Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 21)

Глава 3

Космогенезис

Парсифаль

Далеко мы, – а я едва иду…

Гурнеманц

О да, мой сын; в пространстве время здесь!..

В своих воспоминаниях Стивен пишет, что начал интересоваться космологией потому, что хотел достичь глубин ее понимания. Его ненасытное желание задавать все более глубокие вопросы привело его в Кембридж. Осенью 1962 года он приехал в Кембридж из Оксфорда, где прошел начальный курс физики. «В Оксфорде в то время царил дух презрения к работе, – рассказывал он. – Много работать, чтобы получить высокую оценку, считалось признаком “серости” – худшего эпитета в оксфордском словаре не существовало»[87]. Когда дело дошло до итоговых экзаменов, Стивен решил сосредоточиться на задачах теоретической физики – они не требовали знания большого количества фактов. Он получил балл, промежуточный между первым и вторым, и для того, чтобы определить, какой из них ему следует выставить, было назначено интервью с экзаменаторами. Стивен сказал им, что если он получит высший балл, то перейдет в Кембридж, а если второй – останется в Оксфорде. Ему поставили высший балл. В свете дальнейших достижений Стивена можно сказать, что для Оксфорда это было одно из худших решений за всю его 800-летнюю историю.

В Кембридже Стивена записали в студенты к Хойлу, создателю «стационарной Вселенной», хотя еще в начале 1960-х годов его теория подверглась серьезной критике[88]. Хойл, однако, в это время отсутствовал, и вместо него Стивен попал к Деннису Сиаме. Это оказалось огромным везением. Сиама, который и сам был когда-то студентом Поля Дирака, играл роль катализатора идей: он был выдающейся стимулирующей фигурой, превратившей Кембридж в Мекку релятивистской космологии. Находясь в курсе всех крупных достижений мировой физики, Сиама заботился о том, чтобы его студенты знакомились с самыми последними исследованиями. Как только где-нибудь публиковалась интересная статья, он поручал одному из студентов сделать о ней доклад. Когда в Лондоне предстояла чья-то интересная лекция, он посылал студентов на вокзал – пусть съездят послушать. В созданной Сиамой научной среде, полной живого взаимодействия, кипения идей и честолюбивых устремлений, Стивен расцвел. Впоследствии он стремился создать такую же благоприятную и стимулирующую среду для своих собственных студентов.

Когда Стивен появился в кембриджском Тринити Холле, Сиама тоже был приверженцем стационарной модели Вселенной. Он поручил Стивену поработать над ее вариантом, который Хойл предложил, пытаясь спастись от нарастающих теоретических трудностей. Стивен быстро обнаружил, что в новой версии теории Хойла появляются бесконечности, которые приводят к неопределенностям, на что и указал Хойлу на собрании Королевского общества в Лондоне в 1964 году. Когда Хойл спросил: «С чего вы это взяли?», Стивен, и не подумавший испугаться первого астрофизика Британии, ответил: «А я это рассчитал!» – рано продемонстрировав таким образом как свой независимый дух, так и склонность к драматическим ситуациям. Анализ теории стационарной Вселенной позже стал первой главой его докторской диссертации.

Последний гвоздь в гроб стационарной космологии был забит через несколько месяцев открытием космического микроволнового фонового излучения. Существование этого древнего тепла вне всяких сомнений доказывало, что Вселенная не стационарна, но когда-то фундаментально отличалась от своего нынешнего состояния – была очень горячей. Но значило ли это также, что она должна была иметь начало? Ясно, что теперь именно ЭТО стало центральным вопросом космологии Большого взрыва. И Стивен был готов нырнуть в ее глубины.

Сиама свел Стивена с Роджером Пенроузом, который тогда только что опубликовал свою трехстраничную революционную статью о том, что черные дыры встречаются во Вселенной повсеместно. Пенроуз доказал, что, если общая теория относительности верна, то гравитационный коллапс звезды достаточно большой массы приводит к образованию пространственно-временной сингулярности, скрытой от внешнего мира за горизонтом событий. Это черная дыра.

Стивен быстро понял, что, если он обратит направление времени в математических рассуждениях Пенроуза так, чтобы коллапс превратился в расширение, он сможет показать, что расширяющаяся Вселенная должна в прошлом иметь сингулярность[89]. Работая вместе с Пенроузом, он вывел ряд математических теорем, которые говорят, что, если мы проследим историю расширяющейся Вселенной вспять до эпохи, предшествовавшей рождению первых звезд и галактик и даже моменту образования CMB, мы в конечном счете придем к сингулярности, где пространство-время сворачивается в критическую точку. В этой начальной сингулярности обе части уравнения Эйнштейна обращаются в бесконечность – бесконечная кривизна пространства-времени «равна» бесконечной плотности материи, – и именно здесь теория теряет всю свою предсказательную силу. Это похоже на деление на ноль на вашем калькуляторе: вы получите бесконечность, и что бы вы при этом ни вычисляли, это не будет иметь никакого значения. Сингулярности – это поистине края пространства-времени, где общая теория относительности не дает никаких ответов на вопрос «что происходит». Даже само слово «происходит» в пространственно-временной сингулярности теряет смысл.

Ранее Пенроуз показал, что, согласно теории относительности, время внутри черной дыры должно кончаться. Обращенная во времени аргументация Стивена приводила к выводу, что в расширяющейся Вселенной время должно иметь начало. Не то чтобы все дело было в сингулярности Большого взрыва, которая, как космическое яйцо, ждала, пока из нее вылупится Вселенная, – сингулярность скорее сигнализировала о рождении времени. Теорема Стивена демонстрировала, что «точка нулевого времени» в идеально сферических вселенных Фридмана и Леметра была не артефактом, возникшим вследствие простоты этих моделей, но мощным универсальным предсказанием релятивистской космологии. Это и было центральным результатом его докторской диссертации 1966 года – впоследствии он вошел и в подводящую итог его биографии книгу The Theory of Everything («Теория всего»). В резюме своей диссертации Хокинг писал: «Проанализированы некоторые предпосылки и следствия расширения Вселенной… В главе 4 рассматривается появление сингулярностей в космологических моделях. Показано, что, если удовлетворяются определенные условия весьма общего вида, сингулярность неизбежна».

СИНГУЛЯРНОСТИ – ЭТО ПОИСТИНЕ КРАЯ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ, ГДЕ ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ НЕ ДАЕТ НИКАКИХ ОТВЕТОВ НА ВОПРОС «ЧТО ПРОИСХОДИТ».

Это поразительный результат. Прогуливаясь по поверхности Земли в местах вроде Большого каньона, можно найти камни возрастом в несколько миллиардов лет. Простейшие формы бактериальной жизни на Земле существуют около 3,5 миллиарда лет, да и сама наша планета ненамного старше – ей примерно 4,6 миллиарда лет. Теорема о сингулярности Большого взрыва говорит, что, если бы мы отошли назад во времени всего втрое дальше – на 13,8 миллиарда лет, – там не было бы ни времени, ни пространства, ничего вообще. Если подумать, мы довольно недалеко ушли от начала мира.

Проживи Стивен еще 54 года после этого, и он, по всей вероятности, разделил бы с Пенроузом Нобелевскую премию по физике 2020 года за их исключительной важности совместную работу о начале и конце времени. Из докторской диссертации Стивена следует, что наше прошлое изображается грушевидной областью пространства-времени вроде той, что мы видим на рис. 18. Этот замечательный набросок сделал Джордж Эллис[90], один из студентов Сиамы, однокурсник Стивена, работавший с ним над теоремами сингулярности в середине 1960-х. Мы находимся на самой верхушке этой «груши». Грушевидная поверхность сформирована световыми лучами, доходящими до нас с различных направлений на небе. Диаграмма изображает воздействие материи Вселенной на форму нашего светового конуса прошлого. Мы видим, что масса вещества внутри области заставляет световые лучи отклоняться от прямых линий; если мы продолжим их траектории в прошлое, они там сойдутся. Вследствие этого прямые световые конусы на рис. 8 и 9 – на этих рисунках гравитационная фокусировка веществом не учитывается – в реальной Вселенной деформируются и прогибаются внутрь, и наш световой конус прошлого образует грушевидную поверхность. Внутренняя часть этой «груши», конечная область пространства-времени, которая может оказывать на нас воздействие, отделяется этой поверхностью от остальной части Вселенной, которая повлиять на нас не может. Ключевой момент доказанной Стивеном теоремы сингулярности в том, что если материя заставляет световые конусы прошлого сходиться таким манером, то историю невозможно расширять до бесконечности. На самом дне прошлого мы достигнем «края времени», границы, за которой пространства и времени во Вселенной больше нет.

Рис. 18. Сделанный в 1972 году Джорджем Эллисом набросок наблюдаемой Вселенной и ее частей (мелкая штриховка), которые мы можем наблюдать в некоторых подробностях. Мы находимся в верхней точке: «здесь и сейчас». Присутствие вещества заставляет световые лучи сходиться в некоторой точке прошлого, выгибая наш световой конус прошлого внутрь и очерчивая грушевидную область: наше прошлое. Поскольку свет устанавливает космический предел скорости, эта область – единственная часть Вселенной, которая в принципе наблюдаема для нас. Согласно теореме Стивена Хокинга, фокусировка световых лучей в прошлом означает, что прошлое должно заканчиваться в исходной сингулярности. Однако мы не можем заглянуть в прошлое на всю его глубину, до самой сингулярности: фотоны, частицы света, постоянно рассеиваются на всех частицах горячей ионизованной плазмы, заполняющей Вселенную на ранних этапах ее существования, и ранняя Вселенная остается непрозрачной.