Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 22)

Набросок Эллиса – космологический аналог знаменитого рисунка Пенроуза, иллюстрирующего образование черной дыры (рис. 11). Сравнивая эти рисунки, мы видим, что космологическое прошлое наблюдателя очень похоже на будущее внутри массивной звезды – и то, и другое существует только на протяжении конечного времени. Но есть и одно критически важное различие: в то время как горизонт событий черной дыры заслоняет внешнего наблюдателя от разрушительного воздействия находящейся внутри сингулярности, сингулярность Большого взрыва лежит внутри нашего космологического горизонта. Расширяющаяся Вселенная напоминает черную дыру, вывернутую наизнанку и перевернутую вверх дном. Начальная сингулярность – это почти буквально оставшийся в прошлом край нашего светового конуса. В принципе, мы можем его увидеть, стоит только внимательно поглядеть на небо. Конечно, проникнуть взглядом через всю толщу времени к самому его началу будет нелегко – на самых ранних стадиях расширения Вселенной свет непрерывно рассеивался на частицах плазмы. Смотреть сквозь время на Большой взрыв – все равно что смотреть на Солнце: ведь то, что мы видим, глядя на Солнце, на его сверкающий диск с относительно резкими краями, это в действительности та его поверхность, где фотоны, порожденные при слиянии ядер в глубоких недрах Солнца, в последний раз испытывают рассеяние на частицах солнечной плазмы. С этой-то поверхности, называемой «фотосферой», фотоны и улетают к нам – больше им уже ничего не мешает. Но именно это рассеяние фотонов и не дает нам глубже заглянуть внутрь Солнца – его внутренние области непрозрачны.

Похожим образом, постоянно происходящие рассеяния фотонов в горячей плазме, заполняющей раннюю Вселенную, образуют нечто вроде тумана, не дающего нам разглядеть самые ранние ее эпохи – по крайней мере, с помощью оптических телескопов. Новорожденная Вселенная сделалась прозрачной только через 380 000 лет после Большого взрыва, когда она остыла до комфортной температуры в три тысячи градусов Цельсия. Такая температура энергетически благоприятна для того, чтобы атомные ядра соединялись с электронами, образуя нейтральные атомы. Это значило, что свободно движущихся электронов, на которых могли бы рассеиваться легкие частицы, очень скоро почти не осталось, и фотоны начали свой беспрепятственный полет в космическом пространстве. Длины их волн постепенно растягивались, и в согласии с расширением Вселенной растянулись тысячекратно – то, что вначале было красным тепловым излучением, сегодня, миллиарды лет спустя, приходит к нам в виде излучения микроволнового диапазона. Карта распределения по небу космического микроволнового излучения, показанная на рис. 2 в главе 1, дает нам снимок Вселенной в тот момент времени, когда она стала прозрачной, – но это распределение одновременно и скрывает от нас вид самого Большого взрыва. Это космологический аналог – только «навыворот» – фотосферы Солнца.

Если поразмышлять о сингулярности, которая ограничивает наше прошлое в общей теории относительности, особенно загадочным выглядит тот факт, что реликтовое CMB-излучение распределено во Вселенной с почти идеальной однородностью. Как я уже говорил в главе 1, разноцветные пятна на рис. 2 соответствуют различиям температуры в разных участках неба, не превышающим десятитысячной доли градуса. По всей видимости, Большой взрыв происходил почти в точности одинаковым образом во всех без исключения областях наблюдаемой Вселенной. И это – еще одно из ее загадочных биофильных свойств. В случае фотосферы Солнца почти однородное распределение температуры по ее толще – именно то, чего и следует ожидать: ведь все фотоны, излучаемые с поверхности Солнца, многократно обменивались тепловой энергией с веществом солнечных недр. Естественно, в результате все они приобрели почти одинаковую температуру – так же, как при смешивании холодного молока с горячим чаем во всем объеме жидкости быстро устанавливается одна и та же температура (во всяком случае, если дело происходит в Англии).

Но взаимодействия обеспечить фантастическую однородность CMB-излучения не могли. Времени, прошедшего с момента Большого взрыва, было явно недостаточно для того, чтобы физический процесс, даже происходящий со скоростью света, привел к выравниванию температурных неоднородностей до того, как древние CMB-фотоны вырвались на волю и начали свободный полет к нам. Это иллюстрирует рис. 19, который представляет прошлое наблюдателя во Вселенной, образованной горячим Большим взрывом, чуть точнее, чем набросок Эллиса (рис. 18). Фотоны микроволнового фона, приходящие к нам с противоположных направлений на небе, начинают свое движение из точек A и B нашего светового конуса прошлого, но световые конусы прошлого каждой из этих точек не пересекаются при движении вспять во времени вплоть до его начала. Это означает, что с момента Большого взрыва между A и B не мог пройти ни один световой сигнал. А так как скорость света ставит верхний предел скорости распространения любого сигнала, это значит, что какой бы то ни было физический процесс не мог связать друг с другом области вокруг точек A и B и установить тем самым вокруг них общую среду с почти идентичной температурой. Как говорят физики, области вокруг точек A и B лежат вне космологических горизонтов друг друга.

Рис. 3. Наше прошлое, согласно модели горячего Большого взрыва 1960-х. Вершина конуса – наше «здесь и сейчас». Фотоны микроволнового фона, приходящие к нам с противоположных направлений на небе, происходят из точек A и B на нашем световом конусе прошлого.

Эти точки находятся далеко за пределами космологических горизонтов друг друга: их собственные грушевидные световые конусы прошлого не пересекаются друг с другом на всем их протяжении, если двигаться назад во времени вплоть до его начала. И все же наблюдаемые температуры фотонов, приходящих из точек A и B, одинаковы с точностью до одной тысячной доли процента. Как это возможно?

Фактически, когда в модели горячего Большого взрыва 1960-х мы наблюдаем CMB в направлениях, разделенных на небе более чем на несколько градусов, мы видим участки Вселенной, которым еще предстоит войти в контакт друг с другом. Наша сегодняшняя наблюдаемая Вселенная должна включать в себя не менее чем несколько миллионов таких независимых космических областей, ограниченных каждая своим горизонтом. В свете этого почти идеальная однородность CMB-излучения по небу становится не просто загадочной, но поистине таинственной. Если бы Эддингтон или Эйнштейн узнали об этом, «загадка горизонта» могла бы подтвердить их худшие опасения касательно идеи происхождения Вселенной – как если бы древние викинги, высадившись в Северной Америке, услышали, что аборигены разговаривают на их, викингов, языке.

Странная получается ситуация. Теорема Хокинга о сингулярности утверждает, что у Вселенной было начало. Но о том, как она началась, не говоря уж о том, почему при ее взрывном рождении в ней появилось почти идеально однородно распределенное CMB и множество других биофильных свойств, теорема умалчивает. Более того, она как бы выносит все вопросы об первопричине происхождения Вселенной и ее устройства за пределы науки, как будто оставляя их решение на произвол эддингтоновских сверхъестественных сил. Об этом нет необходимости философствовать – теория относительности предсказывает свой собственный крах. В диссертации Хокинга Большой взрыв – событие, не имеющее объяснения, потому что сингулярность на дне нашего прошлого возвещает нам о крахе времени, пространства и причинности, вместе взятых. Как сказал великий Джон Уилер, «существование пространственно-временных сингулярностей кладет конец принципу достаточного основания, а тем самым и предсказательной силе науки»[91]. Как это может быть? Как может физика вести к разрушению самой себя – к отрицанию физики? Чтобы распутать этот узел, нам придется более внимательно посмотреть, что в действительности имеют в виду физики, когда обещают предсказать, что произойдет.

Со времен Галилея и Ньютона физике присуща двойственность: она опирается на два резко различных источника информации. Во-первых, существуют законы эволюции: математические уравнения, описывающие, как физические системы изменяются во времени, переходя из одного состояния в другое. Во-вторых, имеются граничные условия: исчерпывающее описание состояния системы в данный момент времени. Используя законы эволюции, мы берем некоторое состояние и прослеживаем его развитие либо ретроспективно, либо вперед, то есть определяем, что система собой представляла в некоторый момент раньше или какой она будет в некоторый момент будущего. Именно сочетание законов эволюции и граничных условий устанавливает рамки для предсказаний, которые составляют предмет гордости физики и космологии.

Представьте, к примеру, что вы хотите предсказать, где и когда произойдет следующее солнечное затмение. Для этого мы можем использовать ньютоновы законы движения и тяготения и описать с их помощью будущие траектории Земли и Луны. Однако, чтобы применить эти законы, придется сначала задать положения и скорости Земли и Луны (и Юпитера в придачу) относительно Солнца в некоторый конкретный момент времени. Эти данные – описание состояния двух небесных тел в некоторый момент – и составляют граничные условия. Никто не требует, чтобы законы Ньютона объяснили, почему в этот момент положения тел именно таковы. Мы просто измерили их. Располагая этой информацией, мы теперь решим уравнения Ньютона и определим положения этих тел в любой другой момент времени в будущем, чтобы предсказать время и место следующего солнечного затмения, или в прошлом – чтобы задним числом подтвердить документированный момент, в который затмение уже произошло.