно в Крым. Супруги, однако, не сдались: в 1933 году, когда Бор пригласил Гамова принять участие в Седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, они воспользовались этой возможностью и эмигрировали в Соединенные Штаты.
Гамов не был ни математиком, ни астрономом – он был физиком-ядерщиком и представлял Вселенную в первые минуты ее расширения как гигантский ядерный реактор. Вместе с Ральфом Алфером и Робертом Херманом Гамов пришел к выводу, что Большой взрыв был очень и очень горячим. Они задались вопросом, не образовались ли в этом первичном плавильном тигле Вселенной химические элементы, из которых состоим мы сами и все остальное вокруг нас. Гамов рассуждал так: если бы плотность и температура первичной Вселенной были так высоки, что даже атомные ядра не могли бы существовать, Периодическая таблица элементов изначально была бы пустой – в ней был бы только один самый первый элемент, водород, то есть, по сути дела, одни только протоны. Вселенная была бы заполнена сверхплотной горячей плазмой, которую Гамов назвал «Илем» – от греческого ύλη, «материя». Эта плазма состояла бы из свободно движущихся субатомных «строительных кирпичиков» – электронов, протонов и нейтронов, – погруженных в горячий океан излучения. Но когда Вселенная расширилась и остыла, нейтроны и протоны соединились бы и образовали составные атомные ядра. Первым из них был бы дейтерий, тяжелый водород, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона; ядра дейтерия сами стали бы присоединять к себе протоны и нейтроны, образуя гелий. Применяя законы ядерной физики в условиях расширения пространства, Гамов и его группа рассчитали, что окно для ядерного синтеза в первичной Вселенной должно было открыться примерно через сто секунд после Большого взрыва. Но спустя несколько минут вследствие расширения Вселенной температура упала бы до ста миллионов градусов, и космический ядерный реактор отключился бы. Однако этого короткого промежутка времени было бы достаточно, чтобы примерно четверть всех протонов во Вселенной оказалась внутри гелиевых ядер, да еще совсем небольшого количества более тяжелых элементов, вроде бериллия и лития. Относительное обилие легких элементов, предсказанное Гамовым и его группой, оказалось в прекрасном соответствии с выполненными позже астрономическими измерениями. И сегодня результаты этих вычислений считаются одним из главных подтверждений теории горячего Большого взрыва[80].