Стивен Хокинг

Краткая история времени. От Большого взрыва до черных дыр

Stephen Hawking

A BRIEF HISTORY OF TIME:

FROM THE BIG BANG TO BLACK HOLES

© Stephen Hawking, 1988, 1996

© ООО «Издательство АСТ», 2019 (оформление, перевод на русский язык)

Предисловие

Я не писал предисловия к первому изданию «Краткой истории времени». Это сделал Карл Саган. Вместо этого я добавил короткий раздел под названием «Благодарности», где мне посоветовали выразить всем признательность. Правда, некоторые из благотворительных фондов, оказавших мне поддержку, были не очень рады тому, что я их упомянул, – заявок у них стало намного больше.

Я думаю, что никто – ни издательство, ни мой агент, ни даже я сам – не ожидал, что книга будет пользоваться таким успехом. Она продержалась в списке бестселлеров лондонской газеты Sunday Times целых 237 недель – это больше, чем любая другая книга (естественно, не считая Библии и произведений Шекспира). Она была переведена примерно на сорок языков и разошлась огромным тиражом – на каждые 750 жителей Земли, мужчин, женщин и детей, приходится примерно один экземпляр. Как заметил Натан Майрволд из фирмы Microsoft (это мой бывший аспирант), я продал больше книг по физике, чем Мадонна – книг о сексе.

Успех «Краткой истории времени» означает, что людей весьма интересуют фундаментальные вопросы – о том, откуда мы взялись, и почему Вселенная такова, какой мы ее знаем.

Я воспользовался представившейся мне возможностью дополнить книгу более новыми наблюдательными данными и теоретическими результатами, которые были получены уже после выхода первого издания (1 апреля 1988 года, в День дурака). Я добавил новую главу о кротовых норах и путешествиях во времени. Похоже, общая теория относительности Эйнштейна допускает возможность создания и поддержания кротовых нор – небольших туннелей, связывающих разные области пространства-времени. В этом случае мы могли бы использовать их для быстрого перемещения по Галактике или для путешествий назад во времени. Разумеется, мы пока не встречали ни одного пришельца из будущего (или, может быть, все же встречали?), но я попробую предположить, каким может быть объяснение тому.

Я также расскажу о достигнутом за последнее время прогрессе в поиске «дуальностей», или соответствий между на первый взгляд различными физическими теориями. Эти соответствия являются серьезным свидетельством в пользу существования единой физической теории. Но они также говорят о том, что эту теорию, возможно, нельзя сформулировать непротиворечивым, фундаментальным образом. Вместо этого в разных ситуациях приходится довольствоваться различными «отражениями» основополагающей теории. Точно так же мы не можем отобразить всю земную поверхность в подробностях на одной карте и вынуждены использовать разные карты для разных областей. Такая теория стала бы революцией в наших представлениях о возможности объединения законов природы. Однако она никоим образом не затронула бы самого главного: Вселенная подчиняется набору рациональных законов, которые мы в состоянии открыть и постичь.

Что касается наблюдательного аспекта, то здесь, безусловно, важнейшим достижением стало измерение флуктуаций реликтового излучения в рамках проекта COBE (англ. Cosmic Background Explorer – «Исследователь космического фонового излучения»)[1] и других. Эти флуктуации, по сути, являются «печатью» творения. Речь об очень малых неоднородностях в ранней Вселенной, в остальном вполне гомогенной. Впоследствии они превратились в галактики, звезды и прочие структуры, которые мы наблюдаем через телескоп. Формы флуктуаций согласуются с предсказаниями модели Вселенной, не имеющей границ в воображаемом временно́м направлении. Но чтобы предпочесть предлагаемую модель другим возможным объяснениям флуктуаций реликтового излучения, потребуются новые наблюдения. Через несколько лет станет ясно, можно ли считать нашу Вселенную полностью замкнутой, без начала и конца.

Стивен Хокинг

Глава первая. Наша картина Вселенной

Однажды известный ученый (говорят, это был Бертран Рассел) читал публичную лекцию по астрономии. Он рассказывал, как Земля движется по орбите вокруг Солнца и как Солнце, в свою очередь, движется по орбите вокруг центра огромного скопления звезд, называемого нашей Галактикой. Когда лекция закончилась, маленькая пожилая женщина в дальнем ряду аудитории встала и произнесла: «Всё, что тут говорили, – полная ерунда. Мир – плоская тарелка на спине гигантской черепахи». Ученый снисходительно улыбнулся и спросил: «На чем же стоит та черепаха?» «Вы ведь очень умный молодой человек, очень умный, – ответила дама. – Черепаха стоит на другой черепахе, та – на следующей, и так до бесконечности!»

Большинство сочтет нелепой попытку выдать нашу Вселенную за бесконечно высокую башню из черепах. Но отчего мы так уверены, что наше представление о мире лучше? Что же нам в самом деле известно о Вселенной и откуда мы всё это знаем? Как возникла Вселенная? Что ждет ее в будущем? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что было до него? Какова природа времени? Закончится ли оно когда-нибудь? Можно ли двигаться во времени вспять? Ответы на некоторые из этих давних вопросов дают недавние прорывы в физике, которым мы, в частности, обязаны появлению фантастических новых технологий. Когда-нибудь мы сочтем новые знания такими же очевидными, как то, что Земля обращается вокруг Солнца. А может быть, такими же абсурдными, как представление о башне из черепах. Только время (чем бы оно ни было) покажет.

Давным-давно, за 340 лет до нашей эры, греческий философ Аристотель написал трактат «О небе». В нем он выдвинул два убедительных доказательства того, что Земля имеет форму шара и совсем не является плоской, как тарелка. Во-первых, он понял, что причина лунных затмений – прохождение Земли между Солнцем и Луной. Отбрасываемая Землей на Луну тень всегда имеет округлую форму, и это возможно, только если Земля также округлая. Если бы Земля имела форму плоского диска, то тень, как правило, имела бы форму эллипса; круглой она была бы только тогда, когда Солнце во время затмения располагалось бы точно под центром диска. Во-вторых, древние греки знали из опыта своих путешествий, что на юге Полярная звезда расположена ближе к горизонту, чем при наблюдении в местностях, расположенных севернее. (Поскольку Полярная звезда расположена над Северным полюсом, то наблюдатель на Северном полюсе видит ее прямо над головой, а наблюдатель в районе экватора – над самым горизонтом.) Более того, Аристотель, исходя из разности видимого положения Полярной звезды при наблюдениях в Египте и Греции, смог оценить длину окружности Земли в 400 000 стадиев. Мы не знаем, чему в точности был равен один стадий, но если предположить, что он составлял около 180 метров, то оценка Аристотеля примерно в два раза больше принятого в настоящее время значения. У греков был еще и третий аргумент в пользу круглой формы Земли: как иначе объяснить, почему при приближении корабля к берегу сначала показываются лишь его паруса, а только потом корпус?

Аристотель считал Землю неподвижной, а также полагал, что Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются по круговым орбитам вокруг Земли. Он руководствовался мистическими соображениями: Земля, по Аристотелю, является центром Вселенной, а движение по кругу наиболее совершенно. Во II веке нашей эры Птолемей построил на основе этой идеи всеобъемлющую космологическую модель. В центре Вселенной находилась Земля, окруженная восемью вложенными друг в друга вращающимися сферами, и на этих сферах располагались Луна, Солнце, звезды и известные в то время пять планет – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Каждая планета двигалась относительно своей сферы по малому кругу – для того, чтобы описать весьма сложные траектории этих светил на небе. На внешней сфере были закреплены звезды, и поэтому их взаимные положения оставались неизменными, конфигурация вращалась на небе как единое целое. Представления о том, что расположено за пределами внешней сферы, оставались весьма расплывчатыми, но это заведомо находилось за пределами части Вселенной, доступной человечеству для наблюдения.

Модель Птолемея позволяла довольно точно предсказывать положение светил на небе. Но чтобы добиться согласия предсказаний с наблюдениями, Птолемею пришлось предположить, что расстояние от Луны до Земли в разное время могло отличаться в два раза. А это означало, что видимый размер Луны иногда должен был быть в два раза больше привычного! Птолемей сознавал этот недостаток своей системы, что тем не менее не помешало почти единогласному признанию его картины мира. Христианская церковь приняла Птолемееву систему, поскольку сочла ее не противоречащей Священному Писанию: за пределами сферы неподвижных звезд оставалось достаточно места для рая и ада.

Рис. 1.1

Но в 1514 году польский священник Николай Коперник предложил более простую модель. (Правда, вначале, опасаясь быть обвиненным церковью в ереси, Коперник распространял свои космологические идеи анонимно.) Коперник предположил, что Солнце неподвижно и расположено в центре, а Земля и планеты движутся вокруг него по круговым орбитам. Понадобилось почти столетие, чтобы эту идею восприняли всерьез. Одними из первых в пользу теории Коперника стали публично высказываться двое ученых-астрономов – немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей, несмотря на то, что предсказываемые этой теорией траектории небесных тел не совпадали в точности с наблюдаемыми. Окончательный удар по системе мира Аристотеля и Птолемея нанесли события 1609 года – тогда Галилей начал наблюдать ночное небо через только что изобретенный телескоп[2]. Взглянув на планету Юпитер, Галилей обнаружил несколько обращающихся вокруг него небольших спутников. Отсюда следовало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли, как считали Аристотель с Птолемеем. (Можно было, конечно, продолжать считать Землю неподвижной и расположенной в центре Вселенной, полагая, что спутники Юпитера движутся вокруг Земли по исключительно запутанным траекториям так, что это похоже на их обращение вокруг Юпитера. Но все же теория Коперника была намного проще.) Примерно в то же время Кеплер уточнил теорию Коперника, предположив, что планеты движутся не по круговым орбитам, а по эллиптическим (то есть вытянутым), благодаря чему удалось добиться согласия предсказаний теории с наблюдениями.

Правда, Кеплер рассматривал эллипсы лишь как математический трюк, и притом весьма одиозный, потому что эллипсы – менее совершенные фигуры, чем окружности. Кеплер обнаружил, почти случайно, что эллиптические орбиты хорошо описывают наблюдения, но при этом никак не мог согласовать предположение об эллиптических орбитах со своей идеей о магнитных силах как причине движения планет вокруг Солнца. Причину движения планет вокруг Солнца значительно позже, в 1687 году, раскрыл сэр Исаак Ньютон в трактате «Математические начала натуральной философии» – пожалуй, важнейшей из когда-либо опубликованных работ по физике. В этом труде Ньютон не только выдвинул теорию, описывающую движение тел в пространстве и во времени, но и разработал сложный математический аппарат, необходимый для описания этого движения. Кроме того, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с силой, которая тем больше, чем больше массы тел и чем меньше расстояние между взаимодействующими телами. Это та самая сила, которая заставляет предметы падать на землю. (История о том, что на мысль о законе всемирного тяготения Ньютона навело упавшее на его голову яблоко, скорее всего, просто выдумка. Ньютон говорил лишь, что эта идея пришла к нему, когда он находился «в созерцательном настроении» и был «под впечатлением от падения яблока».) Ньютон показал, что согласно сформулированному им закону под действием тяготения Луна должна двигаться по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты – по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.

Модель Коперника исключала необходимость в Птолемеевых сферах, а с ними – и в предположении о наличии у Вселенной некоей естественной внешней границы. Поскольку у «неподвижных» звезд не обнаруживалось никакого движения, кроме общего суточного движения небосвода, вызванного вращением Земли вокруг своей оси, то было естественно предположить, что это такие же тела, как наше Солнце, только расположенные гораздо дальше.

Ньютон понял, что согласно его теории тяготения звезды должны притягивать друг друга и поэтому, по-видимому, не могут оставаться неподвижными. Почему же они не сблизились и не скопились в одном месте? В своем письме другому выдающемуся мыслителю своего времени, Ричарду Бентли, написанном в 1691 году, Ньютон утверждал, что они будут сближаться и скапливаться только в том случае, если число звезд, сосредоточенных в ограниченной области пространства, конечно. А если число звезд бесконечно и распределены они более или менее равномерно в бесконечном пространстве, то этого не произойдет из-за отсутствия какой бы то ни было явной центральной точки, в которую могли бы «провалиться» звезды.

Это одна из тех ловушек, которые встречаются при рассуждениях о бесконечности. В бесконечной Вселенной любая ее точка может рассматриваться как ее центр, потому что по каждую сторону от нее находится бесконечное число звезд. Правильный подход (к которому пришли гораздо позже) – решение задачи в конечном случае, когда звезды падают друг на друга, и исследование того, как результат меняется при добавлении в конфигурацию звезд, расположенных за пределами рассматриваемой области и распределенных более или менее равномерно. Согласно закону Ньютона в среднем дополнительные звезды в совокупности не должны оказывать никакого влияния на первоначальные звезды, и поэтому эти звезды исходной конфигурации должны все так же быстро падать одна на другую. Так что сколько звезд ни добавляй, они все равно будут падать одна на другую. Теперь мы знаем, что невозможно получить бесконечную стационарную модель Вселенной, в которой сила гравитации имеет исключительно «притягивающий» характер.

Об интеллектуальной атмосфере до начала XX века многое говорит тот факт, что никому тогда не пришел в голову сценарий, согласно которому Вселенная может сжиматься или расширяться. Общепринятой была концепция Вселенной, либо существовавшей всегда в неизменном виде, либо сотворенной в некоторый момент в прошлом – в том виде, в каком мы ее наблюдаем сейчас. Это могло, в частности, быть следствием того, что люди склонны верить в вечные истины. Стоит вспомнить хотя бы, что величайшее утешение дает мысль о том, что, хотя мы все стареем и умираем, Вселенная вечна и неизменна.

Даже ученые, понимавшие, что согласно ньютоновской теории тяготения Вселенная не может быть статичной, не осмеливались предположить, что она может расширяться. Вместо этого они пытались скорректировать теорию так, чтобы гравитационная сила на очень больших расстояниях становилась отталкивающей. Такое предположение не меняло существенно предсказанные движения планет, но позволяло бесконечно большому числу звезд оставаться в состоянии равновесия: силы притяжения со стороны близких звезд уравновешивались силами отталкивания более далеких звезд. Сейчас же считается, что такое равновесное состояние должно быть неустойчивым: стоит звездам в какой-либо области чуть больше приблизиться друг к другу, как их взаимное притяжение усилится и превзойдет силы отталкивания, в результате чего звезды продолжат падать друг на друга. С другой стороны, стоит звездам оказаться лишь слегка дальше друг от друга, как силы отталкивания возьмут верх над силами притяжения и звезды разлетятся.

Другое возражение против концепции бесконечной статичной Вселенной обычно связывают с именем немецкого философа Генриха Ольберса, который опубликовал свои рассуждения по этому поводу в 1823 году. В действительности на эту проблему обращали внимание многие современники Ньютона, и статья Ольберса была отнюдь не первой, где приводились веские доводы против такой концепции. Однако она была первой, получившей широкое признание. Дело в том, что в бесконечной статичной Вселенной почти любой луч зрения должен упираться в поверхность какой-нибудь звезды, и поэтому все небо должно светиться так же ярко, как Солнце, причем даже ночью. Контраргумент Ольберса состоял в том, что свет далеких звезд должен ослабляться из-за поглощения веществом, находящимся между нами и этими звездами. Но тогда это вещество разогрелось бы и светилось так же ярко, как и сами звезды. Избежать вывода о том, что яркость всего неба сравнима с яркостью Солнца, можно, только предположив, что звезды не светились вечно, а «зажглись» некоторое определенное время назад. В этом случае поглощающее вещество не успело бы нагреться или свет далеких звезд не успел бы достичь нас. Таким образом, мы приходим к вопросу о причине, по которой зажглись звезды.

Конечно, люди обсуждали происхождение Вселенной задолго до этого. Во многих ранних космологических представлениях, а также в иудейской, христианской и мусульманской картинах мира Вселенная возникла в определенное и не очень далекое время в прошлом. Одним из аргументов в пользу такого начала было ощущение необходимости некоей первопричины, которая бы объясняла существование Вселенной. (В пределах самой Вселенной любое происходящее в ней событие объясняется как следствие другого, более раннего события; существование же самой Вселенной можно таким образом объяснить, только предположив, что у нее было некое начало.) Другой аргумент был высказан Аврелием Августином, или Блаженным Августином, в труде «О граде Божьем». Он отметил, что цивилизация развивается и что мы помним, кто совершил то или иное деяние или изобрел тот или иной механизм. Следовательно, человек, а возможно, и Вселенная не могли существовать очень долгое время. Блаженный Августин считал, в соответствии с Книгой Бытия, что Вселенная была сотворена примерно за 5000 лет до Рождества Христова. (Интересно, что это близко к эпохе окончания последнего Ледникового периода, – около 10 000 лет до нашей эры, – которую археологи считают началом возникновения цивилизации.)

Аристотелю, а также большинству древнегреческих философов, наоборот, не нравилась идея о сотворении мира, потому что она исходила из божественного вмешательства. Они считали, что человеческий род и мир существовали всегда и будут существовать вечно. Мыслители древности осмыслили и вышеупомянутый довод о прогрессе цивилизации и парировали: они заявили, что человеческий род периодически возвращался к стадии начала цивилизации под действием потопов и других стихийных бедствий.

Вопросы о том, было ли у Вселенной начало во времени и ограничена ли она в пространстве, также поднимал философ Иммануил Кант в своем монументальном (правда, весьма сложном для понимания) труде «Критика чистого разума», опубликованном в 1781 году. Кант называл эти вопросы антиномиями (то есть противоречиями) чистого разума, потому что чувствовал, что есть одинаково убедительные доводы в пользу как тезиса – то есть того, что у Вселенной было начало, – так и антитезиса – то есть того, что Вселенная существовала всегда. В доказательство тезиса Кант приводит такие рассуждения: если бы у Вселенной не было начала, то любому событию должно было предшествовать бесконечное время, что, по мнению философа, абсурдно. В пользу антитезиса выдвигалось то соображение, что если бы у Вселенной было начало, то до него должно было пройти бесконечное время и непонятно, почему же Вселенная возникла в какой бы то ни было конкретный момент времени. В сущности, кантовские обоснования тезиса и антитезиса почти что идентичны. В обоих случаях в основе рассуждений лежит неявное предположение философа о том, что время бесконечно продолжается в прошлое независимо от того, существовала ли Вселенная всегда. Как мы увидим, понятие времени не имеет смысла до рождения Вселенной. Первым это отметил Блаженный Августин. Его спросили: «Что делал Бог до того, как создал мир?», и Августин не стал утверждать, что Бог готовил ад для тех, кто задает такие вопросы. Вместо этого он постулировал, что время – это свойство сотворенного Богом мира и что до начала Вселенной времени не существовало.

Когда большинство людей считали Вселенную в целом статичной и неизменной, вопрос о наличии у нее начала относился скорее к сфере метафизики или теологии. Наблюдаемую картину мира можно было с одинаковым успехом объяснить как в рамках теории о том, что Вселенная существовала всегда, так и на основе предположения, что она была приведена в движение в какое-то конкретное время, но таким образом, что сохраняется видимость, будто она существует вечно. Но в 1929 году Эдвин Хаббл сделал фундаментальное открытие: он обратил внимание на то, что далекие галактики, где бы они ни находились на небе, всегда удаляются от нас с большими скоростями, [пропорциональными расстоянию до них][3]. Другими словами, Вселенная расширяется. Это значит, что в прошлом объекты во Вселенной были ближе друг к другу, чем сейчас. И похоже, что в некий момент времени – где-то 10–20 миллиардов лет назад – все, что есть во Вселенной, было сконцентрировано в одном месте, и следовательно, плотность Вселенной была бесконечной. Это открытие вывело вопрос о начале Вселенной в сферу науки.

Из хаббловских наблюдений следовало, что в некий момент времени в прошлом – так называемый момент Большого взрыва – Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. В таких условиях перестают действовать все научные законы и, следовательно, становится невозможно предсказывать какие-либо будущие события. Никакие происшествия, имевшие место до этого момента, не могли бы повлиять на то, что творится в настоящее время. Существованием таких событий можно пренебречь, потому что они не могут иметь никаких наблюдаемых последствий. Можно сказать, что время началось в момент Большого взрыва, поскольку предшествовавшие моменты времени в принципе нельзя помыслить и зафиксировать. Такое начало времени существенно отличается от того, что рассматривалось раньше. В неменяющейся Вселенной начало во времени – это нечто, спровоцированное неким существом, находящимся вне Вселенной. То есть не было никакой физической необходимости в ее зарождении. Можно представить, что Бог сотворил Вселенную практически в любой момент в прошлом. С другой стороны, если Вселенная расширяется, то для ее начала вполне могут существовать физические основания. Можно продолжать считать, что Бог сотворил Вселенную в момент Большого взрыва или позднее – чтобы это выглядело так, будто произошел Большой взрыв, – но предполагать, что Вселенная была создана до Большого взрыва, бессмысленно. Расширяющаяся Вселенная не исключает присутствия творца, но накладывает определенные ограничения на то, когда он мог сделать свое дело.

Прежде чем говорить о природе Вселенной и обсуждать, было ли у нее начало и есть ли у нее конец, следует четко представлять себе, что такое научные теории. Я буду придерживаться упрощенного представления о том, что теория есть просто модель Вселенной или какой-либо ее части и набор правил, связывающих параметры этой модели с нашими наблюдениями. Она существует только в нашем сознании и никак не присутствует в реальности (что бы это ни значило). Теория считается хорошей, если она удовлетворяет двум требованиям. Во-первых, она должна правильно описывать большой класс наблюдений на основе модели с небольшим числом произвольных элементов. Во-вторых, она должна позволять с достаточной определенностью предсказывать результаты будущих наблюдений. Например, Аристотель верил в теорию Эмпедокла, согласно которой всё в мире состоит из четырех стихий: земли, воздуха, огня и воды. Это была довольно простая теория, но она не позволяла делать какие-либо точные предсказания. С другой стороны, теория тяготения Ньютона основана на еще более простой модели, в которой тела притягиваются друг другу с силой, пропорциональной величине, называемой массой, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между телами. И при этом теория Ньютона позволяет с очень высокой точностью предсказывать движение Солнца, Луны и планет.

Любая физическая теория по природе своей – временная в том смысле, что это всего лишь гипотеза, которую невозможно доказать. Сколько бы экспериментов ни подтверждали эту теорию, никогда нельзя быть уверенным, что следующий результат не будет ей противоречить. С другой стороны, для опровержения теории достаточно единственного наблюдения, результаты которого противоречат ее предсказаниям. Как отметил философ науки Карл Поппер, хорошая теория – та, что позволяет делать множество предсказаний, которые в принципе могут быть опровергнуты или, как это называет Поппер, фальсифицированы наблюдением. С каждым новым экспериментом, результаты которого согласуются с предсказаниями теории, степень нашего доверия к ней повышается, а сама теория укрепляется. Однако первое же противоречащее теории наблюдение является основанием отвергнуть или существенно изменить ее.

Во всяком случае, так должно быть в идеале, хотя, конечно, всегда можно поставить под сомнение квалификацию наблюдателя или экспериментатора.

На практике новая теория часто представляет собой расширение предыдущей. Например, очень точные наблюдения планеты Меркурий выявили небольшие расхождения между наблюдаемым движением и предсказаниями ньютоновской теории тяготения. Движение планеты, рассчитанное согласно эйнштейновской общей теории относительности, слегка отличалось от того, что предсказывала ньютоновская теория. Согласие предсказанного теорией Эйнштейна движения Меркурия с наблюдениями и отсутствие такого согласия с ньютоновской теорией стали двумя ключевыми подтверждениями новой концепции. Тем не менее мы до сих пор пользуемся ньютоновской теорией для большинства практических задач, потому что в ситуациях, с которыми нам обычно приходится сталкиваться, ее предсказания отличаются от предсказаний общей теории относительности очень незначительно. (К тому же ньютоновская теория куда проще теории Эйнштейна!)

Конечная цель науки состоит в создании единой теории для описания всей Вселенной. Но в реальности подход большинства ученых состоит в разделении проблемы на две части. Во-первых, есть законы, управляющие тем, как Вселенная меняется со временем. (Если мы знаем состояние Вселенной в определенный момент времени, то такие физические законы позволяют нам определить, как она будет выглядеть в любой другой момент.) Второй вопрос – это начальное состояние Вселенной. Некоторые считают, что наука должна заниматься только первой проблемой, а вопрос о начальном состоянии скорее относится к компетенции метафизики или религии. Они считают, что Бог, будучи всемогущим, мог создать Вселенную любым желаемым образом. Может быть, это и так, но тогда Бог мог также заставить Вселенную развиваться совершенно произвольным образом. Однако похоже, что Богу было угодно, чтобы Вселенная развивалась в соответствии с четко определенными законами. И поэтому представляется вполне разумным предположить, что начальное состояние Вселенной тоже подчинялось строгому набору правил.

Создать теорию, описывающую сразу всю Вселенную, оказалось очень трудным делом. Вместо этого ученые разделили проблему на множество частей и построили множество частных теорий. Каждая из них описывает и предсказывает ограниченный класс наблюдений, пренебрегая влиянием других факторов или представляя их в виде простых наборов чисел. Вполне возможно, что этот подход в корне неверен. Если во Вселенной все фундаментальным образом взаимозависимо, то получить полное решение, исследуя проблему фрагментарно в отрыве от целого, было бы невозможно. Тем не менее до сих пор именно этот подход обеспечивал прогресс науки. Классическим примером так же может служить теория тяготения Ньютона, согласно которой сила взаимного притяжения тел зависит только от присущей каждому из них числовой характеристики – его массы – и совершенно не зависит от того, из чего состоят эти тела. Таким образом, орбиты Солнца и планет можно рассчитывать, не вдаваясь в подробности об их составе и внутреннем строении[4].

Сейчас для описания Вселенной используют две основные частные теории – общую теорию относительности и квантовую механику. Это два великих интеллектуальных достижения первой половины XX века. Общая теория относительности описывает силу тяготения и крупномасштабную структуру Вселенной, то есть ее строение на масштабах от нескольких километров до миллиона миллионов миллионов миллионов (единица с двадцатью четырьмя нулями) километров – размера наблюдаемой Вселенной. Квантовая механика же, напротив, имеет дело с явлениями на чрезвычайно малых масштабах, такими как миллионная часть миллионной доли сантиметра. Как известно, эти две теории – к величайшему сожалению – несовместимы друг с другом, и поэтому по крайней мере одна из них не может быть правильной. Одним из главных направлений исследований в физике сегодня и главной темой этой книги является разработка новой теории, которая бы объединила в себе оба частных случая, – квантовой теории гравитации. Такой теории пока еще нет, и, быть может, мы еще далеки от ее создания, но нам уже известны многие из свойств, которыми она должна обладать. И, как будет видно в последующих главах, нам уже известно довольно много ее неизбежных предсказаний.

Так что, если исходить из того, что Вселенная устроена не произвольным образом, а подчиняется определенным законам, необходимо в конце концов объединить частные теории в одну всеобъемлющую, которая сможет описать все во Вселенной. Но поиск такой полной единой теории связан с фундаментальным парадоксом. Описанное выше представление о научных теориях предполагает, что мы являемся разумными существами, которые вольны наблюдать Вселенную так, как им заблагорассудится, и делать логические выводы из увиденного. В таком случае у нас есть основания полагать, что рано или поздно мы сможем осознать законы, которым подчиняется наша Вселенная. Но если бы полная объединенная теория действительно существовала, она, очевидно, также определяла бы и наши действия. И тогда она определяла бы исход нашего поиска! Так почему же из нее должно следовать, что мы на основании полученных данных придем к правильным выводам? Может ли это означать, что мы с равной степенью вероятности придем к ошибочным выводам? Или вовсе не сможем ничего заключить?

Единственный способ решить эту дилемму я вижу в дарвиновском принципе естественного отбора. Идея заключается в том, что особи в любой популяции самовоспроизводящихся организмов будут неизбежно различаться по генетическому материалу и опыту. А это значит, что некоторые особи будут чаще, чем другие, делать правильные выводы об окружающем их мире и действовать соответствующим образом. С высокой степенью вероятности именно они будут выживать и воспроизводиться, поэтому их манера поведения и образ мыслей станут преобладающими. Конечно, в прошлом интеллект и научные достижения не раз становились главным фактором выживания. Не совсем ясно, так ли это до сих пор, ведь наши недавние открытия вполне способны стереть нас с лица Земли. Но даже если этого не произойдет, единая теория может и не добавить нам шансов в борьбе за выживание. Однако если Вселенная эволюционирует согласно неким законам, то стоит ожидать, что полученные нами в ходе естественного отбора умственные способности поспособствуют поискам всеобъемлющей единой теории и не выведут нас на ложный путь.

Поскольку уже имеющихся частных теорий достаточно для точных предсказаний во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск всеобщей теории Вселенной трудно оправдать чисто практическими соображениями. (Заметим однако, что аналогичные доводы можно было привести в отношении и теории относительности, и квантовой механики, а ведь благодаря этим теориям мы овладели ядерной энергией и совершили революцию в микроэлектронике.) Так что от построения полной единой теории особого проку для нашего выживания как вида может и не быть, да и на нашем образе жизни это может никак не сказаться. Но ведь уже на заре цивилизации люди не желали довольствоваться картиной мира, в котором события и явления не связаны между собой и необъяснимы. Они стремились к пониманию лежащего в основе мироздания порядка. И сегодня нам хочется понять, почему мы здесь и откуда мы родом. Исконное стремление человечества к знаниям – достаточное основание для продолжения поисков, и наша цель – полное описание Вселенной, в которой мы живем, не больше и не меньше.

Глава вторая. Пространство и время

Современные представления о движении тел восходят к учениям Галилея и Ньютона. До того люди верили Аристотелю. Он постулировал, что естественное состояние тела – состояние покоя и что тело движется, только если его принуждает к тому сила или импульс. Из этого следовало, что более тяжелое тело должно падать быстрее, чем легкое, поскольку оно испытывает более сильное притяжение, которое влечет его к Земле.

Кроме того, в аристотелевской традиции считалось, что все управляющие Вселенной законы можно вывести чисто умозрительным путем, не обращаясь к наблюдениям. Так, в частности, никто до Галилея не счел нужным проверить, действительно ли тела разного веса падают с разной скоростью. Считают, что Галилей доказал ложность системы Аристотеля, бросая разнообразные предметы с падающей Пизанской башни в Италии. В действительности же все было, скорее всего, не так… Но Галилей проделал другой, эквивалентный эксперимент: он пускал шары разного веса по ровной наклонной поверхности. Эта ситуация аналогична той, когда тяжелые тела падают вертикально, но движение по наклонной поверхности проще наблюдать из-за меньших скоростей. Измерения Галилея показали, что скорость любого тела увеличивается с постоянным темпом независимо от веса. Например, если вы отпустите мяч на наклонной плоскости с уклоном в один метр на каждые десять метров, то через одну секунду мяч будет двигаться вниз по склону со скоростью около одного метра в секунду, через две секунды – со скоростью два метра в секунду и т. д., вне зависимости от веса мяча. Конечно, свинцовый груз падает быстрее, чем перо, но лишь потому, что сопротивление воздуха тормозит перо. Если вы сбросите два тела, которые не испытывают большого сопротивления воздуха, например два разных свинцовых груза, то они будут падать с одинаковой скоростью. На Луне, где воздух не мешает предметам перемещаться, астронавт Дэвид Р. Скотт выполнил эксперимент с пером и свинцовым грузом и обнаружил, что они достигли поверхности одновременно.

Ньютон использовал измерения Галилея в качестве основы для своих законов движения. В опытах Галилея, когда тело скатывалось вниз по наклонной плоскости, на него всегда воздействовала одна и та же сила (его вес), результатом чего было постоянное ускорение тела. Отсюда следовало, что в реальности воздействие силы на тело всегда приводит к изменению скорости его движения, а не только к его перемещению, как считалось ранее. Это также означало, что всякий раз, когда на тело не воздействует какая-либо сила, оно продолжает двигаться по прямой с постоянной скоростью. Эта идея была впервые ясно сформулирована в 1687 году в «Математических началах» Ньютона. Она стала известна как первый закон Ньютона. То, что происходит с телом, когда на него действует сила, определяется вторым законом Ньютона: тело ускоряется (то есть его скорость изменяется) со скоростью, пропорциональной приложенной силе. (Например, в два раза большая сила приводит к аналогичному росту ускорения.) Ускорение тем меньше, чем больше масса (или количество материи) тела. (Одно и то же усилие, действующее на тело, масса которого в два раза больше, произведет в два раза меньшее ускорение.) Привычный пример – это автомобиль: чем мощнее двигатель, тем больше ускорение, но чем тяжелее автомобиль, тем меньше ускорение при том же двигателе. Ньютон дополнил сформулированные им законы движения открытым им же законом всемирного тяготения, который гласит, что любое тело притягивается к любому другому телу с силой, пропорциональной массе каждого из тел. Таким образом, сила взаимного притяжения двух тел удвоится, если удвоить массу одного из тел (например тела А). Это вполне ожидаемо, потому что тело А можно представить состоящим из двух тел исходной массы. Каждое из этих тел должно притягивать тело B с первоначальной силой, и, таким образом, общая сила притяжения тел А и В будет в два раза больше первоначальной силы. И если масса одного из тел в два, а масса второго тела – в три раза больше соответствующей первоначальной массы, то сила взаимного притяжения окажется в шесть раз больше первоначальной. Теперь понятно, почему все тела падают с одинаковой скоростью: тело, весящее в два раза больше, испытывает в два раза большую силу тяготения. Но его масса в два раза больше, и следовательно, согласно второму закону Ньютона, эти два эффекта полностью компенсируют друг друга, и поэтому ускорение будет одинаковым во всех случаях.

Закон тяготения Ньютона также гласит, что чем дальше друг от друга тела, тем меньше сила их взаимного притяжения. Согласно этому закону сила тяготения звезды составляет в точности одну четверть силы тяготения такой же звезды на расстоянии вдвое меньше. Этот закон очень точно предсказывает орбиты Земли, Луны и планет. Если бы сила притяжения звезды уменьшалась с расстоянием медленнее или быстрее, то орбиты планет не были бы эллиптическими. Планеты бы двигались по спирали, приближаясь к Солнцу или удаляясь от него.

Существенное отличие идей Аристотеля с одной стороны и Галилея и Ньютона – с другой состоит в том, что Аристотель считал предпочтительным состояние покоя. Именно в нем должно находиться любое тело, не возмущаемое какой-либо силой или импульсом. В частности, Аристотель считал, что Земля находится в состоянии покоя. Но из законов Ньютона следует, что единого стандарта покоя не существует. Можно с одинаковым основанием сказать, что тело А находится в состоянии покоя, а тело В движется с постоянной скоростью относительно тела А, или же что тело В находится в состоянии покоя, а движется тело А. Например, если на время пренебречь вращением Земли и ее движением по орбите вокруг Солнца, то можно считать, что Земля находится в состоянии покоя, а поезд на ее поверхности движется на север со скоростью сто пятьдесят километров в час. Но можно также считать поезд находящимся в состоянии покоя, а Землю движущейся на юг со скоростью сто пятьдесят километров в час. При проведении опытов с движущимися телами в поезде все законы Ньютона тоже выполняются. Если сыграть в настольный теннис в железнодорожном вагоне, то окажется, что мячик ведет себя точно так же, как при игре в пинг-понг на столе, стоящем на земле рядом с путями. Поэтому нельзя с полной уверенностью утверждать, что движется: Земля или поезд.

Отсутствие абсолютного стандарта покоя означало, что невозможно определить, случились ли произошедшие в разное время два события в одном и том же месте в пространстве. Например, предположим, что наш шарик для пинг-понга в поезде отскакивает вверх и падает вниз, ударяясь о стол дважды в одном и том же месте с интервалом в одну секунду. Наблюдателю, который находится у железнодорожной колеи, будет казаться, что расстояние между двумя отскоками составляет около 40 метров, потому что именно это расстояние поезд пройдет за означенное время. Следовательно, отсутствие абсолютной системы отсчета означает – вопреки представлениям Аристотеля – невозможность соотнести событие с абсолютным положением в пространстве. Пространственные координаты событий и расстояние между ними будут разными для человека, едущего в поезде, и наблюдателя, стоящего рядом с железнодорожными путями, и при этом нет никаких оснований предпочесть наблюдения одного наблюдениям другого.

Ньютона очень беспокоило отсутствие абсолютного положения или, как он формулировал, абсолютного пространства, поскольку это противоречило его идее об абсолютном Боге. Ученый отказывался признавать отсутствие абсолютного пространства, несмотря на то, что оно вытекало из сформулированных им законов. Многие ожесточенно критиковали его за иррациональную веру, и, пожалуй, самым суровым его критиком был епископ Беркли – философ, считавший все материальные объекты, а также пространство и время всего лишь иллюзией. Когда знаменитому доктору Джонсону рассказали о взглядах Беркли, он закричал: «Я отвергаю это!» – и ударил ногой большой камень.

Аристотель и Ньютон верили в существование абсолютного времени. То есть они считали, что можно однозначно измерить промежуток времени между двумя событиями. Подразумевалось, что это значение будет безусловным и не будет зависеть от того, кто его измеряет. Конечно, при условии, что наблюдатель использует хорошие часы. В их представлении время было полностью отделено от пространства и независимо от него. Большинство людей считают это само собой разумеющимся, хотя нам пришлось пересмотреть взгляды на пространство и время. Привычные представления о них прекрасно работают, если речь идет о сравнительно медлительных объектах, например яблоках и планетах. В то же время они оказываются совершенно неприменимыми к объектам, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света или равной ей.

Датский астроном Оле Кристенсен Рёмер в 1676 году впервые установил, что свет распространяется с конечной, хотя и очень большой скоростью. Он обнаружил, что спутники Юпитера исчезают из поля зрения за диском планеты через разные интервалы времени, а не идентичные, как этого следовало ожидать, если бы они двигались равномерно. Расстояние между Юпитером и Землей меняется по мере движения этих планет вокруг Солнца. Рёмер обнаружил, что затмения спутников Юпитером наблюдаются тем позже, чем дальше Юпитер находится от Земли, и сделал вывод, что причина в том, что свету от спутников приходится преодолевать большее расстояние, чтобы достичь нас. Правда, рассчитанные им изменения расстояния от Земли до Юпитера были не очень точными, а потому он оценил скорость света примерно в 220 000 километров в секунду – против современного значения в 300 000 километров в секунду. И тем не менее результат Рёмера, которому удалось не только доказать конечность скорости света, но и измерить ее, был замечательным достижением, особенно учитывая, что оно явилось за 11 лет до выхода в свет «Математических начал» Ньютона.

Полноценная теория распространения света была создана только в 1865 году, когда британский физик Джеймс Клерк Максвелл смог объединить частные теории электрических и магнитных сил. Из уравнений Максвелла следовала возможность существования волнообразных возмущений электромагнитного поля, а также то, что эти возмущения должны распространяться с постоянной скоростью подобно волнам на поверхности пруда. Волны с длиной (то есть расстоянием между двумя последовательными гребнями) более одного метра сейчас называют радиоволнами. Сегодня мы знаем, что более короткие волны называют СВЧ-волнами (несколько сантиметров) или инфракрасным излучением (если длина волны составляет более одной десятитысячной сантиметра). Длина волн видимого света составляет от сорока до восьмидесяти миллионных сантиметра. Излучение с еще меньшими длинами волн известно как ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Из теории Максвелла следовало, что радиоволны и волны видимого света должны распространяться с определенной фиксированной скоростью. Но теория Ньютона рассталась с представлением об абсолютном покое, и поэтому, если свет распространяется с фиксированной скоростью, надо указать, относительно чего следует измерять эту скорость. Поэтому выдвинули предположение о существовании некоей субстанции, названной эфиром, которая пронизывает все вокруг и даже вакуум «пустого» пространства. Считалось, что волны света распространяются в эфире подобно тому, как звуковые волны распространяются в воздухе, и следовательно, скорость волн света надо измерять относительно эфира. При этом, с точки зрения разных наблюдателей, движущихся относительно эфира, воспринимаемый ими свет распространяется с разной скоростью, но скорость распространения света относительно эфира всегда постоянна. В частности, по мере движения Земли вокруг Солнца через эфир скорость света, измеренная в направлении движения Земли сквозь эфир (то есть когда мы движемся в направлении источника света), должна быть выше, чем скорость света в направлении, перпендикулярном движению (то есть когда мы не движемся к источнику).

В 1887 году Альберт Майкельсон, впоследствии первый американский лауреат Нобелевской премии по физике, совместно с Эдвардом Морли выполнил в Кейсовской школе прикладных наук (ныне Универститет Кейс Вестерн Резерв) в Кливленде очень тонкий эксперимент. Они сравнили скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. К их великому удивлению, скорости в обоих направлениях в точности совпали!

С 1887-го по 1905 год было предпринято несколько попыток объяснить результат эксперимента Майкельсона и Морли. Наиболее известной из них была попытка голландского физика Хендрика Лоренца, который предположил, что при движении сквозь эфир объекты сокращаются в направлении движения, а ход часов замедляется. Но в своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, никому тогда не известный клерк швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн заметил, что необходимость в самой идее эфира отпадает, если отказаться от представления об абсолютном времени. Выдающийся французский математик Анри Пуанкаре высказал похожую идею спустя несколько недель после Эйнштейна. Аргументы Эйнштейна оказались более физичными, чем соображения Пуанкаре, который рассматривал проблему с чисто математической точки зрения. Слава за открытие новой теории досталась Эйнштейну, но не забыт и важный вклад Пуанкаре в ее создание.

Фундаментальным постулатом эйнштейновской теории относительности было утверждение, что законы науки должны быть одинаковыми для любого свободно движущегося наблюдателя независимо от его скорости. Это было справедливо и для законов движения Ньютона, но Эйнштейн распространил эту идею на теорию Максвелла и скорость света: все наблюдатели должны измерять одно и то же значение скорости света независимо от того, как быстро они движутся. Эта простая идея имела ряд замечательных следствий. Пожалуй, наиболее известными из них оказались а) эквивалентность массы и энергии, заключенная в знаменитом уравнении E = mc^2 (где E – это энергия, m – масса, а c – скорость света), и б) закон, согласно которому ничто не может двигаться быстрее света. Эквивалентность массы и энергии означает, что связанная с движением объекта энергия увеличивает его массу. Другими словами, чем быстрее движется объект, тем труднее дается дальнейшее увеличение его скорости. В реальности этот эффект существен только для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Например, масса объекта, движущегося со скоростью в 10 % скорости света, больше обычной всего лишь на 0,5 %, в то время как при скорости в 90 % скорости света масса объекта оказывается более чем в два раза больше его нормальной массы. По мере приближения скорости объекта к скорости света масса объекта возрастает все быстрее, и поэтому для дополнительного ускорения требуется все больше энергии. Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, потому что с приближением к ней его масса будет стремиться к бесконечности, и следовательно, согласно принципу эквивалентности массы и энергии для разгона до скорости света потребуется бесконечная энергия. Именно по этой причине любой рядовой объект обречен вечно двигаться медленнее, чем свет. Только свет или другие волны, не имеющие собственной массы, могут двигаться столь стремительно.

Не менее замечателен вклад теории относительности в характер наших представлений о пространстве и времени: она произвела настоящую революцию. По Ньютону, если послать импульс света из одного места в другое, то время, за которое этот импульс достигнет цели, будет одним и тем же с точки зрения разных наблюдателей, потому что оно абсолютно. А вот пройденное светом расстояние, согласно измерениям разных наблюдателей, будет различаться, потому что пространство не является абсолютным. Поскольку скорость света равна пройденному светом расстоянию, деленному на затраченное время, то значения скорости света, измеренные разными наблюдателями, будут различаться. С другой стороны, в теории относительности все наблюдатели должны получить одинаковое значение скорости света. При этом пройденное светом расстояние будет разным для разных наблюдателей, и следовательно, измерения разных наблюдателей должны дать разные значения затраченного светом времени. Затраченное светом время равно пройденному светом расстоянию (которое оказывается разным для разных наблюдателей), деленному на скорость света (которая одинакова для всех наблюдателей). Другими словами, теория относительности положила конец идее абсолютного времени! Она постулировала, что мера времени у каждого наблюдателя, задаваемая его часами, своя, и даже если разные наблюдатели используют совершенно одинаковые часы, они необязательно получат одинаковые значения для измеряемого интервала времени.

Каждый наблюдатель может использовать радар для определения места и времени того или иного события. Для этого наблюдатель отправляет радиоимпульс или импульс света и измеряет время приема частично отраженного импульса. Временем события считается середина интервала между отправлением исходного импульса и приемом отраженного импульса; расстояние до события определяется как половина времени, затраченного на ожидание приема отраженного импульса, умноженная на скорость света. (Под событием подразумевается нечто, произошедшее в некой точке пространства в некоторый момент времени.) Суть этого описания иллюстрирует рисунок 2.1, это пример пространственно-временной диаграммы. Прибегнув к помощи радара, движущиеся относительно друг друга наблюдатели приписывают одному и тому же событию разные время и положения. Измерения ни одного из наблюдателей нельзя считать более правильными, чем измерения какого бы то ни было другого наблюдателя, но все измерения взаимосвязаны. Любой наблюдатель может точно вычислить время и положение, которые припишет данному событию любой другой наблюдатель, при условии, что ему известна относительная скорость этого наблюдателя.

В настоящее время этот метод используется для точного измерения расстояний, потому что время мы умеем измерять точнее, чем длину. Действительно, ведь метр определяется как расстояние, которое свет проходит за 0,000000003335640952 секунды по цезиевым часам. (Это число выбрано, чтобы обеспечить соответствие историческому определению метра как расстояния между двумя метками на платиновом эталоне, который хранится в Париже.) С таким же успехом можно использовать и более удобную единицу длины под названием «световая секунда». Она определяется просто как расстояние, которое свет проходит за одну секунду. В теории относительности расстояния определяются через время и скорость света, и отсюда непосредственно следует, что каждый наблюдатель будет измерять одну и ту же скорость света (эта скорость по определению равна 1 метру в 0,000000003335640952 секунды). При этом нет необходимости вводить понятие эфира, присутствие которого, как показал опыт Майкельсона и Морли, все равно невозможно обнаружить. Но теория относительности требует от нас радикального пересмотра наших представлений о пространстве и времени. Приходится признать, что время не является полностью отделенным и независимым от пространства: они образуют единый объект под названием пространство-время.

Наш повседневный опыт говорит нам, что положение точки в пространстве можно описать тремя числами, или координатами. Например, мы можем сказать о точке в комнате, что она расположена в семи метрах от одной стены, трех метрах от другой стены и на высоте пяти метров над полом. Или, например, можно сказать, что некая точка расположена на определенных широте и долготе и на определенной высоте над уровнем моря. Мы можем использовать любые три подходящие координаты, хотя, конечно, в каждом конкретном случае их практическая применимость ограничена. Например, не очень-то удобно определять положение Луны, указав расстояние в километрах к северу и к западу от площади Пикадилли, а высоту – в метрах над уровнем моря. Положение Луны лучше описывать через ее расстояния от Солнца и от плоскости орбит планет, угол между линией, соединяющей Луну и Солнце, и линией, соединяющей Солнце с близкой к нему звездой, например альфой Центавра. Но такие координаты не очень годятся для описания положения Солнца в нашей Галактике или положения нашей Галактики в местной группе галактик. В сущности, всю Вселенную можно описать как набор перекрывающих друг друга областей, в каждой из которых для определения положения заданной точки можно использовать свою систему из трех координат.

Рис. 2.1. По оси ординат отложено время, а по оси абсцисс – расстояние от наблюдателя. Вертикальная линия слева отображает путь наблюдателя в пространстве и времени, а диагональные линии – пути лучей света от события

Событие – это нечто, что происходит в определенной точке пространства в определенное время. То есть событие может быть описано четырьмя числами, или координатами. И в данном случае выбор координат также произволен: можно использовать любой набор из трех надежных пространственных координат и любой меры времени. Но теория относительности рассматривает пространственные и временные координаты как равноправные – как и любые две пространственные координаты. Можно, например, выбрать новый набор координат, в котором, скажем, первая пространственная координата представляет собой некую комбинацию первой и второй пространственных координат исходного набора. Так, вместо определения положения точки на Земле в километрах к северу и километрах к западу от площади Пикадилли можно взять километры к северо-востоку и северо-западу от той же площади. Точно так же мы можем перейти к использованию новой временной координаты, равной исходному времени (в секундах) плюс расстояние (в световых секундах) к северу от площади Пикадилли.

Четыре координаты события удобно представить себе как координаты точки в четырехмерном пространстве под названием «пространство-время». Четырехмерное пространство вообразить невозможно… я с большим трудом представляю себе даже трехмерное! При этом графически изображать двумерные пространства, такие как поверхность Земли, совсем нетрудно. (Поверхность Земли двумерна, потому что положение любой точки на ней можно задать с помощью двух координат – широты и долготы.) На моих графиках, как правило, время увеличивается кверху, а одно из пространственных измерений откладывается по горизонтальной оси. Остальными двумя пространственными измерениями мы пренебрегаем или – в некоторых случаях – изображаем их в виде перспективы. (Это так называемые пространственно-временные диаграммы – вроде той, что изображена на рисунке 2.1.) Например, на рисунке 2.2 время в годах отложено вдоль вертикальной оси и увеличивается снизу вверх, а расстояние в милях[5] вдоль линии, соединяющей Солнце и альфу Центавра, отложено по горизонтальной оси. Траектории Солнца и альфы Центавра в пространстве-времени изображены в виде вертикальных линий слева и справа от графика. Луч света от Солнца движется по диагонали, и ему требуется четыре года, чтобы пройти путь от Солнца до альфы Центавра.

Рис. 2.2

Как мы уже знаем, из уравнений Максвелла следует, что скорость света должна быть всегда одной и той же независимо от скорости источника света, и этот вывод был подтвержден точными измерениями. Отсюда следует, что если импульс света испущен в определенное время и в определенной точке пространства, то со временем он должен распространиться в виде световой сферы, размер и положение которой не зависят от скорости источника. Через одну миллионную долю секунды свет расширится до сферы радиусом 300 метров, через две миллионных доли секунды радиус сферы составит 600 метров, и т. д. Это напоминает круги, которые расходятся по воде, если в пруд бросить камень. С течением времени круг этот расширяется. Если положить друг на друга снимки круга, полученные в разное время, они примут вид конуса, вершина которого совпадает с местом и временем, которые соответствуют месту и времени попадания камня в воду (рис. 2.3). Аналогичным образом распространяющийся от события свет образует (трехмерный) конус в (четырехмерном) пространстве-времени. Этот конус называется световым конусом будущего для этого события. Точно так же можно изобразить и другой конус, называемый световым конусом прошлого, который представляет собой множество событий, световой импульс от которых в принципе мог достичь данного события (рис. 2.4).

Рис. 2.3

Любое заданное событие P разделяет события Вселенной на три класса. События, до которых из события P можно «добраться» посредством частицы или волны, движущейся со скоростью меньше скорости света или равной ей, называются будущим события P. Они располагаются на излученной событием P расширяющейся световой сфере или внутри этой сферы. Следовательно, на пространственно-временной диаграмме эти события находятся внутри светового конуса будущего для события P или на этом конусе. Событие P может повлиять только на те события, которые находятся в его световом конусе будущего, потому что ничто не может двигаться быстрее света. Аналогично прошлое события P определяется как множество всех событий, из которых можно достичь события P, перемещаясь со скоростью меньше скорости света или равной ей. Это тот набор событий, который может повлиять на то, что происходит в P. События, которые не относятся ни к прошлому, ни к будущему события P, называются абсолютно удаленными от события P (рис. 2.5). То, что происходит при этих событиях, никак не может повлиять на событие P, а событие P, в свою очередь, никак не может повлиять на эти события. Например, если Солнце прямо сейчас погаснет, то это никак не повлияет на события, происходящие в настоящий момент на Земле, потому что эти события будут абсолютно удаленными от «выключения» Солнца (рис. 2.6). Мы узнаем об этом через восемь минут – столько требуется свету, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до нас. Только тогда земные события окажутся внутри светового конуса будущего для события, при котором погасло Солнце. Точно так же мы не знаем, что происходит в настоящий момент на бóльших расстояниях во Вселенной: свет, который доходит до нас из далеких галактик, покинул их миллионы лет назад. В случае самого далекого из наблюдаемых объектов свет, который мы видим, покинул его восемь тысяч миллионов лет назад. Так вот: глядя на Вселенную, мы видим ее такой, какой она была в прошлом.

Рис. 2.4 и 2.5

Если пренебречь влиянием тяготения, – как это сделали Эйнштейн и Пуанкаре в 1905 году, – то мы получим то, что называют специальной теорией относительности. Для каждого события в пространстве-времени можно построить световой конус (множество всех лучей света в пространстве-времени, которые могут излучаться при рассматриваемом событии), и, поскольку скорость света одинакова для всех событий и во всех направлениях, все световые конусы одинаковы и направлены в одну и ту же сторону. Теория также говорит, что ничто не может перемещаться быстрее света. Это значит, что траектория любого объекта в пространстве и времени имеет вид линии, расположенной внутри светового конуса (рис. 2.7). Специальная теория относительности успешно объяснила, почему для всех наблюдателей скорость света одинакова (как показал опыт Майкельсона и Морли), и описала, что происходит, когда объект движется со скоростью, близкой к скорости света. Но она противоречила ньютоновской теории тяготения, которая гласит, что тела притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними. Это означает, что если сдвинуть одно из тел, то в то же мгновение изменится сила, действующая на второе тело. Или, другими словами, гравитационное воздействие должно распространяться с бесконечно большой скоростью, а не со скоростью меньше скорости света или равной ей, как того требует специальная теория относительности. Между 1908 и 1914 годом Эйнштейн предпринял ряд неудачных попыток построить теорию тяготения, совместимую со специальной теорией относительности. Наконец, в 1915 году он предложил теорию, которая теперь известна как общая теория относительности.

Рис. 2.6

Эйнштейн сделал революционное предположение: тяготение существенно отличается от других сил и есть следствие того, что, вопреки привычным представлениям, пространство-время не является плоским – оно искривлено, или деформировано, распределенными в нем массой и энергией. Тела, например Земля, движутся по криволинейным орбитам, не потому что их принуждает к этому сила тяготения, а потому что такие орбиты представляют собой кратчайший путь в искривленном пространстве. Это так называемая геодезическая линия – ближайший аналог прямого пути в плоском пространстве. Геодезическая линия – это кратчайший (или самый длинный) путь между двумя соседними точками. Например, поверхность Земли представляет собой двумерное искривленное пространство. Геодезическая на поверхности Земли – это дуга большого круга и это кратчайший путь от одной точки до другой (рис. 2.8). Поскольку геодезическая – кратчайший путь между двумя аэропортами, то именно такой маршрут предлагает пилоту навигатор. В общей теории относительности тела всегда движутся вдоль прямых линий в четырехмерном пространстве-времени, но для нас в нашем трехмерном пространстве все выглядит как движение по искривленным траекториям. (Это как смотреть на самолет, пролетающий над холмистой местностью. Хотя самолет летит по прямой линии в трехмерном пространстве, его тень на двумерной поверхности перемещается по искривленной траектории.)

Рис. 2.7

Рис. 2.8

Под действием массы Солнца пространство-время искривляется так, что, хотя в четырехмерном пространстве-времени Земля движется по прямой, для нас, находящихся в трехмерном пространстве, она выглядит движущейся по почти круговой орбите.

На самом деле планетные орбиты, предсказываемые общей теорией относительности, почти не отличаются от орбит, вычисляемых в рамках ньютоновской теории тяготения. Но в случае Меркурия, который, будучи ближайшей к Солнцу планетой, больше всего ощущает сильные гравитационные эффекты и к тому же движется по довольно вытянутой эллиптической орбите, общая теория относительности предсказывает, что большая ось эллипса должна поворачиваться вокруг Солнца со скоростью около одного градуса в десять тысяч лет. Несмотря на незначительность этого эффекта, он был обнаружен задолго до 1915 года и стал одним из первых подтверждений теории Эйнштейна. В последнее время радиолокационными методами удалось измерить еще меньшие отклонения орбит других планет от орбит, рассчитанных с помощью ньютоновской теории, и эти отклонения оказались такими, как предсказывает общая теория относительности.

Лучи света тоже должны распространяться вдоль геодезических в пространстве-времени. Отметим еще раз, что из-за кривизны пространства свет не распространяется по прямым линиям и, следовательно, согласно общей теории относительности, гравитационные поля должны изгибать лучи света. Например, теория предсказывает, что под действием массы Солнца световые конусы вблизи него должны слегка искривляться в направлении светила. Это значит, что проходящий вблизи Солнца свет от далекой звезды немного отклоняется, из-за чего земной наблюдатель видит звезду в другом месте на небе (рис. 2.9). Конечно, если бы свет от звезды всегда проходил вблизи Солнца, то мы не могли бы сказать, отклоняется ли он или звезда находится именно там, где мы ее видим. Но Земля движется вокруг Солнца, и поэтому в разное время вблизи него оказываются разные звезды, свет которых отклоняется полем тяготения светила, из-за чего меняется их видимое положение на фоне других звезд.

Рис. 2.9

Эффект этот обычно очень трудно обнаружить из-за яркого света Солнца, не позволяющего наблюдать близкие к нему звезды. Но такая возможность появляется во время солнечных затмений, когда Солнце оказывается закрыто Луной. Предсказанное Эйнштейном отклонение света не удалось проверить сразу, в 1915 году, из-за начавшейся годом ранее Первой мировой войны. Только в 1919 году британская экспедиция, наблюдавшая затмение с побережья Западной Африки, смогла убедиться, что Солнце действительно отклоняет свет, как это предсказывает теория Эйнштейна. В этом доказательстве немецкой теории британскими учеными видели великий акт примирения между двумя странами после войны. Ирония состоит в том, что выполненный позднее анализ сделанных в ходе экспедиции фотографий показал, что ошибки в измерениях были такими же весомыми, как и сам измеряемый эффект. Так что данные наблюдений – следствие счастливой случайности. Сыграло роль еще и то, что ученым было заведомо известно, какой результат они хотели получить, что не редкость в научных исследованиях. Правда, отклонение света было достоверно подтверждено рядом последующих наблюдений.

Согласно другому предсказанию общей теории относительности вблизи массивных тел, таких, например, как Земля, течение времени должно замедляться. Это является следствием соотношения между энергией света и его частотой (то есть числом световых волн в секунду): чем больше энергия, тем выше частота. Когда свет распространяется вверх в поле притяжения Земли, он теряет энергию и, следовательно, частота его волн снижается. (Это значит, что промежуток времени между двумя последовательными гребнями волны увеличивается.) Наблюдателю, смотрящему с большой высоты, все, что происходит внизу, должно казаться замедленным. Это предсказание проверили в 1962 году при помощи пары очень точных часов, установленных в верхней и нижней части водонапорной башни. Нижние часы, расположенные ближе к Земле, шли медленнее, в точности как предсказывала общая теория относительности. С появлением очень точных навигационных систем, работающих на основе сигналов со спутников, разница в показаниях часов на разной высоте над Землей приобрела практическое значение. Пренебрегая предсказаниями общей теории относительности, можно ошибиться в определении положения на несколько километров!

Законы движения Ньютона похоронили идею об абсолютном положении в пространстве. Теория относительности покончила с абсолютным временем. Возьмем двоих близнецов. Предположим, что один из них отправляется жить на вершину горы, а другой остается на уровне моря. Первый близнец будет взрослеть и стареть быстрее, чем второй. Таким образом, если они снова встретятся, один из них окажется старше другого. В этом случае разница в возрасте будет очень малой. Но оная будет куда больше, если один из близнецов отправится в долгое путешествие на космическом корабле, разогнавшись почти до скорости света. Когда он вернется, то окажется много моложе близнеца, оставшегося на Земле. Это так называемый парадокс близнецов, но парадоксален он только в том случае, если вы подсознательно верите в идею абсолютного времени. В теории относительности нет единого абсолютного времени: для каждого наблюдателя время течет по-своему, и его ход зависит от того, где наблюдатель находится и с какой скоростью движется.

До 1915 года пространство и время считали ареной, где разворачиваются события, которые на эту арену никак не влияют. Это было справедливо и в контексте специальной теории относительности. Тела двигались, на них действовали силы притяжения или отталкивания, но при этом пространство и время оставались не затронутыми телами и силами. Казалось естественным, что пространство и время существовали и будут существовать всегда.

Но в общей теории относительности все обстоит иначе. Пространство и время в рамках этой теории являются динамическими величинами: движение тела или действие силы влияют на кривизну пространства-времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на движение тел и действие сил. Пространство и время не только влияют на все происходящее во Вселенной, но и сами подвержены влиянию происходящих во Вселенной событий. Мы не можем говорить о событиях во Вселенной вне понятий пространства и времени, и точно так же в общей теории относительности не имеет смысла говорить о пространстве и времени вне Вселенной.

В последовавшие десятилетия новое понимание пространства и времени революционным образом изменило наши взгляды на космос. На смену прежнему представлению о неизменной в целом Вселенной, которая могла существовать всегда и может продолжать существовать вечно, пришло понятие динамической расширяющейся Вселенной, которая, как казалось, возникла в определенный момент в прошлом и может завершить свое существование в определенный момент в будущем. Этой революции посвящена следующая глава.

Такая перемена также стала отправной точкой для моих исследований в теоретической физике спустя много лет. Мы с Роджером Пенроузом показали, что из общей теории относительности Эйнштейна следует, что у Вселенной должны быть начало и, возможно, конец.

Глава третья. Расширяющаяся вселенная

Если взглянуть на небо в ясную безлунную ночь, то самые яркие объекты, которые вы увидите, – это, скорее всего, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, на небе будет много звезд вроде нашего Солнца, расположенных куда дальше него. Правда, некоторые из этих «неподвижных» звезд слегка смещаются относительно друг друга по мере движения Земли по орбите вокруг Солнца – они в действительности совсем не неподвижны! А все потому, что сравнительно близки. По мере движения нашей планеты вокруг Солнца мы видим эти относительно близкие звезды с разных ракурсов на фоне более далеких звезд. Это весьма благоприятное обстоятельство, поскольку описанный эффект позволяет непосредственно измерять расстояния до них: чем ближе звезда, тем активнее она «движется» в нашем представлении. Проксима Центавра, ближайшая к нам звезда, находится на расстоянии около четырех световых лет (свет от нее добирается до нас примерно за четыре года), или 40 миллионов миллионов километров, от Земли. Большинство других видимых невооруженным глазом звезд удалены от нас на сотни световых лет. Для сравнения: Солнце отстоит от нашей планеты всего лишь на восемь световых минут! Видимые нам звезды рассыпаны по всему небу, но при этом хорошо заметно, что основная их масса сконцентрирована в полосе, известной как Млечный Путь. Уже в 1750 году некоторые астрономы предлагали объяснение для вида Млечного Пути: согласно их предположению, большинство видимых на небе звезд могли образовывать единую дискообразную структуру, – то есть то, что мы сейчас называем спиральной галактикой. Подтверждение эта гипотеза получила лишь спустя несколько десятилетий, когда астроном сэр Уильям Гершель, премного потрудившись, составил каталог[6] положений огромного числа звезд и расстояний до них. Но такое представление стало общепринятым лишь в начале XX века.

Современная картина Вселенной возникла совсем недавно – в 1924 году, когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика Млечный Путь – не единственная во Вселенной. Хаббл, в сущности, доказал существование множества других галактик, разделенных огромными объемами пустого пространства[7]. Для этого ему потребовалось определить расстояния от Земли до других галактик. Но галактики так далеки, что, в отличие от близких звезд, выглядят совершенно неподвижными. Поэтому Хабблу пришлось прибегнуть к косвенным методам для определения расстояния. Так, видимый блеск звезды зависит от двух факторов: от того, сколько света звезда излучает за единицу времени (то есть ее светимости), и от того, насколько она удалена от нас (то есть от расстояния до Земли). Мы можем вычислить светимости близких звезд по их видимому блеску и расстоянию. И наоборот, если бы мы знали светимости звезд в других галактиках, то могли бы определить расстояния до этих звезд, измеряя их видимый блеск. Хаббл обратил внимание, что близкие звезды определенного типа, для которых удается определить расстояния, всегда имеют одну и ту же светимость, и предположил, что если найти в далекой галактике звезды таких типов, то можно принять их светимость равной светимости аналогичных звезд в солнечной окрестности и на этой основе рассчитать расстояние до галактики. Если расстояния, получаемые таким образом по нескольким звездам конкретной галактики, окажутся примерно одинаковыми, то такую оценку вполне можно считать заслуживающей доверия.

Хаббл таким образом определил расстояния до девяти разных галактик. Теперь мы знаем, что Млечный Путь – наша Галактика – это всего лишь одна из сотен миллиардов галактик, доступных взору современных телескопов, а галактика, в свою очередь, состоит из сотен миллиардов звезд. На рисунке 3.1 изображена спиральная галактика, которая выглядит примерно как наша для наблюдателя, обитающего в совершенно другой области Вселенной. Мы живем в медленно вращающейся галактике поперечником около 100 000 световых лет. Звезды в спиральных рукавах совершают один оборот вокруг галактического центра примерно за несколько сотен миллионов лет. Наше Солнце – заурядная, средних размеров желтая звезда, расположенная неподалеку от внутренней кромки одного из спиральных рукавов. Мы проделали большой путь со времен Аристотеля и Птолемея, которые считали Землю центром Вселенной!

Рис. 3.1

Звезды так далеки, что кажутся всего лишь светящимися точками. Мы не в состоянии на глаз определять их размер и форму. Но как мы можем различать звезды разных типов? У большинства звезд существует только одна характерная особенность, которую мы можем наблюдать: цвет их излучения. Ньютон обнаружил, что если солнечный свет пропустить через треугольную призму из стекла, то он «расщепляется» на составляющие его цвета (спектр), совсем как в радуге. Направив телескоп на звезду или галактику, можно наблюдать спектр излучения этого объекта. Спектры звезд различаются, но соотношение яркостей различных цветов всегда соответствует соотношению яркостей цветов в излучении раскаленного тела. (Излучаемый любым непрозрачным раскаленным объектом свет всегда имеет характерный спектр, который зависит только от его температуры, – это тепловой спектр. Это значит, что по спектру излучения звезды можно определить ее температуру.) Более того, некоторые цвета в спектре звезды отсутствуют, и набор этих цветов разный у разных звезд. Поскольку мы знаем, что каждый химический элемент поглощает характерный для него набор цветов, то, сравнив набор цветов, которые отсутствуют в спектре звезды, можно точно определить, какие элементы присутствуют в ее атмосфере.

В 20-х годах XX века астрономы начали исследовать спектры звезд в других галактиках и обнаружили одну странность: в спектрах этих звезд отсутствовали те же характерные наборы цветов, что и в спектрах звезд нашей Галактики. Более того, все эти цвета оказывались смещенными на одну и ту же относительную величину в красную сторону спектра. Чтобы осознать следствия этого факта, потребуется разобраться в том, что представляет собой эффект Доплера. Как мы знаем, видимый свет состоит из колебаний, или волн, электромагнитного поля. Длина волны (то есть расстояние между двумя последовательными гребнями) видимого света чрезвычайно мала и составляет от четырех до семи десятимиллионных метра. Человеческий глаз воспринимает свет волн разной длины как разные цвета – самый «длинноволновой» свет находится на красном конце спектра, самый «коротковолновой» – на синем.

Теперь представьте себе источник света – например звезду, – расположенный на постоянном расстоянии от нас и излучающий световые волны постоянной длины. Очевидно, что в этом случае длина волны, которую мы воспринимаем, в точности равна длине волны, которую звезда излучает (гравитационное поле галактики недостаточно сильное, чтобы оказать на нее существенное влияние). А теперь представим себе, что этот источник света начинает двигаться к нам. В момент, когда он излучает очередной гребень волны, источник оказывается ближе к нам, и поэтому расстояние между гребнями будет меньше, чем когда свет излучала неподвижная звезда. Это значит, что принимаемые нами волны будут короче, чем в случае неподвижной звезды. Соответственно, если источник света удаляется от нас, то принимаемые волны от этого источника окажутся длиннее. Отсюда следует, что спектры удаляющихся звезд смещены в красную сторону спектра (красное смещение), а спектры объектов, движущихся к нам, смещены в голубую сторону. С этим соотношением длины и скоростью волны, называемым эффектом Доплера, мы сталкиваемся и в повседневной жизни. Прислушайтесь, когда автомобиль проносится мимо вас по дороге: пока он приближается, звук его двигателя, или сигнала, выше (что соответствует меньшей длине волны и более высокой частоте звуковых волн), а после того как автомобиль проедет мимо и станет удаляться, – ниже. Аналогично ведут себя свет и радиоволны. И действительно, дорожные службы используют эффект Доплера для определения скорости автомобиля, измеряя длину волны отраженных от него радиоимпульсов.

Доказав существование других галактик, Хаббл занялся определением расстояний до них и наблюдением их спектров. В то время считали, что галактики движутся совершенно случайным образом, а потому ожидали обнаружить примерно одинаковое количество галактик с голубым и красным смещением спектров. Ко всеобщему удивлению, оказалось, что спектры большинства галактик смещены в красную сторону: почти все они удалялись от нас! Еще более удивительной оказалась научная публикация Хаббла 1929 года: величины красного смещения в спектрах галактик не распределены случайно, а прямо пропорциональны расстоянию галактики от нас. Иными словами, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется! Это означало, что, вопреки господствовавшим тогда представлениям, Вселенная не может быть стационарной и что в действительности она расширяется, а расстояния между галактиками со временем увеличиваются.

Открытие расширения Вселенной стало одной из величайших интеллектуальных революций ХХ века. Оглядываясь назад, невольно удивляешься, что никто не подумал об этом раньше. Ньютон и другие ученые были вполне подкованны, чтобы сделать вывод о том, что стационарная Вселенная неизбежно начала бы сжиматься под действием собственного тяготения. Но представим себе, что Вселенная расширяется. Если бы Вселенная расширялась с небольшой скоростью, то сила тяготения рано или поздно остановила бы ее расширение, и Вселенная начала бы сжиматься. Однако если бы Вселенная расширялась со скоростью, превышающей некоторое предельное значение, то сила тяготения никогда не смогла бы остановить это расширение, и оно продолжалось бы вечно. Это немного напоминает запуск ракеты с поверхности Земли: если скорость ракеты недостаточно велика, то сила тяготения в какой-то момент остановит ее движение, а после заставит ее упасть вниз. С другой стороны, если скорость ракеты больше определенного критического значения (около 11 километров в секунду), то сила тяготения нашей планеты уже никогда не сможет заставить ее вернуться, и ракета продолжит удаляться от Земли. Такое поведение Вселенной вполне можно было предсказать в рамках ньютоновской теории тяготения и в XIX, и в XVIII столетии, и даже в конце XVII-го. Но вера в стационарную Вселенную была столь прочна, что оставалась незыблемой вплоть до начала XX века. Даже Эйнштейн, сформулировав общую теорию относительности в 1915 году, был настолько уверен в стационарности космоса, что скорректировал уравнения теории: он ввел дополнительный коэффициент, который назвал космологической постоянной, чтобы обеспечить Вселенной неподвижность. Эйнштейн заявил новую силу – «антигравитацию», – которая, в отличие от других сил, не имеет какого-то определенного источника, но встроена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространству-времени присуще внутреннее стремление расширяться, и оно может полностью уравновесить взаимное притяжение всего вещества во Вселенной, в результате чего сама Вселенная остается стационарной. Только один человек, похоже, был готов принять общую теорию относительности в ее первозданном виде: пока Эйнштейн и другие физики искали способ избежать неизбежной нестационарности в рамках общей теории относительности, российский физик и математик Александр Фридман предпочел эту нестационарность объяснить.

Фридман выдвинул две очень простые гипотезы о свойствах Вселенной. Во-первых, он предположил, что Вселенная одинакова во всех направлениях и, во-вторых, что это справедливо для любого наблюдателя в любой точке. Исходя всего лишь из этих двух предположений, Фридман показал, что Вселенная не должна быть стационарной. То есть еще в 1922 году, за несколько лет до открытия Эдвина Хаббла, Фридман предсказал именно то, что Хаббл впоследствии обнаружил!

Конечно же, предположение о том, что Вселенная совершенно одинакова во всех направлениях, не совсем верно. Например, как мы уже отметили, другие звезды в нашей Галактике образуют хорошо заметную светлую полосу, пересекающую ночное небо, – ее мы называем Млечным Путем. Но если взглянуть на далекие галактики, то окажется, что их число примерно одинаково в любом направлении. Таким образом, Вселенная выглядит практически одинаково во всех направлениях, только если рассматривать ее на бóльшем масштабе по сравнению с расстояниями между галактиками и пренебречь различиями на меньших масштабах. Долгое время равномерное распределение звезд[8] во Вселенной считалось достаточным обоснованием гипотезы Фридмана как грубого приближения к реальной Вселенной. Но позднее благодаря счастливой случайности было открыто еще одно свойство Вселенной, замечательно согласующееся с предположением Фридмана.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон, американские физики из компании Bell Telephone Laboratories в Нью-Джерси, тестировали очень чувствительный микроволновой приемник. (Напомним, что микроволновое излучение – это электромагнитные волны – так же, как и свет, – но длина волны составляет примерно один сантиметр.) Пензиасу и Уилсону не давало покоя то, что приемник регистрировал бóльшую интенсивность шума, чем ожидалось. Было непохоже, что шум приходил с какого бы то ни было определенного направления. Пензиас и Уилсон исследовали приемник и обнаружили там птичий помет. Они проверили прибор на предмет других возможных неполадок, но вскоре исключили их как возможные источники ошибок. Они знали, что любой шум атмосферного происхождения должен быть сильнее вблизи горизонта, чем в вертикальном направлении, потому что в первом случае лучи света [и радиосигналы] проходят через бóльшую толщу воздуха, чем лучи и сигналы, приходящие прямо сверху. Избыточный шум оставался неизменным независимо от того, куда был направлен приемник, и следовательно, его источник должен находиться вне атмосферы. Шум этот оставался неизменным днем и ночью в течение всего года несмотря на вращение Земли вокруг оси и ее движение по орбите вокруг Солнца. Отсюда следовало, что источник излучения находится за пределами Солнечной системы и даже за пределами нашей Галактики. В противном случае его интенсивность должна была меняться со временем, ведь из-за движения Земли направление приемника тоже менялось.

Раз мы знаем, что излучение на пути к Земле пересекло значительную часть наблюдаемой Вселенной и при этом его интенсивность одинакова во всех направлениях, то и сама Вселенная должна быть одинаковой во всех направлениях как минимум на больших масштабах. Теперь мы уже знаем, что колебания интенсивности шума в разных направлениях очень малы, так что Пензиас и Уилсон, сами того не зная, натолкнулись на удивительно надежное подтверждение первой гипотезы Фридмана. Но поскольку Вселенная все же не совсем одинакова во всех направлениях и верно это только в среднем и на больших масштабах, то и интенсивность микроволнового излучения тоже не может быть абсолютно одинаковой во всех направлениях – должны наблюдаться небольшие вариации по небу. Эти вариации впервые были обнаружены в 1992 году благодаря наблюдениям спутника COBE, и их величина оказалась приблизительно равна одной стотысячной доле[9]. В главе 8 мы узнаем, что, несмотря на малый шаг, эти вариации очень важны.

Почти в то же время, когда Пензиас и Уилсон исследовали шум приемника, два других американских физика – Боб Дике и Джим Пиблс, работавшие в расположенном поблизости Принстонском университете, – тоже заинтересовались микроволновым излучением. Они занялись гипотезой, высказанной Георгием Гамовым, студентом Александра Фридмана. Согласно этой гипотезе ранняя Вселенная должна была светиться и быть очень горячей и плотной. Дике и Пиблс полагали, что мы должны суметь увидеть свет ранней Вселенной, поскольку он как раз теперь должен дойти до нас из самых дальних далей. Однако из-за расширения Вселенной этот свет должен был подвергнуться значительному красному смещению, а потому воспринимался бы как микроволновое излучение, а не видимый свет. Дике и Пиблс как раз готовились к поискам этого излучения, когда Пензиас и Уилсон узнали об их работе и поняли, что уже нашли его. Пензиас и Уилсон получили за это Нобелевскую премию 1978 года (что, конечно, несколько несправедливо по отношению к Дике и Пиблсу, не говоря уже о Гамове).

На первый взгляд может показаться, будто все эти данные, свидетельствующие о том, что Вселенная одинакова во всех направлениях, означают, что мы занимаем особое место во Вселенной. В частности, может возникнуть впечатление, что раз практически все наблюдаемые нами галактики удаляются от нас, то мы находимся в самом центре. Однако есть и другое объяснение: Вселенная выглядит совершенно одинаково во всех направлениях независимо от того, в какой галактике находится наблюдатель. Это, как мы только что видели, предполагает вторая гипотеза Фридмана. Нет никаких научных данных, которые бы подтверждали или опровергали ее. Сегодня мы склонны верить этой гипотезе хотя бы из скромности: было бы совершенно удивительно, если бы Вселенная выглядела одинаково во всех направлениях только с нашего наблюдательного пункта и ни с какого другого! Во фридмановской модели Вселенной все галактики удаляются друг от друга. Процесс прекрасно иллюстрирует постепенно раздувающийся воздушный шарик со множеством нарисованных на нем точек. По мере растягивания шарика расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но при этом ни про одну из них нельзя сказать, что она является центром расширения. Более того, чем дальше расположены точки на поверхности шарика, тем быстрее они удаляются друг от друга. Аналогично в модели Фридмана скорость взаимного удаления двух галактик пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, эта модель предсказывает, что красное смещение галактик должно быть прямо пропорционально их расстоянию от нас, в точности как показал Хаббл. Несмотря на то что модель оказалась удачной и позволила предсказать результат наблюдений Хаббла, на Западе работа Фридмана оставалась неизвестной до 1935 года, то есть до тех пор, пока аналогичные модели не разработали американский физик Говард Робертсон и британский математик Артур Уолкер, отреагировав на открытие Хабблом равномерного расширения Вселенной.

Хотя Фридман описал только одну модель Вселенной, удовлетворяющую требованиям двух его фундаментальных гипотез, возможны три таких модели. В модели первого типа (фридмановской) Вселенная расширяется достаточно медленно, а потому под действием гравитационного притяжения между галактиками это расширение замедляется и рано или поздно останавливается. После галактики начинают двигаться вспять, навстречу друг другу, и Вселенная сжимается. На рисунке 3.2 показан график зависимости расстояния между соседними галактиками от времени. В начальный момент это расстояние равно нулю, потом оно растет, достигает максимума и затем уменьшается до нуля. В решении второго типа Вселенная расширяется настолько быстро, что взаимное притяжение галактик не в состоянии когда-либо остановить расширение, хотя и несколько замедляет его. Зависимость расстояния между двумя соседними галактиками в этой модели показана на рисунке 3.3. В начальный момент расстояние равно нулю, после чего галактики разбегаются с равномерной скоростью. Наконец, есть третий тип решения, когда Вселенная расширяется как раз с такой скоростью, которая не дает ей начать сжиматься. В этом случае расстояние между галактиками (рис. 3.4) тоже равно нулю в начальный момент, после чего вечно увеличивается. Правда, скорость расхождения галактик все уменьшается, хотя и никогда не достигает нуля.

Рис. 3.2

Рис. 3.3

Рис. 3.4

Замечательное свойство модели Фридмана (модели первого типа) состоит в том, что Вселенная в ней не является бесконечной в пространстве, но при этом пространство не имеет границ. Тяготение в этой модели настолько сильно, что пространство оказывается замкнутым само на себя наподобие поверхности Земли. Двигаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда не наткнетесь на непреодолимый барьер, не сорветесь с края, а просто рано или поздно вернетесь в то место, с которого начали свой путь. В модели Фридмана пространство напоминает поверхность нашей планеты, но имеет три измерения – вместо двух. В четвертом измерении – времени – модель тоже конечна, но скорее напоминает отрезок с двумя границами – началом и концом. Как мы увидим далее, сочетание общей теории относительности с принципом неопределенности квантовой механики делает возможной модель, где и пространство, и время конечны и притом не имеют границ.

Идея кругосветного путешествия по Вселенной с возвращением в исходный пункт – замечательный сюжет для научной фантастики. Однако на практике ее едва ли удастся реализовать: есть математические свидетельства, что Вселенная успеет схлопнуться до нулевого размера еще до возвращения путешественника. Чтобы успеть вернуться в отправную точку до конца Вселенной, придется двигаться быстрее света, а это невозможно!

В модели Фридмана первого типа, которая сначала расширяется, а потом схлопывается, пространство замкнуто само на себя, подобно поверхности Земли. Поэтому оно имеет конечную протяженность. В модели Вселенной второго типа, которая расширяется вечно, пространство искривлено иначе и напоминает седло. И в этом случае пространство бесконечно. Наконец, в модели Фридмана третьего типа, скорость расширения в которой равна некоему критическому значению, пространство плоское (и поэтому также бесконечно).

Какая же из моделей Фридмана описывает нашу Вселенную? Сменится ли расширение однажды сжатием или будет продолжаться вечно? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать современную скорость расширения Вселенной и современное значение ее средней плотности. Если плотность меньше определенного критического значения, определяемого скоростью расширения, гравитационное притяжение будет слишком слабым и не сможет остановить расширение. Если плотность превышает критическое значение [определяемое скоростью расширения], то сила тяготения вещества во Вселенной рано или поздно остановит расширение, заставив Вселенную сжаться.

Скорость расширения в настоящий момент можно определить, вычислив скорости удаления от нас других галактик – с помощью эффекта Доплера. Эти скорости можно измерить весьма точно, а вот в расстояниях до галактик мы не так уверены, потому что установить их можно только косвенными методами. Так что на данный момент мы знаем лишь, что скорость расширения Вселенной составляет от 5 до 10 % за миллиард лет. Наши знания о современной средней плотности Вселенной еще менее точны. Если учесть массу всех видимых звезд в нашей и других галактиках, то полученная средняя плотность окажется менее одной сотой величины, необходимой, чтобы остановить расширение Вселенной, даже если принять наименьшую оценку скорости расширения.

Наша и другие галактики, по-видимому, содержат большое количество темного вещества, которое невозможно увидеть непосредственно, но о существовании которого мы знаем по гравитационному воздействию на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, большинство галактик находятся в скоплениях, и аналогичные соображения позволяют сделать вывод о наличии еще большего количества темного вещества в межгалактическом пространстве скоплений, поскольку оно влияет на движение галактик. С учетом массы темного вещества средняя плотность оказывается равной примерно одной десятой величины, необходимой, чтобы остановить расширение Вселенной. Но могут быть и другие, до сих пор не обнаруженные формы вещества, распределенные почти равномерно по всей Вселенной, и их учет может дополнительно увеличить среднюю плотность, которая достигнет критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение[10]. Однако имеющиеся данные свидетельствуют, что Вселенная, скорее всего, будет расширяться вечно. При этом наверняка мы можем сказать лишь то, что даже если Вселенной суждено снова сжаться, это произойдет не раньше, чем через десять миллиардов лет, – потому что она расширялась в течение такого времени, и это как минимум. Не следует зря об этом беспокоиться: к тому времени человечество вымрет вместе с погасшим Солнцем, если только мы не успеем колонизовать области за пределами Солнечной системы!

Общее свойство всех фридмановских моделей в том, что в некоторый момент времени в прошлом (между 10 и 20 миллиардами лет назад) расстояния между соседними галактиками должны были быть равны нулю. В тот момент, который мы называем Большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны быть бесконечными. Поскольку математика не может оперировать бесконечными числами[11], общая теория относительности (на которой основаны модели Фридмана) предсказывает существование точки во Вселенной, где сама теория уже не имеет силы. Это пример того, что математики называют сингулярностью. В сущности, все наши научные теории исходят из предположения, что пространство-время однородное и почти плоское, и поэтому они теряют смысл внутри сингулярности Большого взрыва, где кривизна пространства-времени бесконечна. А значит, если до Большого взрыва и имели место какие бы то ни было события, то на их основе ничего нельзя сказать о последовавшей эволюции системы, потому что в момент Большого взрыва система перестает быть предсказуемой.

Соответственно, если бы мы знали – а мы знаем – только то, что происходило после Большого взрыва, мы не могли бы определить, что происходило до него. Насколько нам известно, события, случившиеся до Большого взрыва, не могут иметь для нас никаких последствий, а потому не могут быть частью какой бы то ни было научной модели Вселенной. Поэтому их придется исключить, приняв постулат о том, что время началось с Большого взрыва.

Идея о том, что у времени было начало, многим не нравится, потому что отсылает к идее о вмешательстве божества. (С другой стороны, Католическая церковь ухватилась за модель Большого взрыва и в 1951 году официально объявила, что она соответствует Библии). В связи с этим было предпринято несколько попыток избежать вывода о Большом взрыве. Наиболее широкую поддержку получила стационарная теория. Она была предложена в 1948 году двумя учеными, бежавшими из оккупированной нацистами Австрии, – это были Герман Бонди и Томас Голд, которые во время войны вместе с британцем Фредом Хойлом работали над созданием радара. Идея была в том, что по мере разбегания галактик в пространстве между ними из постоянно образующегося нового вещества возникают новые галактики. Таким образом, Вселенная выглядит одинаково в любой момент времени в любой точке пространства. Чтобы оправдать теорию стационарной Вселенной, потребовалось подправить общую теорию относительности: нужно было сохранить возможность непрерывного рождения вещества. Но требуемая скорость возникновения нового вещества оказалась настолько малой (около одной элементарной частицы на один кубический километр в год), что это предположение никак не противоречило экспериментальным данным. Предложенная гипотеза была хорошей научной теорией в том смысле, что мы раскрыли в первой главе: она была простой, и на ее основе можно было сделать определенные предсказания, которые проверялись наблюдениями. Одно из таких предсказаний состояло в том, что число галактик или других подобных объектов в любом заданном объеме пространства должно быть одинаковым в любой точке Вселенной и в любой момент времени. В конце 50-х и начале 60-х годов прошлого века группа астрономов под руководством Мартина Райла (который вместе с Бонди, Голдом и Хойлом во время войны также работал над созданием радара) готовила в Кембридже обзор космических радиоисточников. Ученые показали, что большинство этих радиоисточников должны находиться за пределами нашей Галактики (многие из них были отождествлены с другими галактиками), а также что число слабых источников намного превосходит число ярких. Исследователи предположили, что более слабые источники расположены дальше более ярких, и сделали вывод, что на небольших расстояниях число источников в единице объема меньше, чем на далеких расстояниях. Это могло означать, что мы находимся в центре большой области Вселенной с относительно невысокой плотностью источников. Или же в прошлом, когда радиоволны направились в нашу сторону, число источников в единице объема было больше, чем в настоящее время. Любое из этих предположений противоречило предсказаниям теории стационарной Вселенной. Более того, открытие микроволнового фонового реликтового излучения Пензиасом и Уилсоном в 1965 году тоже свидетельствовало о том, что в прошлом Вселенная была куда плотнее, чем сейчас. Поэтому от теории стационарной Вселенной пришлось отказаться.

Другая попытка избежать вывода о Большом взрыве и, следовательно, о начале времен была предпринята советскими учеными – Евгением Лифшицем и Исааком Халатниковым – в 1963 году. Они предположили, что Большой взрыв – это лишь частная особенность исключительно фридмановских моделей, которые в конце концов являются всего лишь приближенным описанием реальной Вселенной. Быть может, из всех моделей, более или менее похожих на реальную Вселенную, только фридмановские имеют сингулярность Большого взрыва. В моделях Фридмана все галактики разлетаются в точности друг от друга, и потому неудивительно, что в некий момент времени в прошлом они все находились в одном месте. В реальной же Вселенной галактики не удаляются в точности по радиусу друг от друга, у них есть и небольшие поперечные скорости. Поэтому в реальности они не должны были когда-то находиться в одном месте – они могли быть расположены очень близко друг к другу. И тогда, быть может, современная расширяющаяся Вселенная возникла не из сингулярности Большого взрыва, а образовалась после фазы сжатия. При сжатии Вселенной наполняющие ее элементарные частицы могли и не столкнуться: они могли только пролететь друг мимо друга, что привело к современному расширению. Откуда тогда мы знаем, что реальная Вселенная возникла из Большого взрыва? Лифшиц и Халатников исследовали модели Вселенной, близкие к фридмановским, но при этом учли неоднородности и случайные скорости галактик в реальной Вселенной. Они показали: несмотря на то, что галактики теперь не удалялись в точности радиально друг от друга, такие модели все же могли начать свое существование со стадии Большого взрыва, хотя это было возможно только в исключительных случаях – моделях, где галактики двигались строго определенным образом. Лифшиц и Халатников заключили, что, поскольку моделей без сингулярности Большого взрыва, похожих на фридмановские, бесконечно больше, чем моделей с сингулярностью Большого взрыва, мы должны сделать вывод, что в реальности никакого Большого взрыва и не было. Позднее они поняли, что существует куда более общий класс «фридманоподобных» моделей с сингулярностями, где галактики не должны двигаться каким бы то ни было специальным образом, и в 1970 году отказались от первоначальной идеи.

Лифшиц и Халатников продемонстрировали, что если общая теория относительности верна, то Вселенная могла иметь сингулярность типа Большого взрыва, и в этом состоит ценность их работы. Правда, полученный результат не давал ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что во Вселенной должен был произойти Большой взрыв – начало времен? Ответить на него удалось благодаря совершенно иному подходу, предложенному британским математиком и физиком Роджером Пенроузом в 1965 году. На основании поведения световых конусов в рамках общей теории относительности, а также того постулата, что гравитационная сила – это всегда сила притяжения, он показал, что сжимающаяся (коллапсирующая) под действием собственного тяготения звезда оказывается захваченной в области, поверхность которой рано или поздно схлопывается до нулевых размеров. Поскольку поверхность области схлопывается до нуля, то это верно и в отношении объема. Все вещество звезды оказывается сжатым в области с нулевым объемом, в результате чего плотность вещества и кривизна пространства-времени оказываются бесконечно большими. Другими словами, мы получаем сингулярность внутри области пространства-времени, известную как черная дыра.

На первый взгляд, теория Пенроуза распространялась только на звезды: она не позволяла делать никаких выводов относительно прошлого Вселенной и возможности существования бесконечно плотного объема типа сингулярности Большого взрыва. Когда Пенроуз сформулировал свою теорему, я был аспирантом и отчаянно пытался найти задачу для завершения диссертации. За два года до этого мне поставили диагноз «боковой амиотрофический склероз», известный также как болезнь Лу Герига, или болезнь двигательных нейронов. Врачи отвели мне всего один-два года, и казалось, что в работе над диссертацией нет особого смысла, – мне все равно было не суждено дожить до ее защиты. Но два года прошли, а мое состояние особенно не ухудшилось. Вообще-то дела у меня шли довольно неплохо, и я обручился с очень милой девушкой – Джейн Уайлд. Но чтобы жениться, мне надо было найти работу, а чтобы получить работу, надо было защитить диссертацию.

В 1965 году я прочел о теореме Пенроуза, согласно которой гравитационный коллапс любого тела должен рано или поздно завершиться образованием сингулярности. Я вскоре понял, что если в этой теореме обратить направление времени – чтобы коллапс превратился в расширение, – то условия теоремы останутся в силе, если Вселенная в настоящее время на больших масштабах близка к модели Фридмана. Из теоремы Пенроуза вытекало, что коллапс любой звезды должен привести к образованию сингулярности; рассуждения об обращении хода времени приводили к тому, что любая модель расширяющейся Вселенной фридмановского типа должна была начаться с сингулярности. Чисто технические обстоятельства теоремы Пенроуза задавали состояние Вселенной: она должна была быть бесконечной в пространстве. Поэтому с помощью этой теоремы я смог доказать неизбежность сингулярности только для Вселенной, которая расширяется достаточно быстро, чтобы ее расширение в будущем не сменилось сжатием (поскольку только такие фридмановские модели имеют бесконечную протяженность в пространстве).

В последовавшие несколько лет я разработал новые математические методы для устранения этого и других технических ограничений в теоремах, настаивающих на неизбежности существования сингулярностей. Окончательный результат был опубликован в нашей совместной с Пенроузом статье в 1970 году – мы наконец доказали непременное наличие сингулярности типа сингулярности Большого взрыва только при условии, что общая теория относительности справедлива и что во Вселенной столько вещества, сколько мы наблюдаем. Наша работа встретила серьезное сопротивление, например, со стороны советских ученых – в частности, из-за их марксистской веры в научный детерминизм[12], – а частично и со стороны людей, считавших саму идею сингулярностей отвратительной и извращающей красоту теории Эйнштейна. Но с математическими доказательствами сложно спорить. Так, в конце концов наши выводы стали общепринятыми, и в настоящее время практически все согласны, что Вселенная началась с сингулярности Большого взрыва. Но по иронии судьбы, мое мнение изменилось. Теперь я стараюсь убедить других физиков, что на самом деле никакой сингулярности в начале Вселенной не существовало: как мы увидим далее, она может исчезнуть, если учесть квантовые эффекты.

В этой главе мы узнали, как менее чем за полвека изменились представления о космосе, формировавшиеся на протяжении тысячелетий. Открытие Хабблом расширения Вселенной и последовавшее осознание ничтожности нашей планеты, затерявшейся в бескрайних космических глубинах, стали лишь отправной точкой. По мере накопления экспериментальных и теоретических данных становилось все очевиднее, что Вселенная должна была иметь начало во времени. И вот в 1970 году мы с Пенроузом окончательно доказали это, положившись на эйнштейновскую общую теорию относительности. Из нашего доказательства следовало, что общая теория относительности – теория неполная: она не в состоянии описать, как началась Вселенная, поскольку предсказывает, что все физические теории, включая ее саму, перестают действовать в точке зарождения Вселенной. Но общая теория относительности и не претендует ни на что большее, чем роль частной теории. Поэтому реальным следствием теорем сингулярности является следующий вывод: на самом раннем этапе существования Вселенной должен был быть момент, когда она была настолько мала, что нельзя было пренебречь мелкомасштабными эффектами другой великой частной теории ХХ века – квантовой механики. В начале 70-х годов прошлого века в попытках понять устройство космоса нам пришлось отойти от изучения масштабных объектов и сосредоточить внимание на объектах сверхмалых. Ниже мы расскажем об этой теории – квантовой механике, и только после приступим к обсуждению попыток объединения двух частных теорий в одну – единую квантовую теорию гравитации.

Глава четвертая. Принцип неопределенности

Находясь под впечатлением от успеха научных теорий, а в особенности ньютоновской теории тяготения, французский ученый Пьер-Симон де Лаплас в начале XIX века решил, что Вселенная полностью детерминирована. Ученый считал, что должен существовать набор научных законов, с помощью которых мы можем предсказать все, что случится во Вселенной, если только получим полное описание ее состояния на какой-либо момент времени. Например, зная положения и скорости Солнца и планет в некоторый момент времени, мы можем воспользоваться законами Ньютона и вычислить состояние Солнечной системы на любой другой момент времени. В этом случае детерминизм представляется очевидным, но Лаплас пошел дальше и предположил существование аналогичных законов для всех и всего, включая поведение человека.

Многие относятся к доктрине научного детерминизма крайне отрицательно, считая, что эта гипотеза ограничивает свободу Бога: Он не может уже управлять Вселенной по своему усмотрению. Но доктрина эта оставалась общепринятой в науке вплоть до начала XX века. Вопрос о необходимости отказа от этого предположения поставили результаты расчетов спектра абсолютно черного тела, выполненные британскими учеными Джоном Стреттом, лордом Рэлеем, и сэром Джеймсом Джинсом. В соответствии с ними, раскаленное тело, например звезда, должно излучать энергию в бесконечно высоком темпе. Согласно общепринятым в то время научным законам раскаленное тело должно было излучать электромагнитные волны (радиоволны, видимый свет или рентгеновские лучи) равномерно на всех частотах. Например, раскаленное тело должно излучать одно и то же количество энергии на волнах с частотами от одного до двух миллионов миллионов волн в секунду с такой же интенсивностью, как и на волнах с частотами от двух до трех миллионов миллионов волн в секунду. Поскольку число волн в секунду не ограничено, значит, и совокупная излученная энергия тоже должна быть бесконечной.

Чтобы избежать этого нелепого вывода, немецкий ученый Макс Планк в 1900 году предложил такую гипотезу: свет, рентгеновское излучение и другие виды электромагнитных волн могут излучаться не в произвольном количестве, а только дискретными порциями. И эти порции он назвал квантами (фотонами). Более того, каждый квант обладает определенной энергией, которая тем больше, чем выше частота волн. Поэтому на достаточно высоких частотах количество энергии, которое может быть излучено в виде единичного кванта, превышает энергию излучающего тела. Таким образом, энергия излучения на высоких частотах уменьшается, а потому скорость, с которой тело теряет энергию, оказывается конечной.

Квантовая гипотеза позволила замечательным образом объяснить распределение интенсивности излучения нагретых тел, но ее последствия для детерминизма были осознаны лишь в 1926 году, когда другой немецкий ученый, Вернер Гейзенберг, сформулировал свой знаменитый принцип неопределенности. Для предсказания будущих положения и скорости частицы необходимо иметь возможность измерить ее начальные положение и скорость с достаточно высокой точностью. Логично предположить, что сделать это можно, направив на частицу свет. Часть световых волн будет частицей рассеяна, и по этим волнам можно определить положение самой частицы. Но мы не сможем определить положение частицы точнее, чем расстояние между двумя гребнями световой волны. То есть для точного измерения положения частицы необходимо использовать излучение с короткой длиной волны. Но согласно квантовой гипотезе Планка мы не можем использовать произвольно малое количество света – придется задействовать как минимум один квант. Этот квант повлияет на частицу, изменив ее скорость непредсказуемым образом. К тому же чем точнее мы захотим измерить положение частицы, тем короче должна быть длина волны света и, следовательно, тем большей энергией должны обладать кванты света. Таким образом, скорость частицы изменится на бóльшую величину. Другими словами, чем точнее мы пытаемся измерить положение частицы, тем с меньшей точностью определяется ее скорость, и наоборот. Гейзенберг показал, что произведение неопределенности положения частицы и неопределенности ее скорости, помноженное на массу частицы, в принципе не может быть меньше некоторой фиксированной величины, известной теперь как постоянная Планка. Более того, этот предел никак не зависит ни от способа измерения положения и скорости частицы, ни от типа самой частицы: принцип неопределенности Гейзенберга является фундаментальным, неизбежным свойством мира.

У принципа неопределенности есть очень важные последствия для нашего восприятия действительности. Даже спустя семьдесят лет эти последствия до конца не осознаны большинством философов, и по их поводу все еще ведутся дискуссии. Принцип неопределенности объявил мечту Лапласа о полностью детерминированной научной теории и модели Вселенной утопией. Мы, безусловно, не можем в точности предсказать будущие события, если мы не в состоянии даже достаточно точно описать современное состояние Вселенной! Но все же можно представить себе существование набора законов, полностью определяющих развитие событий для некоего сверхъестественного существа, которое способно наблюдать современное состояние Вселенной, не воздействуя на нее. Однако такого рода модели Вселенной не представляют особого интереса для нас, простых смертных. Похоже, что лучше придерживаться принципа экономии, известного как бритва Оккама, и исключить из теории ненаблюдаемые элементы. Руководствуясь им и опираясь на принцип неопределенности, в 1920-х годах Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак переформулировали ньютоновскую механику, создав новую теорию под названием «квантовая механика». В этой теории в отношении частиц неприменимы понятия четко определенного положения и скорости как отдельных величин. Вместо этого мы имеем дело с квантовым состоянием, которое представляет собой комбинацию положения и скорости.

В общем, квантовая механика не предсказывает единственного, определенного результата наблюдения. Вместо этого она делает прогноз в отношении целого набора возможных исходов и позволяет определить, насколько вероятен каждый из них. То есть в случае выполнения одного и того же измерения для большого количества похожих систем, стартующих с одинакового состояния, окажется, что результат будет в некоторых случаях иметь вид А, в других случаях – вид B, и т. д. Можно предсказать приблизительное число раз, когда исход эксперимента будет иметь вид А или B, но не конкретный результат конкретного эксперимента. Таким образом, квантовая механика неизбежно привносит в науку элемент непредсказуемости и случайности. Эйнштейн решительно возражал против такого подхода, несмотря на ту роль, которую сыграл в его появлении, – ведь ему была присуждена Нобелевская премия за вклад в квантовую теорию. Тем не менее он так и не смог примириться с тем, что Вселенная отдана на волю случая, и выразил свой протест крылатой фразой: «Бог не играет в кости». Но большинство ученых охотно приняли квантовую механику именно потому, что ее предсказания прекрасно согласуются с результатами экспериментов. И действительно, квантовая теория оказалась исключительно успешной и лежит в основе практически всех областей современных науки и техники. Она определяет поведение транзисторов и интегральных микросхем – важнейших деталей телевизоров и компьютеров – и является фундаментом современных химии и биологии. Единственные области физики, где квантовомеханический подход пока еще не реализован в должной мере, – это теория тяготения и теория крупномасштабной структуры Вселенной.

Хотя свет состоит из волн, квантовая гипотеза Планка предсказывает, что в некоторых отношениях он все же ведет себя так, как если бы состоял из частиц: свет может излучаться и поглощаться только дискретными порциями, или квантами. Точно так же из принципа неопределенности Гейзенберга следует, что частицы в некоторых отношениях ведут себя так же, как волны. Как мы уже видели, у них нет четкого положения, они «размазаны» в пространстве в соответствии с неким распределением вероятности. В основе квантовой механики лежит математический аппарат совершенно нового типа: он не описывает реальный мир как состоящий из объектов, которые можно однозначно отнести к частицам или волнам. В этих терминах описываются только наблюдения мира. Таким образом, в квантовой механике мы имеем дело с корпускулярно-волновым дуализмом: для некоторых задач бывает удобно рассматривать частицы как волны, для других – рассматривать волны как частицы. Одно из важных следствий такого подхода состоит в возможности наблюдения так называемой интерференции двух множеств волн или частиц. То есть гребни одного множества волн могут накладываться на впадины другого. В таком случае два множества волн ослабляют друг друга, а не суммируются, образуя более сильную волну, как можно было ожидать (рис. 4.1). Хорошо всем знакомым примером интерференции света могут служить мыльные пузыри. Явление это возникает при отражении света от двух стенок тонкой мыльной пленки, образующей пузырь. Белый свет состоит из волн разной длины, то есть волн разного цвета. Для волн некоторой длины гребни волн, отраженных от одной из стенок мыльной пленки, накладываются на впадины волн, отраженных от другой стенки пленки. Соответствующие этим длинам волн цвета отсутствуют в отраженном свете, который из-за этого воспринимается не как белый, а как окрашенный.

Рис. 4.1

Интерферировать могут и частицы – из-за обусловленного квантовой механикой волнового дуализма. Одним из наиболее известных примеров является так называемый двухщелевой эксперимент (рис. 4.2). Представьте себе перегородку – тонкую стенку – с двумя узкими параллельными щелями. С одной стороны от перегородки разместим источник света определенного цвета (то есть с определенной длиной волны). Большая часть света попадет в перегородку, но небольшое его количество пройдет через щели. Теперь представьте, что вы установили с другой стороны от перегородки экран. На любую точку этого экрана приходит свет из обеих щелей. Но в общем случае пути, которые свет проходит от источника до экрана через щели, отличаются друг от друга. Это означает, что волны, приходящие от двух щелей, окажутся не в фазе, когда они достигнут экрана. В некоторых местах впадины одной волны наложатся на гребни другой, и волны взаимно погасят друг друга, а в других местах гребни двух волн наложатся друг на друга. То же произойдет со впадинами, в результате чего волны усилят друг друга. Таким образом возникает характерный узор чередующихся светлых и темных полос.

Рис. 4.2

Удивительно, что точно такая же картина из полос наблюдается, если заменить источник света источником потока частиц, например электронов, движущихся с определенной скоростью. (Это означает, что соответствующие им волны имеют определенную длину.) Это особенно неожиданно, если учесть, что если в перегородке только одна щель, никаких полос не наблюдается – электроны равномерно распределяются по экрану. Логично предположить, что если сделать в перегородке вторую щель, то результатом будет простое увеличение числа электронов, попадающих в каждую точку на экране. Но из-за интерференции число электронов в некоторых местах, наоборот, уменьшается. Если отправлять электроны через щели по одному, то естественно было бы ожидать, что каждый электрон пройдет через одну из щелей и что распределение электронов за перегородкой будет таким же, как если бы мы имели дело с прохождением электрона через единственную щель – то есть равномерное распределение на экране. Но в реальности интерференционная картина наблюдается, даже если электроны выпускать по одному. Таким образом, каждый электрон должен проходить одновременно через обе щели!

Явление интерференции между частицами играет ключевую роль в нашем понимании строения атомов – основных структурных элементов, лежащих в основе химии и биологии, и тех самых «кирпичиков», из которых состоим мы и всё вокруг нас. В начале ХХ века считалось, что атомы похожи на Солнечную систему, – в них электроны (отрицательно заряженные частицы) обращаются вокруг положительно заряженного ядра в центре. Полагали, что взаимное притяжение положительных и отрицательных электрических зарядов удерживает электроны на их орбитах, подобно тому как гравитационное притяжение между Солнцем и планетами удерживает планеты. Проблема состояла в том, что согласно доквантовым законам механики и законам электрического взаимодействия электроны должны были потерять свою энергию и, двигаясь по спирали, упасть на ядро. Это означало, что атомы, да и все вещество, должны были быстро сколлапсировать до сверхплотного состояния. В 1913 году датский ученый Нильс Бор предложил частичное решение этой проблемы. Он предположил, что орбиты электронов не могут находиться на произвольном расстоянии от центрального ядра, а только на вполне определенном. Если же допустить, что на каждом из этих расстояний могут находиться орбиты не более двух электронов, то это решает проблему «схлопывания» атома: заполнив орбиты с наименьшими энергиями и расстояниями от ядра, электроны просто не могут подойти к ядру ближе.

Эта модель неплохо объясняла строение простейшего атома – атома водорода, в котором вокруг ядра обращается один-единственный электрон. Но было непонятно, как эту модель распространить на более сложные атомы. К тому же идея об ограниченном наборе допустимых орбит казалась очень уж вольной. Новая теория квантовой механики справилась с этой трудностью. Эта теория показала, что обращающийся вокруг ядра электрон можно рассматривать как волну, длина которой зависит от его скорости. Длины некоторых орбит равны целому (а не дробному) числу длин волн электрона. У этих орбит после каждого оборота гребни оказываются на том же месте, и такие волны усиливаются. Эти орбиты соответствуют разрешенным орбитам Бора. А вот у орбит, длина которых не равна целому числу длин волн, каждый гребень на каком-то обороте электрона окажется погашенным впадиной. Такие орбиты не являются допустимыми.

Американский физик Ричард Фейнман предложил наглядный способ представить корпускулярно-волновой дуализм – путем так называемого суммирования по траекториям. Этот подход предполагает, что у частицы не одна-единственная траектория в пространстве-времени, как в случае классической, неквантовой теории. Вместо этого считается, что частица движется из точки А в точку В всеми возможными путями. Каждому пути из А в В Фейнман поставил в соответствие пару чисел – амплитуду, то есть размах волны, и фазу – положение волны в цикле (гребень или впадина). Вероятность для частицы попасть из А в В рассчитывается суммированием волн, соответствующих всем траекториям, ведущим из А в В. В общем случае фазы – то есть положения гребней и впадин волн – близких, соседних траекторий сильно различаются. Это значит, что связанные с этими траекториями волны гасят друг друга. Но у некоторых наборов соседних траекторий различия фаз оказываются малыми, и соответствующие этим траекториям волны не гасят друг друга. Такие траектории соответствуют боровским допустимым орбитам.

На основе этих представлений, облеченных в конкретную математическую форму, оказалось довольно нетрудно рассчитать допустимые орбиты для более сложных атомов и даже молекул, состоящих из нескольких атомов, связанных электронами, которые обращаются сразу вокруг нескольких ядер. Поскольку строение молекул и их реакции лежат в основе всей химии и биологии, квантовая механика в принципе позволяет предсказать все происходящее вокруг нас в пределах, установленных принципом неопределенности. (Но на практике расчеты для систем с несколькими электронами оказываются настолько сложными, что не могут быть выполнены [аналитически].)

Общая теория относительности Эйнштейна определяет поведение Вселенной на больших масштабах. Это то, что можно назвать классической теорией, – она не учитывает квантовомеханический принцип неопределенности и поэтому не может быть согласована с другими теориями. Причина же согласия общей теории относительности с наблюдениями состоит в том, что все гравитационные поля, с которыми нам обычно приходится иметь дело, очень слабые. Однако согласно рассмотренным выше теоремам о сингулярностях как минимум в двух ситуациях – в черных дырах и во время Большого взрыва – гравитационное поле должно быть очень сильным. А в условиях таких сильных полей квантовые эффекты должны становиться существенными. Таким образом, в некотором смысле, предсказав существование точек с бесконечной плотностью, классическая общая теория относительности наметила собственный конец, совсем как классическая (то есть неквантовая) механика наметила свой конец через предсказанный ею вывод о неизбежности коллапса атомов до состояния с бесконечной плотностью. У нас пока еще нет полной и непротиворечивой теории, которая бы объединяла общую теорию относительности и квантовую механику, но мы уже знаем некоторые из свойств, которыми такая теория должна обладать. Мы рассмотрим следствия этих свойств для черных дыр и Большого взрыва в последующих главах. А пока вернемся к недавним попыткам объединить наши знания о других силах природы в единую квантовую теорию.

Глава пятая. Элементарные частицы и силы природы

Аристотель считал, что все вещество в мире родилось из четырех стихий: земли, воздуха, огня и воды. Эти стихии подвержены влиянию двух типов сил: тяжести – стремлению земли и воды опускаться – и легкости – стремлению воздуха и огня подниматься. Этот подход, подразделяющий составляющие Вселенной на вещество и силы, используется и в настоящее время.

Аристотель считал вещество непрерывным – то есть «часть» вещества можно делить на все более мелкие фрагменты до бесконечности: мы никогда не дойдем до крупинки, которую нельзя было бы далее разделить. Однако некоторые древнегреческие ученые, такие как Демокрит, считали, что вещество имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Само слово «атом» в греческом языке означает «неделимый». Этот спор продолжался на протяжении столетий в отсутствие каких бы то ни было реальных свидетельств в пользу той или иной точки зрения, пока в 1803 году британский химик и физик Джон Дальтон не заметил, что факт участия химических веществ в реакциях всегда в четко определенных пропорциях можно объяснить, предположив, что атомы исходных веществ, соединяясь, образуют структуры, названные впоследствии молекулами. Но атомистов окончательно признали правыми в этом противоборстве двух учений лишь в начале ХХ века. Важную роль при этом сыграло физическое соображение, высказанное Эйнштейном. В своей статье 1905 года, за несколько недель до выхода знаменитой статьи по специальной теории относительности, Эйнштейн обратил внимание на то, что так называемое броуновское движение – беспорядочное случайное движение мелких частиц пылевой взвеси в жидкости – можно объяснить столкновениями атомов жидкости с пылинками.

К этому времени уже появились сомнения в неделимости атомов. За несколько лет до работы Эйнштейна сотрудник колледжа Троицы Кембриджского университета Дж. Дж. Томсон доказал существование частицы вещества, названной электроном, причем его масса была в [две тысячи] раз меньше массы самого легкого из атомов. Томсон использовал установку, напоминающую трубку старомодного телевизора: в ней электроны уходили с докрасна раскаленной металлической нити, а благодаря отрицательному заряду их можно было ускорять электрическим полем в направлении покрытого фосфором экрана. При попадании электронов на экран возникали вспышки света. Вскоре стало ясно, что электроны исходили собственно изнутри атомов, и в 1911 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд наконец показал, что атомы вещества имеют внутреннюю структуру: состоят из крохотного положительно заряженного ядра, вокруг которого обращаются несколько электронов. Резерфорд пришел к такому выводу, исследуя, как отклоняются, сталкиваясь с атомами, альфа-частицы – положительно заряженные частицы, испускаемые радиоактивными атомами.

Вначале считалось, что атомное ядро состоит из электронов и разного [для разных атомов] количества положительно заряженных частиц – протонов (от греческого слова, означающего «первый», – предполагалось, что протоны являются фундаментальными частицами, из которых состоит вещество). Но в 1932 году коллега Резерфорда по Кембриджу Джеймс Чедвик открыл, что атомные ядра содержат также и другие частицы почти с такой же массой, как и у протона, но без электрического заряда. Эти частицы получили название «нейтроны». За свое открытие Чедвик получил Нобелевскую премию и был избран главой колледжа Гонвилля и Киза в Кембридже (того самого колледжа, где я сейчас работаю). Впоследствии Чедвик ушел в отставку с этого поста из-за разногласий с научными сотрудниками. Когда группа молодых ученых, вернувшихся с войны, сместила многих старых профессоров с должностей, которые те занимали долгие годы, в колледже возникло ожесточенное противоборство. Это было еще до меня – меня приняли в колледж в 1965 году, уже на излете конфликта, когда из-за похожих разногласий был вынужден уйти в отставку другой глава колледжа и нобелевский лауреат сэр Невилл Мотт.

Еще 30 лет назад протоны и нейтроны считались элементарными частицами, но эксперименты по столкновению протонов и электронов на высоких скоростях показали, что в действительности они состоят из более мелких частиц. Физик из Калифорнийского технологического института Марри Гелл-Манн назвал их кварками и в 1969 году был удостоен Нобелевской премии за свои работы, посвященные этим частицам. Название это происходит из загадочной цитаты из романа Джеймса Джойса: «Три кварка для мастера Марка!»[13]. Вообще слово quark («кварк») следует произносить как quart («кворт»), но с «к», а не «т» на конце. Однако это слово обычно рифмуют с lark («ларк»).

Есть несколько видов кварков – всего шесть так называемых ароматов: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Первые три известны с 60-х годов XX века, очарованный был открыт только в 1974 году, прелестный – в 1977 году, а истинный – в 1995 году. Кварки каждого аромата бывают трех «цветов» – красного, зеленого и синего. (Следует отметить, что эти термины – всего лишь условные обозначения: кварки намного меньше длины волны видимого света и поэтому не имеют цвета в общепринятом смысле. Просто современные физики отличаются более творческим подходом к выбору названий для частиц и явлений и не ограничиваются словами греческого языка!) Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, по одному каждого цвета. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. Из других кварков (странных, очарованных, прелестных и истинных) тоже можно составлять частицы, которые, правда, оказываются намного более массивными и быстро распадаются на протоны и нейтроны.

Теперь мы знаем, что ни атомы, ни протоны, ни нейтроны не являются неделимыми. Так что возникает вопрос: что же такое по-настоящему элементарные частицы, из которых, как из кирпичиков, состоит все? Длина волны света намного больше размера атома, и поэтому нельзя надеяться, что мы сможем «рассмотреть» части атомов привычным нам способом. Придется использовать нечто с куда меньшей длиной волны. Как мы выяснили в предыдущей главе, квантовая механика учит, что частицы в действительности представляют собой волны и что чем выше энергия частицы, тем короче длина соответствующей волны. Так что качество ответа на наш вопрос зависит от того, насколько «энергичные» частицы имеются в нашем распоряжении. Ведь от этого зависит, насколько мелкие длины и размеры мы сможем «разглядеть». Энергии частиц обычно измеряются в единицах под названием «электрон-вольт». (В своих экспериментах с электронами Томсон использовал для ускорения этих частиц электрическое поле. Энергия, приобретаемая электроном в поле с разностью потенциалов в один вольт, – это то, что принимается за 1 электрон-вольт.) В XIX веке, когда из всех энергий частиц люди умели использовать только небольшую долю – на уровне нескольких электрон-вольт, – которую обеспечивали химические реакции вроде горения, атомы считались мельчайшими частицами вещества. В эксперименте Резерфорда энергии альфа-частиц достигали нескольких миллионов электрон-вольт. Потом мы научились с помощью электромагнитных полей разгонять частицы до энергий сначала в миллионы, а потом и миллиарды электрон-вольт. И теперь мы знаем, что частицы, считавшиеся 30 лет назад элементарными, на самом деле состоят из более мелких «деталей». Но не окажется ли так, что по мере продвижения в область еще более высоких энергий в составе этих частиц удастся разглядеть еще более мелкие? Это, разумеется, возможно, но некоторые теоретические соображения позволяют считать, что мы уже подошли вплотную к пониманию фундаментальных структурных элементов природы или даже достигли его.

С точки зрения рассмотренного в предыдущей главе корпускулярно-волнового дуализма все во Вселенной, включая свет и тяготение, можно описать при помощи частиц. У этих частиц есть свойство, называемое спином. Его можно представить себе, сравнив частицы с маленькими волчками, вращающимися вокруг своей оси. Однако такое сравнение не слишком точное, потому что согласно квантовой механике у частиц нет четко определенной оси. В действительности спин свидетельствует о том, как частица выглядит с разных сторон. Частица с нулевым спином похожа на точку: она выглядит одинаково, независимо от того, с какой стороны на нее смотреть (рис. 5.1i). Частица со спином 1 напоминает стрелку: она выглядит по-разному с разных направлений (рис. 5.1ii). Чтобы снова увидеть ее такой же, частицу надо повернуть на 360 градусов. Частица со спином 2 похожа на двустороннюю стрелку (рис. 5.1iii): она будет выглядеть так же, если повернуть ее на 180 градусов. Аналогично частицы с бóльшими спинами выглядят так же, если повернуть их на меньшую долю полного оборота. Все это выглядит довольно просто, но у некоторых частиц есть замечательное свойство: они не выглядят такими же, если сделают полный круг, – их надо повернуть на два оборота! Про такие частицы говорят, что их спин равен 1/2.

Все известные элементарные частицы во Вселенной можно подразделить на две группы: частицы со спином 1/2, из которых состоит вещество во Вселенной, и частицы со спином 0, 1 или 2, которые, как мы увидим, порождают силы, действующие между частицами вещества. Частицы вещества подчиняются так называемому принципу запрета Паули. Этот принцип был открыт в 1925 году австрийским физиком Вольфгангом Паули, в 1945 году получившим Нобелевскую премию за это достижение. Он был типичным физиком-теоретиком: о нем говорили, что одно его присутствие в городе плохо влияло на ход экспериментов! Принцип запрета Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут пребывать в одном и том же состоянии, то есть в пределах, определяемых принципом неопределенности: они не могут одновременно находиться в одном и том же положении и иметь при этом одинаковые скорости. Принцип запрета имеет чрезвычайно важное значение, поскольку объясняет, почему частицы вещества не коллапсируют в сверхплотное состояние под действием сил, создаваемых частицами со спином 0, 1 или 2: когда частицы вещества оказываются очень близко друг к другу (то есть имеют очень близкие «координаты»), они должны иметь очень разные скорости и, следовательно, не могут долго находиться в одном и том же положении. Если бы в мире не действовал принцип запрета, кварки бы не образовали отдельные друг от друга протоны и нейтроны, а последние вместе с электронами не могли бы образовывать отдельные друг от друга атомы. Они бы элементарно сколлапсировали, образовав более или менее однородный и густой «суп».

Рис. 5.1

Верное понимание электрона и других частиц со спином 1/2 пришло только в 1928 году – с теорией, предложенной Полем Дираком, который впоследствии был избран на должность Лукасовского профессора математики в Кембридже (эту должность в свое время занимал Ньютон, а сейчас ее занимаю я). Это была первая теория, совместимая как с квантовой механикой, так и со специальной теорией относительности. Она дает математическое объяснение электрону со спином 1/2, то есть толкует, почему электрон не выглядит тождественно, если повернуть его на один полный оборот, и почему нужно повернуть его на целых два оборота. Теория Дирака также предсказывала, что у электрона должна быть частица-двойник – антиэлектрон, или позитрон. Открытие позитрона в 1932 году подтвердило теорию Дирака и принесло ему Нобелевскую премию по физике 1933 года. Теперь мы знаем, что у каждой частицы есть своя античастица, и при взаимодействии они могут аннигилировать (взаимно уничтожиться). (Античастицами носителей взаимодействий являются сами эти частицы.) Из античастиц могут состоять целые антимиры и даже антилюди. Но если вы встретите свою «антисущность», ни в коем случае не пытайтесь пожать друг другу руки! Вы оба исчезнете в сильной вспышке света. Вопрос о том, почему вокруг нас намного больше частиц, чем античастиц, чрезвычайно важен, и я вернусь к нему позже в этой главе.

В квантовой механике считается, что взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целым спином – 0, 1 или 2. Это означает, что частица вещества, например электрон или кварк, испускает частицу-носитель взаимодействия. Из-за возникающей отдачи скорость частицы вещества меняется. Частица-носитель силы после этого сталкивается с другой частицей вещества и поглощается ею, изменяя тем самым ее скорость, как если бы между двумя частицами вещества действовала сила. Важным свойством частиц-носителей взаимодействия является то, что они не подчиняются принципу запрета. Это значит, что отсутствует предел количеству участвующих в обмене частиц, и поэтому они могут порождать сильное взаимодействие. Однако если частицы-носители взаимодействия имеют большую массу, их будет трудно порождать и трудно обмениваться ими на больших расстояниях. Из-за этого переносимые таким частицами силы окажутся весьма короткодействующими. С другой стороны, если частицы-носители не имеют массы покоя, то соответствующие силы могут быть дальнодействующими. Частицы-носители взаимодействия, которыми обмениваются частицы вещества, называют виртуальными – в отличие от «реальных» их невозможно непосредственно зарегистрировать с помощью детектора частиц. Но мы знаем, что они существуют, поскольку их влияние можно измерить: такие частицы порождают взаимодействия между частицами вещества. При некоторых условиях частицы со спином 0, 1 или 2 существуют и как реальные частицы и могут быть обнаружены непосредственно. В этом случае с точки зрения классической физики они для нас выглядят как волны – например, волны света или гравитационные волны. Иногда они испускаются, когда взаимодействуют частицы вещества, обмениваясь виртуальными частицами-носителями взаимодействия. (Например, сила электрического отталкивания двух электронов является результатом обмена виртуальными фотонами, которые в принципе невозможно непосредственно обнаружить. Но в случае, когда один электрон пролетает мимо другого, возможно излучение реальных фотонов, которые мы воспринимаем как волны света.)

Частицы-носители взаимодействий можно подразделить на четыре категории в зависимости от интенсивности взаимодействия, которое они переносят, и от вида частиц, с которыми они взаимодействуют. Это деление условное и приводится только для удобства построения частных теорий; при этом оно может не отражать объективной реальности. Большинство физиков надеются, что когда-нибудь удастся построить единую теорию, которая объяснит все виды сил как разные аспекты единой силы. И многие считают это главной задачей современной физики. В последнее время предпринимались успешные попытки объединения трех из четырех видов взаимодействий, и я расскажу о них в этой главе. А вопрос об интеграции четвертого вида взаимодействия – гравитационного – отложим на потом.

Первым делом поговорим о силе тяготения. Это универсальная сила – в том смысле, что любая частица «ощущает» ее воздействие, а восприимчивость к ней зависит от массы или энергии частицы. Тяготение, или гравитация, – самая слабая из всех сил, причем она значительно слабее остальных. Она настолько слаба, что мы бы вообще не замечали ее, если бы не две особенности: во-первых, это дальнодействующая сила, а во-вторых, она всегда работает как сила притяжения. Это значит, что очень слабые гравитационные силы, действующие между частицами в составе двух больших тел, таких, например, как Земля и Солнце, складываются, в результате чего возникает весьма внушительная сила. Остальные три типа сил – либо короткодействующие, либо бывают иногда притягивающими, а иногда отталкивающими, стремясь компенсировать друг друга. При квантовомеханическом взгляде на гравитационное поле, взаимодействие между двумя частицами вещества осуществляется с помощью частиц со спином 2, называемых гравитонами. Эти частицы не имеют собственной массы, и поэтому переносимая ими сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей рассматривается как результат обмена гравитонами между частицами, составляющими эти два тела. Хотя участвуют в обмене виртуальные частицы, они порождают измеримый эффект, заставляя Землю обращаться вокруг Солнца! Реальные гравитоны образуют то, что классические физики назвали бы гравитационными волнами. Они чрезвычайно слабы – их так трудно обнаружить, что никому до сих пор это не удалось[14].

Обратимся теперь к электромагнитной силе, которая действует на электрически заряженные частицы, такие как электроны и кварки, но не действует на нейтральные частицы вроде гравитонов. Она куда сильнее гравитации: сила электромагнитного взаимодействия двух электронов примерно в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с сорока двумя нулями) раз больше силы гравитационного взаимодействия этих частиц. Но электрические заряды бывают двух видов – положительные и отрицательные. При этом два положительных – так же, как и два отрицательных – заряда отталкиваются, а положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу. В крупном теле вроде Земли или Солнца количество положительных зарядов примерно равно количеству отрицательных; в результате силы отталкивания и притяжения между отдельными частицами взаимно почти уравновешиваются и суммарная электромагнитная сила оказывается очень малой. Но на малых – атомных и молекулярных – масштабах электромагнитные силы преобладают. Сила электромагнитного притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами атомного ядра удерживает электроны на орбитах вокруг атомного ядра, совсем как сила гравитационного притяжения удерживает Землю на орбите вокруг Солнца. Сила электромагнитного притяжения представляется как результат обмена большим количеством не имеющих массы частиц со спином 1 – фотонов. Как и в предыдущем случае, участвующие во взаимодействии фотоны являются виртуальными частицами. Но переход электрона с одной допустимой орбиты на другую, расположенную ближе к ядру, сопровождается выделением энергии и излучением реального фотона, который можно наблюдать человеческим глазом как видимый свет – если длина его волны попадает в соответствующий диапазон, – или зарегистрировать другим фотодетектором, например фотопленкой. Точно так же при столкновении реального фотона с атомом электрон, движущийся по расположенной вблизи ядра орбите, может оказаться выбитым на более далекую орбиту. Электрон использует энергию фотона, и поэтому сам фотон поглощается.

Третья категория сил называется слабым ядерным взаимодействием, которое отвечает за радиоактивный распад атомных ядер и действует на все частицы вещества со спином 1/2, но не действует на частицы со спином 0, 1 или 2, такие как фотоны и гравитоны. Механизм слабого ядерного взаимодействия оставался не в полной мере понятным до 1967 года, когда Абдус Салам из Имперского колледжа Лондона и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета разработали теорию, объединившую слабое и электромагнитное взаимодействия – как за сто лет до того Максвелл объединил электричество и магнетизм. Салам и Вайнберг предположили, что кроме фотонов имеются еще и другие частицы со спином 1 – так называемые массивные векторные бозоны, – которые служат носителями слабого взаимодействия. Эти частицы обозначаются как W+ (W-плюс), W- (W-минус) и Z^0 (Z-ноль), каждая имеет массу около 100 ГэВ (ГэВ – гигаэлектронвольт, или одна тысяча миллионов электрон-вольт). Теория Вайнберга – Салама обладает свойством спонтанного нарушения симметрии. Это значит, что целый ряд частиц, которые кажутся совершенно разными при низких энергиях, фактически являются одним и тем же видом частиц, но находятся в разных состояниях. При высоких энергиях все эти частицы ведут себя одинаково. Это можно сравнить с поведением шарика при игре в рулетку. При высоких энергиях (пока колесо рулетки крутится быстро) шарик ведет себя однообразно – просто катится по кругу. Но по мере замедления колеса энергия шарика уменьшается, и в какой-то момент он попадает в одно из тридцати семи углублений на колесе. Другими словами, при низких энергиях шарик может пребывать в одном из 37 различных состояний. Если по какой-то причине мы наблюдаем шарик только при низких энергиях, то создается впечатление, что мы имеем дело с 37 типами шариков!

В теории Вайнберга – Салама при энергиях куда выше 100 ГэВ три новые частицы и фотон ведут себя одинаково. Но при более низких энергиях, с которыми мы имеем дело в обычных ситуациях, симметрия между частицами нарушается. W+-, W-– и Z^0-частицы приобретают большие массы, и соответствующие им силы становятся очень короткодействующими. Когда Салам и Вайнберг предложили свою теорию, мало кто поверил им, а мощность ускорителей частиц на тот момент была недостаточной и не позволяла достичь энергий в 100 ГэВ, необходимых для порождения реальных бозонов W+, W- и Z^0. Однако в последующие десять лет оказалось, что другие предсказания теории на низких энергиях настолько хорошо согласуются с экспериментальными данными, что в 1979 году Саламу, Вайнбергу и Шелдону Глэшоу – еще одному ученому из Гарвардского университета, создавшему аналогичную общую теоретическую основу для электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий, – была присуждена Нобелевская премия по физике. Нобелевскому комитету не пришлось краснеть за возможную ошибку, и это стало окончательно ясно в 1983 году. Тогда в Европейском центре ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN); рус. ЦЕРН) были открыты три массивных партнера фотона с правильно предсказанными массами и другими свойствами. Карло Руббиа, руководитель совершившей открытие группы из нескольких сотен физиков, в 1984 году был удостоен Нобелевской премии – совместно с Симоном ван дер Меером, инженером ЦЕРНа, разработавшим систему хранения антивещества, использованную в экспериментах. (В наше время добиться признания в экспериментальной физике очень нелегко, для этого нужно быть лучшим из лучших!)

Четвертый тип взаимодействия – сильное ядерное взаимодействие. Благодаря ему внутри протонов и нейтронов удерживаются кварки, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра. Носителем этого взаимодействия считается частица со спином 1 под названием глюон, которая взаимодействует только с такими же частицами и с кварками. Сильное ядерное взаимодействие обладает удивительным свойством – так называемым конфайнментом[15]. Это означает, что удерживаемые вместе частицы всегда имеют нулевой суммарный цветовой заряд. Невозможно получить отдельный кварк, потому что у него был бы какой-либо определенный цвет (красный, зеленый или синий). Вместо этого красный кварк должен объединяться с зеленым и синим посредством «струны» из глюонов (красный + зеленый + синий = белый). Такого рода триплет образует протон или нейтрон. Другая возможная комбинация – это пара, состоящая из кварка и антикварка (красный + антикрасный / зеленый + антизеленый / синий + антисиний = белый). Из таких комбинаций состоят частицы, называемые мезонами, которые неустойчивы, потому что кварк и антикварк могут взаимно аннигилировать, в результате чего образуются электроны и другие частицы. Аналогично конфайнмент не допускает существования отдельного глюона, потому что глюоны также имеют цветовой заряд. Вместо этого приходится иметь дело с комбинациями глюонов с суммарным белым цветовым зарядом. Такая комбинация образует неустойчивую частицу, получившую название глюоний.

Конфайнмент делает невозможным наблюдение изолированных кварков и глюонов, и потому может создаться впечатление, что представления о кварках и глюонах как о частицах относятся, скорее, к области метафизики. Но у сильного взаимодействия есть еще одно свойство – так называемая асимптотическая свобода, – благодаря которому понятия кварков и глюонов обретают определенные очертания. При обычных энергиях сильное ядерное взаимодействие действительно сильно и надежно удерживает кварки вместе. Но эксперименты на больших ускорителях частиц свидетельствуют, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает, отчего кварки и глюоны начинают вести себя почти как свободные частицы. На рисунке 5.2 приводится фотография столкновения протона высокой энергии и антипротона. На волне успеха после объединения электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий был предпринят ряд попыток объединить эти две силы с сильным ядерным взаимодействием, чтобы создать так называемую теорию великого объединения (англ. Grand Unified Theory; GUT). Название несколько претенциозное: созданные теории не такие уж великие и объединяют отнюдь не всё, поскольку не распространяются на силу тяготения. К тому же они неполны, поскольку содержат ряд параметров, численные значения которых нельзя предсказать в рамках этих теорий: их следует подбирать так, чтобы они не противоречили экспериментальным данным. Однако это все же шаг на пути к полной, всеобъемлющей теории. Основная идея такой теории сводится к следующему. Как мы отмечали выше, сильное ядерное взаимодействие становится слабее при высоких энергиях. При некоторой – очень высокой – энергии, называемой энергией великого объединения, три рассматриваемых типа взаимодействий сравняются по интенсивности и смогут рассматриваться как разные аспекты единой силы. Теории великого объединения также предсказывают, что при этой энергии разные частицы вещества со спином 1/2 – такие, как кварки и электроны, – тоже станут, в сущности, одним видом частиц, то есть объединение произойдет и на этом уровне.

Рис. 5.2. Столкновение протона и антипротона в условиях высоких энергий с образованием пары почти свободных кварков

Величина энергии великого объединения пока точно не определена, но, скорее всего, составляет не менее тысячи миллионов миллионов ГэВ. Современные ускорители способны обеспечить столкновения частиц с энергиями порядка сотен ГэВ. Планируется построить ускорители, в которых эта величина поднимется до нескольких тысяч ГэВ. Устройство с мощностью, достаточной для ускорения частиц до энергии великого объединения, должно быть размером с Солнечную систему, и вряд ли на него выделят средства в нынешней экономической ситуации. Так что проверить теории великого объединения в лабораторных условиях не удастся. Но, как и в случае с единой теорией электрослабого взаимодействия, у теорий великого объединения есть следствия, которые проявляются на низких энергиях и потому могут быть проверены.

Любопытнее других предсказание того, что протоны, составляющие значительную часть массы обычного вещества, могут самопроизвольно распадаться на более легкие частицы, такие как антиэлектроны. Причина состоит в том, что при энергии великого объединения между кварком и антиэлектроном нет существенных различий. Как правило, три кварка в составе протона не обладают энергией, достаточной для превращения в антиэлектроны, но иногда – хотя и очень редко – один из кварков может приобрести достаточную для такого превращения энергию. Эту вероятность обеспечивает принцип неопределенности, согласно которому энергия кварков в протоне не может быть зафиксирована на каком бы то ни было точном значении. В этом случае протон распадается. Ситуация, в которой кварк обретает достаточно высокую энергию, настолько неординарна, что ждать такого события придется миллион миллионов миллионов миллионов миллионов лет (единица с тридцатью нулями). С момента Большого взрыва – а он случился около десяти миллиардов (единица с десятью нулями) лет назад – прошло куда меньше времени. Потому нам кажется, что возможность спонтанного распада протона нельзя проверить экспериментально. Впрочем, шансы обнаружить его можно увеличить, наблюдая большое количество вещества, содержащее очень много протонов. (Например, если в течение года наблюдать протоны в количестве, выражаемом единицей с тридцатью одним нулем, то, согласно простейшей теории великого объединения, можно рассчитывать на регистрацию более одного распада протона.)

Физики поставили ряд экспериментов, но ни один из них не дал никаких определенных свидетельств распада протона или нейтрона. В одном из исследований использовалось 8000 тонн воды: он проводился в соляной шахте (чтобы не спутать с распадом протона другие явления, вызванные космическими лучами) в штате Огайо, принадлежащей компании Morton Salt. Поскольку в ходе эксперимента не наблюдалось ни одного спонтанного распада протона, можно заключить, что среднее время его жизни должно превышать десять миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов лет (единица с тридцатью одним нулем). Это больше, чем время жизни, которое предсказывает самая простая из теорий великого объединения. Хотя некоторые более изощренные теории отводят протону еще более длинную жизнь. Для проверки этих теорий потребуются более чувствительные эксперименты с бо́льшим количеством вещества.

Зафиксировать спонтанный распад протона – чрезвычайно трудная задача, но вместе с тем не исключено, что самим нашим существованием мы обязаны обратному процессу – рождению протонов, или, попросту говоря, кварков, на исходной стадии, когда кварков было не больше, чем антикварков. Именно так естественно было бы представить зарождение Вселенной. Вещество на Земле состоит в основном из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, сложены из кварков. Не существует антипротонов и антинейтронов, составленных из антикварков, за исключением тех немногих, что физики получают в больших ускорителях. Данные исследований космических лучей свидетельствуют, что то же верно и для всего вещества в нашей Галактике – там нет ни антипротонов, ни антинейтронов, за исключением небольшого количества пар частица – античастица, возникающих при столкновениях частиц с высокой энергией. Если бы в нашей Галактике были большие области, заполненные антивеществом, то на их границе с областями обычного вещества – там, где многие частицы сталкиваются с античастицами и взаимно аннигилируют, – наблюдалось бы мощное излучение.

У нас также нет прямых свидетельств того, состоит ли вещество других галактик из протонов и нейтронов или антипротонов и антинейтронов. Однако это должно быть что-то одно: в одной галактике не могут одновременно присутствовать вещество и антивещество, потому что в этом случае мы также должны были бы наблюдать интенсивное излучение, вызванное аннигиляцией. Поэтому мы исходим из того, что все галактики состоят из кварков, а не антикварков. Представляется неправдоподобным, чтобы часть галактик состояла из вещества, а часть – из антивещества.

Почему кварков намного больше, чем антикварков? Почему их количества не одинаковы? Тот факт, что мера вещества не равна мере антивещества, безусловно, пошел нам на пользу: если бы кварков и антикварков было поровну, почти все они взаимно аннигилировали бы еще в ранней Вселенной. А значит, она оказалась бы заполнена излучением и практически не содержала бы вещества. Не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет, на которых могли бы возникнуть жизнь и человек. К счастью, теории великого объединения в состоянии объяснить, почему во Вселенной сейчас больше кварков, чем антикварков, даже если в начале одни не доминировали над другими. Как мы уже знаем, теории великого объединения допускают возможность превращения кварков в антиэлектроны при высоких энергиях. Эти теории также предусматривают обратные процессы, в результате которых антикварки преобразуются в электроны, а электроны и антиэлектроны – в антикварки и кварки. На самых ранних этапах существования Вселенной температура – а стало быть, и энергия частиц – была достаточно высока для таких превращений. Но почему в результате кварков оказалось больше, чем антикварков? Причина в том, что физические законы не совсем одинаковы для частиц и античастиц.

До 1956 года считалось, что законы природы обеспечивают сохранение каждой из трех симметрий, называемых C, P и T. Симметрия C означает, что законы одинаковы для частиц и античастиц. Симметрия P – что законы одинаковы для любой конкретной ситуации и ее зеркального отражения (зеркальное отражение вращающейся вправо частицы – это вращающаяся влево частица). Симметрия T – что если изменить направление движения всех частиц и античастиц на противоположное, то система станет двигаться назад к тем состояниям, в которых пребывала в прошлом. Иными словами, законы природы одинаковы для прямого и обратного направления времени. В 1956 году два американских физика, Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, выдвинули гипотезу о том, что при слабом взаимодействии симметрия P может нарушаться. То есть под влиянием слабого взаимодействия эволюция Вселенной может отличаться от эволюции ее зеркального отражения. В том же году коллега ученых Цзяньсюн Ву доказала правильность этого предсказания. Она выстроила ядра радиоактивных атомов в магнитном поле так, чтобы все они вращались в одном направлении, и показала, что число электронов, испускаемых в двух направлениях, неодинаково. В следующем году Ли и Янг получили за свою теорию Нобелевскую премию. Оказалось, что при слабом взаимодействии также не сохраняется симметрия C. То есть из-за слабого взаимодействия вселенная[16], состоящая из античастиц, должна вести себя не так, как наша Вселенная. Тем не менее казалось, что при слабом взаимодействии сохраняется комбинированная симметрия CP. То есть вселенная должна эволюционировать так же, как и ее зеркальное отражение, при условии, что все частицы будут заменены соответствующими им античастицами. Однако в 1964 году двое других американских ученых, Джеймс Уотсон Кронин и Вал Логсден Фитч, обнаружили, что при распаде частиц под названием К-мезоны нарушается даже CP-симметрия. Кронин и Фитч были удостоены Нобелевской премии по физике в 1980 году. (За доказательства того, что наша Вселенная не так проста, как кажется, вручили уже столько премий!)

Существует математическое доказательство того, что в любой теории, совместимой с квантовой механикой и теорией относительности, должна всегда соблюдаться комбинированная симметрия CPT. Другими словами, вселенная должна вести себя в точности так же, если все частицы заменить на античастицы, зеркально отразить ее и обратить направление времени. Но Кронин и Фитч показали, что если заменить во вселенной все частицы на античастицы и зеркально отразить, не обратив при этом направление времени, то поведение полученной вселенной будет отличаться от поведения исходной. Таким образом, при обращении направления времени должны измениться законы физики: они не подчиняются требованию сохранения T-симметрии.

Само собой разумеется, в ранней Вселенной T-симметрия не сохраняется: с течением времени Вселенная расширяется, а если бы время повернуло вспять, то Вселенная сжималась бы. Поскольку существуют силы, не подчиняющиеся требованию сохранения T-симметрии, то, следовательно, в ходе расширения Вселенной число антиэлектронов, превращающихся в кварки под влиянием этих сил, может превысить число электронов, преобразующихся в антикварки. Тогда по мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной антикварки могли аннигилировать с кварками, но поскольку кварки преобладали, небольшой их избыток должен был сохраниться. Именно из них состоит вещество, которое мы наблюдаем в настоящее время и из которого состоим сами. Таким образом, само наше существование может рассматриваться как подтверждение – пусть только качественное – теорий великого объединения. Впрочем, оценки столь приблизительны, что невозможно предсказать количество оставшихся после аннигиляции кварков; неясно даже, остались ли в большинстве кварки или антикварки. (Правда, если бы во Вселенной преобладали антикварки, мы бы попросту называли их кварками, а кварки – антикварками.)

Теории великого объединения не принимают во внимание гравитационное взаимодействие. Это не так важно, поскольку, когда мы имеем дело с элементарными частицами и атомами, его влиянием, как правило, можно пренебречь – настолько оно слабое. Впрочем, тот факт, что тяготение – дальнодействующая сила и к тому же всегда притягивающая, означает, что ее влияние суммируется. Потому при достаточно большом количестве частиц вещества гравитационные эффекты могут оказаться сильнее проявлений всех остальных сил. По этой причине именно гравитация определяет эволюцию Вселенной. В случае объектов размером со звезду гравитационная сила притяжения может даже превзойти все другие силы и привести звезду к коллапсу. В 1970-х годах я занимался исследованием черных дыр, которые теоретически возникают в результате коллапса звезд и мощных гравитационных полей в их окрестностях. Именно эти изыскания заставили меня рассуждать о возможном характере взаимного влияния квантовой механики и общей теории относительности. Но это лишь первое приближение к квантовой теории гравитации, которую еще предстоит открыть.

Глава шестая. Черные дыры

Термин «черная дыра» появился сравнительно недавно. Его придумал в 1969 году американский ученый Джон Уилер, чтобы наглядно проиллюстрировать идею почти двухсотлетней давности. Тогда существовали две теории света: согласно одной из них – и ее придерживался Ньютон – свет состоит из частиц, а согласно другой – из волн. Теперь-то мы знаем, что обе теории [в определенном приближении] верны. В силу принципа корпускулярно-волнового дуализма в квантовой механике свет можно рассматривать как поток частиц и как поток волн. В рамках теории, понимающей свет как череду волн, сложно было объяснить, как он должен откликаться на гравитацию. Но если считать, что свет состоит из частиц, есть все основания полагать, что сила тяготения воздействует на эти частицы точно так же, как, например, на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала люди считали, что частицы света движутся с бесконечной скоростью, и в этом случае сила тяготения не способна затормозить их. Но однажды Оле Рёмеру удалось измерить скорость света и установить, что она конечна, а это означало, что влияние силы тяжести на свет может быть существенным[17].

Профессор Кембриджского университета Джон Мичелл, исходивший именно из этого предположения, в 1783 году опубликовал в журнале «Философские труды Королевского общества Лондона» статью. В ней он обратил внимание на то, что достаточно массивная компактная звезда должна создавать настолько сильное гравитационное поле, что свет не сможет покинуть ее. Испущенное с поверхности такой звезды излучение не сможет далеко уйти: рано или поздно оно будет остановлено и возвращено назад силой тяжести звезды. Мичелл полагал, что таких звезд может быть много. Хотя мы и не можем увидеть их, потому что свет этих звезд не достигнет нас, мы все же вполне в состоянии обнаружить их гравитационное притяжение. Такие объекты мы сейчас называем черными дырами – ведь это действительно зияющие в пространстве черные пустоты. Через несколько лет похожую гипотезу высказал французский ученый Пьер-Симон де Лаплас, по-видимому, совершенно независимо от Мичелла. Интересно, что Лаплас включил эту гипотезу только в первое и второе издания своей книги «Изложение системы мира», не упомянув о ней в более поздних изданиях. Возможно, он счел эту идею бредовой. (К тому же в XIX веке корпускулярная теория света теряла популярность, поскольку в то время казалось, что все можно объяснить в рамках волновой теории, которая не давала ясного ответа на вопрос о том, возможно ли вообще влияние тяготения на свет.)

И действительно, рассматривать свет так же, как пушечные ядра в ньютоновской теории тяготения, – не совсем последовательно, ведь скорость света постоянна. (Ядро, выпущенное вертикально с поверхности Земли, замедляется под действием силы тяжести, в какой-то момент останавливается и падает вниз. В отличие от него, фотон продолжает двигаться вверх с постоянной скоростью. Как же тогда может ньютоновское тяготение воздействовать на свет?) Последовательная и внутренне согласованная теория влияния тяготения на фотоны появилась только в 1915 году, когда Эйнштейн создал общую теорию относительности. Да и после этого понадобилось еще много времени, чтобы осознать следствия теории для массивных звезд.

Чтобы понять, как может образоваться черная дыра, сначала следует разобраться с жизненным циклом звезды. Звезда рождается, когда большое количество газа (в основном водорода) сжимается и обрушивается на себя (коллапсирует) под действием собственного тяготения. По мере сокращения облака атомы газа все чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со все более высокими скоростями, и газ нагревается. В какой-то момент он становится настолько горячим, что сталкивающиеся атомы водорода перестают отскакивать друг от друга и начинают «срастаться», образуя атомы гелия. Выделяемое при этой реакции тепло, подобное тому, которое выделяется при взрыве водородной бомбы, как раз и заставляет звезду светиться. Это дополнительное тепло также приводит к увеличению давления до уровня, достаточного, чтобы уравновесить гравитационное притяжение, и сжатие газа прекращается. Ситуация немного напоминает происходящее внутри воздушного шара: в его случае мы имеем дело с равновесием между внутренним давлением воздуха, стремящимся раздуть шар, и натяжением резиновой оболочки, которая стремится сжать его. Звезды могут поддерживать такого рода стабильность в течение долгого времени – пока тепло, выделяемое в ходе термоядерных реакций, уравновешивает гравитационное притяжение. Однако рано или поздно звезда исчерпывает свои запасы водорода и другого ядерного топлива. Парадоксальным образом, чем больший запас топлива звезда имеет в начале своей эволюции, тем быстрее он подходит к концу. Дело в том, что чем массивнее звезда, тем горячее должны быть ее недра, чтобы уравновесить гравитационное притяжение [вышележащих слоев]. А чем горячее недра звезды [и чем быстрее происходят в них термоядерные реакции синтеза], тем быстрее заканчиваются запасы термоядерного топлива. Топливных запасов нашего Солнца хватит еще примерно на пять миллиардов лет, но более массивные звезды успевают исчерпать свои резервы всего за каких-то сто миллионов лет, а это намного меньше возраста Вселенной. Использовав запас термоядерного топлива, звезда начинает остывать, и сила тяготения берет верх над давлением, заставляя звезду сжиматься. Понимание последующей эволюции звезды пришло лишь в конце 20-х годов XX века.

В 1928 году Субраманьян Чандрасекар, выпускник индийского университета, отправился в Англию, чтобы продолжить обучение в Кембридже у британского астронома сэра Артура Эддингтона – специалиста по общей теории относительности. (Рассказывали, что в начале 1920-х годов журналист сообщил Эддингтону, будто слышал, что всего три человека в мире понимают общую теорию относительности. Эддингтон задумался, а потом сказал: «Я пытаюсь понять, кто же третий».) На пути из Индии Чандрасекар рассчитал, насколько большой может быть звезда, чтобы при этом удерживаться от сжатия под действием собственного тяготения, исчерпав все имеющиеся запасы топлива. Идея состояла в следующем: когда звезда сжимается до малых размеров, частицы ее вещества оказываются очень близко друг к другу и, согласно принципу запрета Паули, они должны иметь сильно различающиеся скорости. По этой причине частицы стремятся разлететься и тем самым заставляют звезду расширяться. Таким образом, звезда способна сохранять постоянный радиус благодаря равновесию между гравитационным притяжением и отталкиванием, вызванным принципом запрета, аналогично тому, как на предыдущем этапе тяготение уравновешивалось теплом.

Однако Чандрасекар понял, что у вызванного принципом запрета Паули отталкивания есть определенный предел. В теории относительности максимальная разность скоростей частиц вещества внутри звезды не превосходит скорости света. Это значит, что когда звезда становится достаточно плотной, то вызванное принципом запрета отталкивание оказывается слабее гравитационного притяжения. Согласно расчетам Чандрасекара, холодная звезда с массой, превышающей примерно полторы массы Солнца, не в состоянии удержаться от коллапса[18] под действием собственного тяготения. (Эта масса сейчас называется пределом Чандрасекара.) Примерно в то же время аналогичное открытие сделал советский ученый Лев Давидович Ландау.

Из этого заключения вытекали серьезные следствия для судьбы массивных звезд. Если масса звезды меньше предела Чандрасекара, то ее сжатие в какой-то момент прекращается и звезда достигает возможного конечного устойчивого состояния – превращается в белый карлик радиусом несколько тысяч километров с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. Белый карлик противостоит дальнейшему сжатию благодаря принципу запрета Паули, который обеспечивает отталкивание содержащихся в его веществе электронов. Мы наблюдаем множество таких звезд. Одним из первых открытых белых карликов был спутник Сириуса – ярчайшей звезды на ночном небе.

Ландау обратил внимание на то, что возможен и другой конечный этап звездной эволюции с похожей предельной массой в одну-две солнечных, но куда меньшим радиусом, чем у белого карлика. Эти звезды удерживают равновесие за счет обусловленного принципом запрета отталкивания не между электронами, а между нейтронами и протонами, и потому называются нейтронными звездами. Их радиус должен составлять всего около десяти-двадцати километров, а плотность – десятки миллионов тонн на кубический сантиметр. Когда была предсказана возможность существования нейтронных звезд, их наблюдение было невозможно. Обнаружены они были много позднее.

Между тем у звезд с массой выше предела Чандрасекара после исчерпания запасов топлива возникает очень серьезная проблема[19]. Некоторые из них взрываются или сбрасывают нужное количество вещества, чтобы оставшаяся масса оказалась ниже предельного значения. Тем самым они избегают катастрофического гравитационного коллапса. Но едва ли это удается абсолютно всем звездам, вне зависимости от того, насколько они массивны. Откуда звезде знать, что ей пора сбросить вес? Но даже если бы все звезды могли избавиться от массы, достаточной, чтобы избежать коллапса, что произошло бы, если бы дополнительная масса добавилась белому карлику или нейтронной звезде и предел оказался бы превышенным? Будет ли звезда коллапсировать до состояния с бесконечной плотностью? Эддингтона ужаснул такой вывод, и ученый предпочел не соглашаться с Чандрасекаром. Он считал, что звезда никак не может превратиться в точку. Этого же мнения придерживались большинство ученых: сам Эйнштейн написал статью, в которой утверждал, что звезда не способна сжаться до нулевого размера. Враждебность многих ученых, а в особенности Эддингтона – наиболее авторитетного специалиста по строению звезд и учителя Чандрасекара – заставила последнего переключиться на другие астрономические проблемы, в частности заняться движением звездных скоплений. Когда в 1983 году Чандрасекару вручили Нобелевскую премию, она по крайней мере отчасти оценивала и его ранние работы о предельной массе холодных звезд.

Чандрасекар показал, что принцип запрета не в состоянии остановить коллапс звезды с массой больше предела своего имени, а задачу о судьбе такой звезды в общей теории относительности первым решил молодой американский ученый Роберт Оппенгеймер в 1939 году. Однако его выводы выходили далеко за рамки возможностей наблюдательной науки: телескопы тех лет не могли подтвердить или опровергнуть его теорию. Потом началась Вторая мировая война, и Оппенгеймера привлекли к работе над атомным проектом. После войны о проблеме гравитационного коллапса забыли, потому что большинство ученых увлеклись явлениями, происходящими на масштабах атома или атомного ядра. Но в 60-х годах XX века интерес к проблемам астрономии и космологии на больших масштабах возродился под влиянием резкого увеличения объема и диапазона астрономических наблюдений, что было вызвано внедрением передовых технических достижений. На работу Оппенгеймера снова обратили внимание, и ряд ученых смогли развить его заключения.

Согласно Оппенгеймеру, дело обстоит следующим образом. Под действием гравитационного поля звезды траектории лучей света в пространстве-времени искривляются – в отсутствие звезды траектории были бы иными. Световые конусы, указывающие траектории, по которым следуют в пространстве-времени вспышки света, излученного из вершин этих конусов, слегка искривляются внутрь около поверхности звезды. Такой эффект наблюдается во время солнечного затмения, когда искривляются лучи света далеких звезд. По мере сжатия звезды напряженность гравитационного поля на ее поверхности возрастает, и световые конусы все сильнее искривляются к звезде. Из-за этого излучению звезды становится все труднее покинуть ее, и для удаленного наблюдателя ее свечение выглядит все более тусклым и красным. Наконец, когда звезда сожмется до определенного критического радиуса, гравитационное поле на ее поверхности окажется чрезвычайно сильным и выгнет траектории лучей света так, что те больше не смогут покинуть звезду (рис. 6.1). Согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света. И раз свет не может покинуть звезду, это также невозможно и для любого другого объекта – он неминуемо будет втянут обратно гравитационным полем. Таким образом в результате этих событий образуется область пространства-времени, из которой ничто не может выйти – и достичь удаленного наблюдателя. Эта область называется черной дырой. Внешняя граница черной дыры называется горизонтом событий, и она совпадает с траекториями лучей света, которые только что тщетно пытались покинуть эту область.

Рис. 6.1

Чтобы понять, что увидит человек, наблюдающий коллапс звезды и образование черной дыры, надо учесть, что в теории относительности нет абсолютного времени: для каждого наблюдателя время течет по-своему. Наблюдатель на поверхности звезды воспринимает время не так, как оный на большом удалении от нее – из-за большей напряженности гравитационного поля на границе звезды. Представим себе отважного астронавта, балансирующего на поверхности сжимающейся звезды. Он решил остаться там на время коллапса и ежесекундно (по своим часам) посылает сигналы на обращающийся вокруг звезды космический корабль. В какой-то момент по часам астронавта – например, ровно в 11:00 – звезда, сжимаясь, уйдет под критический радиус, на котором гравитационное поле становится настолько сильным, что ничто уже не может покинуть поверхность светила. Стало быть, сигналы астронавта не смогут достичь корабля. По мере приближения к 11:00 спутники астронавта, наблюдающие за ним с борта орбитального корабля, заметят, что интервалы между последовательными сигналами коллеги становятся все длиннее. Эффект этот будет довольно незначителен до 10 часов 59 минут 59 секунд. Между приемом сигнала, отправленного астронавтом в 10 часов 59 минут 58 секунд, и сигналом в 10 часов 59 минут 59 секунд пройдет лишь немногим более секунды, а вот сигнала, посланного в 11:00 по часам астронавта, придется ждать вечно. Световые волны, испущенные с поверхности звезды между 10 часами 59 минутами 59 секундами и 11 часами ровно по часам астронавта, окажутся растянутыми на бесконечный промежуток времени с точки зрения экипажа орбитального корабля. Интервал между принимаемыми волнами на космическом корабле будет с каждым разом все длиннее, и поэтому свет звезды будет тускнеть и смещаться в красную область спектра. В какой-то момент звезда станет настолько неприметной, что ее нельзя будет разглядеть с борта космического корабля, – на ее месте останется лишь зияющая в пространстве черная дыра. Правда, черная дыра продолжит воздействовать на космический корабль все с той же силой тяготения, заставляя его двигаться по околозвездной орбите. Впрочем, это все же не совсем реалистичный сценарий – и все из-за следующей проблемы. Сила тяжести ослабевает по мере удаления от звезды, и поэтому сила притяжения, действующая на ноги бравого астронавта, всегда будет больше силы, действующей на его голову. Под действием разности этих сил тело астронавта вытянется, как спагетти, или вообще окажется разорвано на части еще до того, как звезда достигнет критического радиуса, когда возникает горизонт событий! Правда, считается, что и куда более крупные объекты во Вселенной, такие как центральные области галактик, тоже могут испытывать гравитационный коллапс с образованием черных дыр[20]. Астронавт, оказавшийся на поверхности такого объекта, поначалу, до момента образования черной дыры, будет сохранять целостность. Он, в сущности, ничего особенного не почувствует, когда звезда сожмется до критического радиуса, и вполне может пройти точку невозврата, совершенно этого не заметив. А всего через несколько часов по времени астронавта, по мере продолжения коллапса, разность гравитационных сил, действующих на его голову и ноги, все равно станет достаточно большой, чтобы разорвать его на части.

Результаты исследования, которое мы с Роджером Пенроузом проводили с 1965 по 1970 год, показали, что согласно общей теории относительности внутри черной дыры должна находиться сингулярность с бесконечной плотностью и бесконечной кривизной пространства-времени[21]. Что-то вроде Большого взрыва в начале времен, но только в этом случае мы имеем дело с концом времени для коллапсирующего тела и астронавта. В этой сингулярности нарушаются законы физики и оказывается утраченной возможность предсказывать будущее. При этом наблюдателей вне черной дыры потеря предсказуемости никак не затронет, потому что никакой свет и никакой сигнал изнутри сингулярности не смогут достичь их. Под впечатлением от этого замечательного факта Роджер Пенроуз выдвинул гипотезу о космической цензуре, которую можно сформулировать так: «Бог не терпит голых сингулярностей». Другими словами, сингулярности, порождаемые гравитационным коллапсом, возникают только в местах, подобным черным дырам, то есть там, где они скрыты от внешнего взора горизонтом событий. Это, строго говоря, так называемая слабая гипотеза космической цензуры, – она защищает наблюдателей от последствий имеющего место в сингулярности нарушения предсказуемости, но ничем не может помочь бедному астронавту, который падает в черную дыру.

Существуют решения уравнений общей теории относительности, позволяющие астронавту увидеть голую сингулярность: он может избежать столкновения с сингулярностью, вместо этого пролететь через кротовую нору и выйти в другой области Вселенной. Это открывает замечательные возможности для путешествий в пространстве и времени, но, к сожалению, похоже, что такие решения крайне нестабильны: малейшее возмущение – например, присутствие астронавта – может так повлиять на расчеты, что астронавт не увидит сингулярности, пока не столкнется с ней, и на этом его существование закончится. Другими словами, сингулярность всегда будет находиться в его в будущем и никогда – в прошлом. Сильный вариант гипотезы космической цензуры гласит, что при реалистичном решении все сингулярности находятся либо полностью в будущем (как в случае сингулярностей гравитационного коллапса), либо в прошлом (как в случае Большого взрыва). Я глубоко убежден в справедливости гипотезы космической цензуры и поэтому поспорил с Кипом Торном и Джоном Прескиллом из Калифорнийского технологического института, утверждая, что эта гипотеза всегда справедлива. Я проиграл пари по технической причине: потому что удалось привести примеры решений, когда сингулярность оказывалась видимой с очень большого расстояния. Так что мне пришлось заплатить, то есть, по условиям пари, я должен был прикрыть наготу этих сингулярностей. Но в душе я праздновал победу – голые сингулярности оказались неустойчивыми: малейшее возмущение либо приводило к их исчезновению, либо скрывало их за горизонтом событий. Стало быть, эти сингулярности не могли возникнуть в реальных ситуациях.

Горизонт событий – граница области в пространстве-времени, за пределы которой невозможно выйти, – действует как своего рода полупроницаемая мембрана вокруг черной дыры: разнообразные объекты, вроде неосмотрительных астронавтов, могут падать сквозь горизонт событий в черную дыру, но ничто не может покинуть ее сквозь горизонт событий. (Напомним, что горизонт событий – это пространственно-временная траектория света, который стремится покинуть черную дыру. При этом ничто не может двигаться быстрее света.) Горизонт событий можно описать словами Данте о вратах ада: «Оставь надежду, всяк сюда входящий». Кто бы ни попал и что бы ни попало за горизонт событий, ему суждено вскоре достичь области бесконечной плотности, где кончается время.

Согласно общей теории относительности массивные движущиеся объекты должны испускать гравитационные волны, то есть формировать рябь на кривизне пространства, которая распространяется со скоростью света. Они напоминают волны света – рябь на электромагнитном поле, – но их куда труднее обнаружить. Гравитационные волны регистрируют по мельчайшим взаимным отклонениям свободно движущихся соседних объектов. В США, Европе и Японии строится ряд детекторов для измерения смещений, равных одной секстиллионной (единица с двадцать одним нулем) доле первоначального расстояния, что труднее, чем найти атомное ядро на расстоянии 16 километров.

Подобно свету, гравитационные волны уносят энергию от излучающих их тел. Поэтому можно было бы ожидать, что система массивных объектов рано или поздно достигнет стационарного состояния – ведь энергия любого движения уйдет вместе с гравитационными волнами. (Так же будет вести себя на воде брошенная в нее пробка – она то погружается, то всплывает снова, но постепенно замирает и переходит в стационарное состояние, по мере того как расходящиеся от нее круги забирают ее энергию.) Например, движение Земли по орбите вокруг Солнца порождает гравитационные волны. В результате потери энергии земная орбита изменится – наша планета будет постепенно становиться все ближе к Солнцу, в какой-то момент столкнется с ним и перейдет в стационарное состояние. Темп потерь энергии в случае Земли и Солнца крайне мал – он примерно соответствует энергопотреблению небольшого электрического нагревателя. Это значит, что Земля врежется в Солнце примерно через миллиард миллионов миллионов миллионов лет. Стало быть, нам пока не о чем беспокоиться! Земная орбита изменяется слишком медленно, и темп изменений едва ли можно зарегистрировать. Однако этот эффект наблюдался в последние годы в системе под названием PSR 1913 + 16 (PSR означает «пульсар»; это особый тип нейтронных звезд, регулярно излучающих импульсы радиоволн). Эта система состоит из двух нейтронных звезд, обращающихся друг вокруг друга. Излучая гравитационные волны, они расходуют энергию, а потому движутся по спиральным траекториям, взаимно сближаясь. За это подтверждение общей теории относительности Джозеф Хотон Тейлор-младший и Рассел Ален Халс были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году. Столкновение компонентов этой системы произойдет примерно через триста миллионов лет. Непосредственно перед столкновением орбитальное движение звезд станет достаточно быстрым и излучаемые гравитационные волны достаточно мощными, чтобы детекторы вроде LIGO смогли обнаружить их.

В ходе гравитационного коллапса звезды и образования черной дыры скорость движения будет много выше и, соответственно, много выше будет и скорость потери энергии. Потому стационарное состояние может быть достигнуто довольно скоро. Что же это состояние собой представляет? Есть основания полагать, что это зависит от множества особенностей исходной звезды – не только от ее массы и скорости вращения, но и от характера распределения плотности в звезде и сложных движений газа в ее недрах. Если бы черные дыры были столь же разнообразны, как и объекты, из которых они образовались, было бы очень трудно делать какие бы то ни было общие предсказания о них.

Но в 1967 году канадский ученый Вернер Израэль (он родился в Берлине, вырос в Южной Африке и защитил диссертацию в Ирландии) совершил революцию в исследовании черных дыр. Ученый показал, что согласно общей теории относительности невращающиеся черные дыры должны быть устроены очень просто: иметь форму идеальной сферы и размер, который зависит только от массы. Так что две черные дыры с одинаковой массой совершенно одинаковы. Такие черные дыры описываются частным решением уравнений Эйнштейна, известным с 1917 года и полученным Карлом Шварцшильдом вскоре после создания общей теории относительности. Сначала многие физики, включая и самого Израэля, считали, что, поскольку черные дыры должны быть идеально сферическими, они могут образовываться только в ходе коллапса абсолютно сферически симметричного объекта. А следовательно, коллапс любой реальной звезды – которая никак не может быть абсолютно сферически симметричной – может породить только голую сингулярность.

Но было предложено и другое толкование результата Израэля, которого, в частности, придерживались Роджер Пенроуз и Джон Уилер. Они утверждали, что из-за сопровождающих коллапс звезды перемещений вещества на высокой скорости и сопутствующего излучения гравитационных волн звезда будет становиться все более сферически симметричной и к моменту, когда она достигнет стационарного состояния, она примет форму идеальной сферы. Согласно этой точке зрения, в результате гравитационного коллапса любая невращающаяся звезда со сколь угодно сложной формой и внутренней структурой должна превратиться в идеально сферически симметричную черную дыру, размер которой зависит только от массы. Последующие расчеты подтвердили этот вывод, и вскоре он стал общепринятым.

Результат Израэля касался только черных дыр, возникших из невращающихся тел. В 1963 году новозеландский ученый Рой Керр нашел множество решений уравнений общей теории относительности, описывающих вращающиеся черные дыры. Керровские черные дыры вращаются с постоянной скоростью, и их размер и форма зависят только от массы и скорости вращения. В случае нулевого вращения черная дыра представляет собой идеальную сферу и соответствующее решение совпадает с решением Шварцшильда. В случае ненулевого вращения черная дыра увеличивается в диаметре по экватору (совсем как Земля и Солнце по причине их вращения), и это тем заметнее, чем выше скорость. Чтобы распространить результат Израэля на вращающиеся тела, выдвинули предположение о том, что любое такое тело, коллапсирующее в черную дыру, должно в конце концов достичь стационарного состояния, описываемого решением Керра.

В 1970 году мой коллега Брэндон Картер, с которым мы вместе учились в аспирантуре в Кембридже, сделал первый шаг на пути к доказательству этой гипотезы. Он показал, что если вращающаяся черная дыра осесимметрична, подобно детскому волчку, то ее размер и форма зависят только от массы и скорости вращения. Потом в 1971 году я предложил решение, согласно которому любая стационарная вращающаяся черная дыра должна быть осесимметричной. Наконец, в 1973 году Дэвид Робинсон из Королевского колледжа Лондона воспользовался моими результатами и результатами Картера и доказал, что гипотеза верна: такая черная дыра действительно должна описываться решением Керра. Следовательно, после гравитационного коллапса черная дыра должна прийти в состояние, в котором она может вращаться, но не пульсировать. Более того, на размер и форму черной дыры влияют только масса и скорость вращения, но не природа тела, из которого она образовалась. Этот вывод традиционно формулируется афористично: у черной дыры нет волос. Теорема об «отсутствии волос» имеет чрезвычайно важное практическое значение, потому что сильно ограничивает набор возможных типов черных дыр. Благодаря этому мы можем строить детальные модели объектов, содержащих черные дыры, и сравнивать предсказания этих моделей с наблюдениями. Из теоремы также следует, что при образовании черной дыры оказывается утраченным огромный объем информации о коллапсирующем теле, ведь единственное, что мы можем узнать о нем после коллапса, – это его масса и скорость вращения. Важность этого заключения станет ясна в следующей главе.

Черные дыры – один из довольно немногочисленных случаев в истории науки, когда теория развивалась в значительной степени как чисто математическая модель, а наблюдательные ее подтверждения появились уже потом. И действительно, это обстоятельство противники концепции приводили как основной аргумент: как можно верить в наличие объектов, единственным свидетельством существования которых являются расчеты, основанные на сомнительной общей теории относительности? Однако в 1963 году астроном Мартен Шмидт из Паломарской обсерватории в Калифорнии измерил красное смещение точечного звездообразного объекта в направлении радиоисточника 3C273 (то есть источника номер 273 в Третьем Кембриджском каталоге радиоисточников). Мартен Шмидт заключил, что полученный показатель слишком велик, чтобы быть результатом действия гравитационного поля: если бы речь шла о гравитационном красном смещении, то объект был бы столь массивным и находился столь близко от нас, что неизбежно оказывал бы возмущающее действие на орбиты планет Солнечной системы. Значит, красное смещение было связано с расширением Вселенной, и следовательно, объект находится на очень большом расстоянии от нас. Чтобы быть видимым на таком огромном расстоянии, объект должен быть очень ярким, то есть, другими словами, излучать очень много энергии в единицу времени. Единственный правдоподобный механизм, способный привести к выделению энергии в таких количествах, – это гравитационный коллапс, но коллапс не звезды, а центральной области галактики целиком. Впоследствии открыли множество такого рода «квазизвездных объектов», или квазаров, и все они оказались с большими красными смещениями. Но они находятся слишком далеко, и поэтому их трудно наблюдать, а следовательно, они не могут служить надежным доказательством существования черных дыр.

Следующим свидетельством в пользу существования черных дыр было обнаружение объектов на небе, которые излучали регулярные радиоимпульсы. Их в 1967 году удалось зарегистрировать аспирантке Кембриджского университета Джоселин Белл Бернелл. Правда, поначалу Белл и ее научный руководитель Энтони Хьюиш решили, что вступили в контакт с внеземной цивилизацией! Мне и вправду запомнилось, как, объявляя о своем открытии на семинаре, они назвали первые четыре обнаруженных ими источника LGM 1–4, где LGM – это Little Green Men, то есть «маленькие зеленые человечки». Однако в итоге Белл с Хьюишем, да и все остальные пришли к куда менее романтичному выводу: открытые объекты, названные позднее пульсарами, признали вращающимися нейтронными звездами, которые излучают радиоимпульсы в результате сложного взаимодействия магнитного поля звезды с окружающим ее веществом. Это разочаровало авторов космических вестернов, но вселило надежду в тех немногих из нас, кто в то время верил в реальность черных дыр: это было первое благонадежное доказательство в пользу существования нейтронных звезд. Радиус нейтронной звезды составляет около 20 километров, что всего в несколько раз превышает критический радиус, при котором звезда становится черной дырой. Если звезда в состоянии сколлапсировать до столь малого размера, то вполне разумно предположить, что другие звезды могут сжаться еще больше и превратиться в черные дыры.

Рис. 6.2. Более яркая из двух звезд вблизи центра снимка – это Лебедь X-1. Считается, что эта система состоит из черной дыры и обычной звезды, обращающихся друг вокруг друга

Но как обнаружить черную дыру, если она по определению ничего не излучает? Это немного напоминает поиски черной кошки в подвале, где хранят уголь. К счастью, способ все же есть. Как отметил еще Джон Мичелл в своей пионерской работе 1783 года, черная дыра продолжает воздействовать на окружающие объекты посредством своего гравитационного поля. Астрономы наблюдали множество систем, в которых две звезды обращаются друг вокруг друга под действием взаимного притяжения. Известны также системы, где видна только одна звезда, которая движется вокруг невидимого спутника. Отсюда, конечно, не следует, что этот спутник обязательно должен быть черной дырой, – это может быть только очень тусклая звезда, неразличимая из-за слабого блеска. Но некоторые из этих систем, вроде системы Лебедь X-1 (рис. 6.2), являются также мощными источниками рентгеновского излучения. Лучшее объяснение этого явления состоит в том, что мы имеем дело с веществом, истекающим с поверхности видимой звезды. Падая на невидимый спутник, вещество перемещается по спиральной траектории (совсем как вода, убегающая из ванны), сильно нагревается и испускает рентгеновское излучение (рис. 6.3). Этот механизм сработает, только если невидимый объект очень мал – как белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. На основании анализа орбиты видимой звезды можно оценить минимально возможную массу невидимого спутника. В случае системы Лебедь X-1 она составляет шесть масс Солнца, что, согласно расчетам Чандрасекара, слишком много для белого карлика. Эта масса также превышает предельную массу нейтронной звезды, и следовательно, похоже, что мы имеем дело с черной дырой.

Чтобы описать природу Лебедя X-1, предлагали и другие модели, без черных дыр, но они представляются не слишком правдоподобными. По-видимому, черная дыра – единственное по-настоящему естественное объяснение имеющихся наблюдений. Несмотря на это, мы с Кипом Торном из Калифорнийского технологического института заключили пари: я поручился, что в действительности в системе Лебедь X-1 никакой черной дыры нет! Для меня это был своего рода страховой полис. Я много сил потратил на изучение черных дыр. И все усилия будут напрасными, если окажется, что черных дыр не существует. Но в этом случае я мог бы утешиться тем, что выиграю пари, заработав четырехлетнюю подписку на журнал Private Eye. И хотя со времени нашего пари (1975 год) ситуация с Лебедем X-1 практически не изменилась, появившиеся с тех пор объемные наблюдательные данные говорят в пользу наличия черных дыр, и это заставило меня признать поражение. Я выплатил Кипу оговоренную сумму, достаточную для приобретения годовой подписки на журнал Penthouse, – к возмущению его эмансипированной жены.

Рис. 6.3

Мы располагаем также свидетельствами наличия нескольких других черных дыр в системах, подобных Лебедю X-1, в нашей Галактике и в двух соседних, называемых Магеллановыми облаками[22]. Но черных дыр почти наверняка куда больше. За долгую историю Вселенной множество звезд должны были израсходовать запасы ядерного топлива и коллапсировать. Вполне возможно, что черных дыр даже больше, чем видимых звезд, число которых оценивается примерно в сто миллиардов в одной только нашей Галактике. Дополнительная сила гравитационного притяжения столь большого числа черных дыр может объяснить наблюдаемую скорость вращения Млечного Пути: массы видимых звезд для этого недостаточно[23]. На основании некоторых расчетов предполагают также наличие куда более крупной черной дыры с массой около ста тысяч масс Солнца – в центре нашей Галактики. Звезды, оказавшиеся вблизи нее, будут разорваны разностью сил гравитационного притяжения, действующих на их части – ближайшие к галактическому центру и удаленные от него. Остатки таких звезд и сброшенный другими звездами газ падают в черную дыру. Как и в случае Лебедя X-1, газ по спирали приближается к ней и нагревается, хотя и не так сильно. Из-за меньшей температуры нагретое вещество в этом случае не испускает рентгеновского излучения, но оно вполне может объяснить природу очень компактного источника радио– и инфракрасного излучения, регистрируемого в центре нашей Галактики.

Считается, что черные дыры такого типа, но только еще более крупные – с массами около сотни миллионов солнечных, – находятся в центрах квазаров. Например, наблюдения за галактикой М87, выполненные космическим телескопом «Хаббл», показали, что она представляет собой газовый диск поперечником 130 световых лет, вращающийся вокруг центрального объекта с массой в два миллиарда солнечных. Это может быть только черная дыра. Падающее на сверхмассивную черную дыру вещество – это единственный возможный достаточно мощный источник, способный объяснить огромное количество энергии, излучаемой объектом. Вещество, падающее по спирали на черную дыру, заставляет вращаться саму дыру в том же направлении, в результате чего возникает магнитное поле, подобное земному. Вблизи черной дыры падающее вещество также порождает частицы сверхвысоких энергий. Интенсивность магнитного поля при этом настолько высока, что оно способно формировать из этих частиц струи, истекающие наружу вдоль оси вращения черной дыры, то есть в направлении ее северного и южного полюсов. И такие струи действительно наблюдаются у ряда галактик и квазаров. Можно также рассмотреть возможность существования черных дыр с массами, значительно уступающими солнечной. Такие объекты не могли образоваться в результате гравитационного коллапса, потому что их массы меньше чандрасекаровского предела: даже после исчерпания запасов термоядерного топлива давление внутри звезд с такими малыми массами вполне способно удерживать их от «схлопывания». Маломассивные черные дыры способны возникнуть только в результате сжатия вещества до высокой плотности под действием огромного внешнего давления. Такие условия предлагает очень крупная водородная бомба: физик Джон Уилер как-то рассчитал, что если собрать всю тяжелую воду Мирового океана, можно создать водородную бомбу, давление в центре которой будет достаточным для образования черной дыры. (Разумеется, в этом случае в живых не останется ни одного свидетеля!) Более правдоподобный сценарий – образование черных дыр малой массы в условиях высоких давлений и температур в очень ранней Вселенной. Они имели шанс возникнуть, только если ранняя Вселенная не была идеально однородной, потому что только небольшие области с повышенной плотностью могли сжаться и образовать черные дыры. И мы знаем, что в ранней Вселенной должны были быть неоднородности, потому что иначе сейчас вещество было бы распределено совершенно равномерно, а не сосредоточено в звездах и галактиках.

Могли ли из неоднородностей, наличие которых требуется для объяснения существования звезд и галактик, образоваться в существенном количестве «первичные» черные дыры? Это, совершенно очевидно, зависит от конкретных особенностей ранней Вселенной. Поэтому если бы нам удалось установить количество первичных черных дыр в настоящее время, это позволило бы многое узнать о начальных стадиях эволюции космоса. Первичные черные дыры с массами более миллиарда тонн (масса крупной горы) регистрируются только по их гравитационному воздействию на другое, видимое, вещество или на расширение Вселенной. Но, как мы узнаем в следующей главе, черные дыры в действительности не совсем черные: они светятся, как раскаленные объекты, и чем они меньше, тем свечение сильнее. Потому – парадоксальным образом – может оказаться, что обнаружить мелкие черные дыры легче, чем крупные!

Глава седьмая. Черные дыры не такие уж и черные

До 1970 года мои изыскания в области общей теории относительности касались в основном вопроса о том, существовала ли сингулярность в момент Большого взрыва. Но однажды вечерорм в ноябре того года, вскоре после рождения дочери Люси, я задумался о черных дырах, готовясь ко сну. Из-за моей болезни процесс это довольно медленный, поэтому у меня было много времени для размышлений. Тогда еще не существовало ясного представления о том, какие точки пространства-времени находятся внутри черной дыры, а какие – снаружи. Я уже обсуждал с Роджером Пенроузом идею определить черную дыру как множество событий, из которых невозможно уйти на большое расстояние, и это определение сейчас стало общепринятым. Оно означает, что граница черной дыры – горизонт событий – образована путями лучей света, которые и не сворачивают к сингулярности, и не могут покинуть черную дыру, оставаясь на грани между двумя «маршрутами» (рис. 7.1). Это напоминает попытку убежать от полицейских, когда преступник остается на шаг впереди, но при этом не в состоянии полностью избавиться от преследователей.

Рис. 7.1

Внезапно я понял, что пути этих лучей никогда не сблизятся друг с другом. Если бы это произошло, то рано или поздно они бы пересеклись. Это все равно что встретить другого беглеца, удирающего от полиции в противоположном направлении, – оба оказались бы в наручниках! (Или, в нашем случае, упали бы в черную дыру.) Но если бы черная дыра поглотила эти лучи, они не могли бы находиться на ее границе. Посему пути лучей на горизонте событий всегда должны быть параллельны друг другу или расходиться. Можно взглянуть на происходящее и с другого угла: горизонт событий, то есть границу черной дыры, можно сравнить с краем тени – тени неминуемой гибели. Если посмотреть на тень, которую отбрасывает предмет, освещенный удаленным источником, например Солнцем, то видно, что лучи света на краю тени не сближаются друг с другом.

Если пути лучей света, образующие горизонт событий – границу черной дыры, – никогда не сближаются, то площадь горизонта событий может оставаться неизменной или увеличиваться со временем, но ни в коем случае не уменьшаться. Ведь это означало бы, что как минимум часть лучей света на границе должны сближаться. В действительности площадь эта увеличивается каждый раз, когда вещество или излучение падают в черную дыру (рис. 7.2). А при столкновении или слиянии двух черных дыр и последующем образовании новой черной дыры площадь горизонта событий последней будет больше или равна сумме площадей горизонтов событий исходных черных дыр (рис. 7.3). Это свойство «неуменьшения» площади горизонта события накладывает важное ограничение на возможное поведение черных дыр. Я так разволновался из-за этого открытия, что той ночью почти не спал. На следующий день я позвонил Роджеру Пенроузу, и он согласился со мной. Вообще-то я думаю, что он уже знал об этом свойстве площади [горизонта событий]. Правда, он использовал немного иное определение черной дыры. Он не осознавал, что оба определения задают одни и те же границы черной дыры и, следовательно, одно и то же значение площади при условии, что черная дыра достигла состояния, которое не меняется со временем.

«Неуменьшение» площади черной дыры отсылает нас к понятию энтропии – физической величине, которая является мерой хаоса в системе. С точки зрения здравого смысла, если никак не вмешиваться в ход событий, то степень беспорядка имеет свойство увеличиваться. (Чтобы убедиться в этом, достаточно просто перестать заниматься ремонтом в доме!) Из беспорядка можно получить порядок (например, покрасить стены), но это потребует усилий и энергии, а значит, уменьшит количество «упорядоченной» энергии в нашем распоряжении.

Рис. 7.2

Рис. 7.3

Точная формулировка этой идеи известна как второе начало термодинамики. Закон гласит, что энтропия изолированной системы всегда возрастает и что при объединении двух систем энтропия объединенной системы больше суммы энтропий исходных систем. Рассмотрим, например, систему молекул газа в контейнере. Молекулы можно представить как маленькие бильярдные шарики, которые постоянно сталкиваются друг с другом и отскакивают от стенок емкости. Чем выше температура газа, тем быстрее движутся молекулы, тем, следовательно, чаще и сильнее они сталкиваются со стенками и тем выше создаваемое ими давление на стенки. Предположим, что первоначально молекулы были сосредоточены в левой стороне контейнера, отделенной перегородкой. Если убрать перегородку, молекулы будут стремиться заполнить обе половины контейнера. В какой-то момент они все случайно могут оказаться в правой или левой части контейнера, но намного больше вероятность того, что количество молекул в правой и левой частях будет практически одним и тем же. Такое состояние менее упорядоченное – или более неупорядоченное, – чем исходное состояние, когда молекулы находились с одной стороны. Поэтому говорят, что энтропия газа возросла. Аналогичным образом можно представить себе систему из двух контейнеров, один из которых содержит молекулы кислорода, а другой – молекулы азота. Если соединить контейнеры и убрать разделяющую их стенку, то молекулы кислорода и азота начнут смешиваться. Наиболее вероятно, что вскоре оба контейнера будет заполнять практически однородная смесь молекул кислорода и азота. Это состояние менее упорядоченное и поэтому характеризуется бóльшей энтропией, чем исходное состояние газов в двух отдельных контейнерах.

Второе начало термодинамики – в отличие, например, от ньютоновского закона гравитации и прочих физических законов – представляет особый случай: оно справедливо не всегда, а лишь в подавляющем большинстве случаев. Вероятность того, что все молекулы в первом контейнере некоторое время спустя окажутся в одной его половине, равна одному шансу из многих миллионов миллионов, но это все же может произойти. Однако появляется куда более простой способ нарушить второе начало термодинамики, когда под рукой имеется черная дыра: достаточно бросить туда некоторое количество вещества с большой энтропией, например контейнер с газом. В этом случае суммарная энтропия вещества вне черной дыры уменьшится. Конечно, можно сказать, что энтропия всего вещества, включая энтропию внутри черной дыры, и не подумает уменьшаться. Но ведь мы не можем заглянуть за горизонт событий и выяснить, какова энтропия заключенного за ним вещества. Было бы прекрасно, если бы у черной дыры был параметр, по которому внешний наблюдатель мог определить ее энтропию и который возрастал бы каждый раз, когда материя, несущая энтропию, падала в черную дыру.

Спустя некоторое время после вышеупомянутого открытия – того свойства, что площадь горизонта событий возрастает при попадании вещества в черную дыру, – аспирант Принстонского университета Яаков Бекенштейн предположил, что площадь горизонта событий может служить мерой энтропии черной дыры. При попадании вещества-носителя энтропии в черную дыру площадь ее горизонта событий возрастает, причем сумма энтропии вещества вне черных дыр и площадей горизонтов никогда не уменьшается.

Эта гипотеза, похоже, позволяла в большинстве случаев избежать нарушения второго начала термодинамики. Однако у нее был очень существенный недостаток. Если черная дыра обладает энтропией, то у нее должна также быть и температура. А тело с определенной температурой должно быть источником излучения определенной интенсивности. Повседневный опыт подсказывает, что если нагреть кочергу на огне, она докрасна раскаляется и излучает свет. При этом тела с более низкой температурой излучают тоже, но мы не замечаем этого, поскольку их излучение весьма слабое. Излучение – обязательное условие, помогающее избежать нарушения второго начала термодинамики. Поэтому черные дыры должны излучать. Но по самому определению черные дыры – это объекты, ничего не возвращающие в мир за своими пределами. Поэтому площадь горизонта событий черной дыры не может считаться ее энтропией. В 1972 году мы вместе с Брэндоном Картером и американским коллегой Джимом Бардином написали статью, в которой обратили внимание, что несмотря на большое сходство между энтропией и площадью горизонта событий, имеет место упомянутая выше неразрешимая проблема. Должен признаться, что я писал эту статью, в частности, под влиянием своего недовольства Бекенштейном, который, как мне казалось, превратно понял суть открытого мной увеличения площади горизонта событий. Но оказалось, что он в целом был прав, хотя его мысль обрела неожиданное для него самого звучание.

В сентябре 1973 года я посетил Москву, где беседовал о черных дырах с ведущими советскими учеными – Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. Они убедили меня, что согласно принципу неопределенности квантовой механики вращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы. Их доводы показались мне убедительными с физической точки зрения, но мне не понравились математические приемы, которыми Зельдович и Старобинский пользовались для описания свойств этого излучения. Поэтому я занялся разработкой более совершенной математической методики и в конце ноября 1973 года представил ее на неформальном семинаре в Оксфорде. В то время я еще не выполнил расчеты и не определил фактическое количество излучаемых частиц. Я ожидал получить именно то излучение, которое Зельдович и Старобинский предсказали в случае вращающихся черных дыр. Завершив вычисления, к удивлению и досаде, я обнаружил, что даже невращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы с постоянным темпом. Сначала я решил, что полученное излучение свидетельствовало о недопустимости одного из приближений, к которым мне пришлось прибегнуть. Я опасался, что если об этом узнает Бекенштейн, он будет использовать это как довод в пользу своих идей об энтропии черной дыры, которая мне очень не нравилась. Но чем больше я размышлял над этим, тем больше укреплялся во мнении, что мои приближения верны. Окончательно в реальности излучения меня убедил тот факт, что вычисленный спектр излученных частиц в точности соответствовал спектру излучения нагретого тела и что черная дыра излучала частицы как раз с таким темпом, при котором не нарушалось второе начало термодинамики. С тех пор разные люди в разных формах выполнили те же расчеты. И они подтвердили, что черная дыра должна испускать частицы и излучение точно так, как если бы она представляла собой нагретое тело, температура которого зависит только от его массы: чем больше масса, тем ниже температура.

Как же черная дыра умудряется испускать частицы, когда известно, что ничто не может уйти из-под ее горизонта событий? Квантовая механика отвечает на этот вопрос так: частицы появляются не из «нутра» черной дыры, а из «пустого» пространства сразу за горизонтом событий. Это следует понимать следующим образом: пространство, которое мы считаем «пустым», не может быть таковым в действительности, потому что это означало бы, что все поля, включая электромагнитное и гравитационное, должны быть равны нулю. Но величина поля и скорость его изменения со временем сходны с положением и скоростью частицы: согласно принципу неопределенности чем точнее одна из этих величин, тем с меньшей точностью мы можем рассчитать другую. Так, в «пустом» пространстве поле не может быть в точности равно нулю, поскольку в этом случае оно имело бы точное значение (нулевое) и точную скорость изменения (тоже нулевую). Величина поля должна содержать некоторую минимальную неопределенность, или квантовые флуктуации. Эти флуктуации можно рассматривать как пары частиц света или гравитации, которые совместно рождаются в некоторое время, расходятся, а затем снова сходятся и взаимно аннигилируют. Это виртуальные частицы, аналогичные тем, что переносят гравитационную силу Солнца: в отличие от реальных частиц, их невозможно обнаружить непосредственно – с помощью детектора частиц. Но их косвенные проявления – например, небольшие изменения энергии орбит электронов в атомах – поддаются измерению и замечательно согласуются с теоретическими предсказаниями. Из принципа неопределенности также следует возникновение сходных виртуальных пар частиц вещества, таких как электроны и кварки. Но в этом случае один из членов пары должен быть частицей, а второй – античастицей (античастицы света и гравитации совпадают с соответствующими частицами).

Поскольку энергия не может возникать из ничего, то один из членов пары частица – античастица должен иметь положительную энергию, а другой – отрицательную. Обладателю отрицательной энергии суждено быть короткоживущей виртуальной частицей, потому что в нормальных условиях энергия реальных частиц всегда положительна. Посему частице с отрицательной энергией предстоит найти партнера, а им обоим впоследствии – взаимно аннигилировать. Но энергия реальной частицы вблизи массивного тела меньше, чем у частицы на большом удалении, поскольку ее перемещение вдаль в условиях гравитационного притяжения тела требует затрат энергии. В обычных условиях энергия частицы все же остается положительной, но гравитационное поле внутри черной дыры настолько сильно, что даже энергия реальной частицы внутри нее может оказаться отрицательной. Поэтому в присутствии черной дыры виртуальная частица с отрицательной энергией вполне может упасть в нее и превратиться там в реальную частицу или античастицу. В этом случае она больше не обязана взаимно аннигилировать со своей парой. Покинутый партнер может также упасть в черную дыру или, если он обладает положительной энергией, покинуть ее окрестности в виде реальной частицы или античастицы (рис. 7.4). Удаленный наблюдатель примет эту частицу за излученную черной дырой. Чем меньше черная дыра, тем меньшее расстояние частица с отрицательной энергией должна пройти, прежде чем стать реальной, и следовательно, тем выше темп излучения – а также эффективная температура – черной дыры.

Положительная энергия исходящего излучения уравновешивается потоком частиц отрицательной энергии, направленным внутрь черной дыры. В соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc^2 (где E – энергия, m – масса, а c – скорость света) энергия пропорциональна массе. Следовательно, поток отрицательной энергии в черную дыру приводит к уменьшению ее массы. По мере уменьшения массы уменьшается и площадь горизонта событий, однако уменьшение энтропии черной дыры в полной мере компенсируется энтропией испускаемого ею излучения, и таким образом, второе начало термодинамики не нарушается.

Рис. 7.4

Более того, чем меньше масса черной дыры, тем выше ее температура. То есть по мере того как черная дыра теряет массу, ее температура и интенсивность излучения возрастают, из-за чего, в свою очередь, возрастает темп потери массы. Не совсем понятно, что произойдет, когда масса черной дыры станет чрезвычайно малой, но согласно наиболее правдоподобному предположению она просто исчезнет, вспыхнув с мощностью, эквивалентной мощности миллионов водородных бомб[24].

Температура черной дыры с массой в несколько солнечных будет всего на одну десятимиллионную градуса выше абсолютного нуля. Это намного ниже температуры реликтового излучения, которым заполнена Вселенная (2,7 градуса выше абсолютного нуля). А потому черные дыры излучают меньше энергии, чем поглощают. Если Вселенной суждено расширяться вечно, то температура реликтового излучения в какой-то момент опустится ниже температуры черной дыры, которая после этого начнет терять массу. Но даже тогда температура черной дыры будет настолько низкой, что для ее полного испарения потребуется миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов лет (единица с шестьюдесятью шестью нулями). Это намного больше возраста Вселенной, который составляет от десяти до двадцати миллиардов (единица или двойка с десятью нулями) лет[25]. С другой стороны, как мы отметили в шестой главе, вполне могут существовать первичные черные дыры куда меньшей массы, возникшие в результате коллапса неоднородностей в ранней Вселенной. Такие черные дыры могут иметь более высокую температуру и должны излучать с большей интенсивностью. Время жизни первичной черной дыры с начальной массой в миллиард тонн должно быть сравнимо с возрастом Вселенной. Первичные черные дыры с меньшей начальной массой должны были полностью испариться, а черные дыры тяжелее этого порога должны продолжать излучать в рентгеновском и гамма-диапазонах. Рентгеновское и гамма-излучение – это такие же волны, как и видимый свет, но куда короче. Соответствующие дыры едва ли можно назвать черными: они раскалены добела, и мощность их излучения составляет около десяти гигаватт.

Одна такая черная дыра могла бы заменить десяток больших электростанций, если бы мы только сумели поставить ее энергию себе на службу. Но это задача не из легких: такой объект – это масса целой горы, сжатая до размеров атомного ядра. То есть его размер немного превышает одну триллионную долю сантиметра! Такую черную дыру невозможно было бы удержать на поверхности Земли – она тут же провалилась бы сквозь пол и понеслась к центру планеты. Совершив ряд колебаний вдоль земного диаметра, она остановилась бы в самом центре. Так что если бы мы вознамерились использовать черную дыру в качестве источника энергии, нам не осталось бы ничего другого, кроме как поместить ее на околоземную орбиту. А чтобы отбуксировать ее туда, нужно гравитационное притяжение большой массы, которую придется двигать перед черной дырой – как морковку перед ослом. Такое решение не отличается практичностью и едва ли будет претворено в жизнь, во всяком случае, в ближайшем будущем.

Даже если нам не удастся приручить излучение первичных черных дыр, то каковы наши шансы обнаружить и наблюдать их? Можно пытаться обнаружить гамма-излучение, которое первичные черные дыры испускают на протяжении большей части своей жизни. Хотя излучение большинства таких объектов по отдельности должно быть очень слабым из-за внушительного расстояния, которое отделяет их от нас, суммарное излучение вполне можно зарегистрировать. И такой гамма-фон действительно наблюдается: на рисунке 7.5 показано, как меняется наблюдаемая интенсивность гамма-излучения в зависимости от частоты (то есть количества волн в секунду). Однако такой фон мог быть – и вероятно, является – следствием иных процессов, не связанных с первичными черными дырами. Пунктирная линия на рисунке 7.5 демонстрирует, как должна меняться интенсивность при различных частотах гамма-излучения, испускаемого первичными черными дырами, если плотность этих объектов составляет в среднем 300 черных дыр на один кубический световой год. Поэтому можно сказать, что наблюдения гамма-фона не свидетельствуют напрямую о существовании первичных черных дыр, но говорят нам, что в среднем на каждый кубический световой год во Вселенной не может приходиться более 300 таких объектов. Этот предел означает, что на первичные черные дыры может приходиться не более одной миллионной доли всего вещества во Вселенной.

При такой относительной немногочисленности первичных черных дыр вряд ли мы можем рассчитывать на то, что одна из них окажется поблизости и что можно будет наблюдать ее как отдельный источник гамма-излучения. Но поскольку под действием тяготения первичные черные дыры должны притягиваться к любому веществу, они должны значительно чаще встречаться внутри галактик и в их окрестностях. Стало быть, несмотря на указание гамма-фона на то, что в среднем плотность черных дыр не должна превышать 300 объектов на кубический световой год, из этого нельзя сделать никаких выводов о том, насколько часто такие черные дыры встречаются в нашей Галактике. Если, скажем, их плотность была бы даже в миллион раз больше, то ближайшая черная дыра располагалась бы на расстоянии примерно одного миллиарда километров, то есть почти так же далеко, как самая далекая из известных планет – Плутон[26]. На этом расстоянии обнаружить постоянное излучение черной дыры было бы еще очень нелегко, даже если бы его мощность составляла десять гигаватт. Для наблюдения первичной черной дыры потребовалось бы зарегистрировать несколько гамма-квантов, приходящих с одного направления за разумное время, – например, за неделю. В противном случае они могут оказаться просто частью фона. Но согласно квантовому принципу Планка энергия гамма-кванта очень велика из-за высокой частоты, поэтому даже при мощности в десять гигаватт число излучаемых гамма-квантов будет не очень велико. Чтобы зарегистрировать те несколько из них, что приходят с расстояния Сатурна[27], потребуется детектор гамма-излучения, превышающий по размеру любой из ныне существующих. К тому же этот детектор придется разместить в космосе, так как гамма излучение не может проникнуть в в земную атмосферу.

Рис. 7.5

Разумеется, если черная дыра на расстоянии Сатурна завершит свою эволюцию и взорвется, то финальную вспышку излучения обнаружить будет нетрудно. Но если черная дыра излучала на протяжении последних десяти или двадцати миллиардов лет, то вероятность того, что ее жизнь подойдет к концу в ближайшие несколько лет – то есть что это не случилось несколько миллионов лет назад или не случится через несколько миллионов лет – крайне мала! А потому, чтобы получить шанс стать свидетелем взрыва первичной черной дыры до истечения срока гранта на исследования, придется найти способ регистрировать вспышки на расстоянии около одного светового года. Вообще говоря, космические вспышки гамма-излучения были зафиксированы спутниками, должными отслеживать нарушения договора о запрещении ядерных испытаний. Такие вспышки случаются в среднем 16 раз в месяц и относительно равномерно распределены по небу. Это означает, что источники вспышек находятся вне Солнечной системы, так как иначе вспышки концентрировались бы к плоскости орбит планет. Равномерное распределение также свидетельствует о том, что источники вспышек либо расположены сравнительно близко от нас в нашей Галактике, либо находятся сразу за пределами Галактики на космологических расстояниях, так как в противном случае они концентрировались бы к плоскости галактики. В последнем случае энергия вспышек оказывается слишком большой, чтобы их причиной можно было считать маленькие черные дыры. Вместе с тем, если источники расположены рядом по галактическим меркам, существует кое-какая вероятность, что это взрывающиеся черные дыры. Я был бы очень рад, если бы это было так, но должен признать, что существуют и другие возможные объяснения вспышек гамма-излучения, такие как столкновения нейтронных звезд. Новые наблюдения, которые запланированы на ближайшие несколько лет, – в особенности на детекторах гравитационных волн вроде LIGO, – должны помочь нам установить происхождение гамма-вспышек.

Даже если результат поисков первичных черных дыр будет отрицательным – что представляется вполне вероятным, – мы все же получим важную информацию о ранних этапах эволюции Вселенной. Если бы у истоков космоса царил хаос, если Вселенная была неоднородной или если давление вещества в ней было низким, то число возникших первичных черных дыр превышало бы предел, установленный наблюдениями гамма-фона. Отсутствие должного количества первичных черных дыр можно объяснить, только предположив, что ранняя Вселенная была однородной, а давление вещества – высоким.

Идея об излучении черных дыр – это первый прогноз, который в существенной мере опирается на обе великие теории XX века – общую теорию относительности и квантовую механику. Вначале она встретила сильное сопротивление, потому что была покушением на устоявшуюся точку зрения: как черные дыры вообще могут что-либо излучать? Когда я впервые рассказал о результатах своих расчетов на конференции в Лаборатории Резерфорда – Эплтона под Оксфордом, слушатели отреагировали скептически. По завершении моего доклада председательствовавший на заседании Джон Тейлор из Королевского колледжа Лондона резюмировал, что все это чепуха. Он даже написал по этому поводу статью. Но в конце концов большинство исследователей, включая Джона Тейлора, пришли к выводу, что если наши представления об общей теории относительности и квантовой механике верны, то черные дыры должны излучать, подобно нагретым телам. И хотя нам пока не удалось обнаружить первичную черную дыру, научное сообщество в целом пришло к согласию, что если такой объект будет обнаружен, он должен быть источником интенсивного гамма– и рентгеновского излучения.

То обстоятельство, что черные дыры способны излучать, по-видимому, означает, что гравитационный коллапс не так уж и необратим и бескомпромиссен, как считалось раньше. Если астронавт упадет в черную дыру, масса дыры возрастет, но энергетический эквивалент дополнительной массы в конце концов возвратится во Вселенную в виде излучения. Таким образом, в некотором смысле астронавт получит вторую жизнь. Правда, это будет не очень-то приятная форма бессмертия, потому что личные представления астронавта о времени почти наверняка потеряют актуальность, когда его тело разорвет на части внутри черной дыры! Даже типы частиц, впоследствии излученных черной дырой, будут в целом отличаться от тех, из которых состоял астронавт, – от него останется лишь масса или энергия.

Приближения, которые я использовал при расчете излучения черных дыр, должны быть применимы к черным дырам с массами больше доли грамма. Однако они не работают на завершающем этапе эволюции черной дыры, когда ее масса становится крайне малой. Наиболее вероятно, что черная дыра попросту исчезнет – во всяком случае из нашей области Вселенной – вместе с астронавтом и всякой заключенной в ней сингулярностью, если такая там действительно была.

Такой вывод был первым свидетельством того, что квантовая механика может устранить сингулярности, предсказанные общей теорией относительности. Но те методы, которые я и другие ученые использовали в 1974 году, не могли дать ответ на многие важные вопросы, в том числе о том, возникнут ли сингулярности снова в квантовой теории гравитации. Начиная с 1975 года я стал разрабатывать более действенный подход к теории квантовой гравитации, основанный на фейнмановской сумме по траекториям. Полученные в рамках этого подхода выводы о происхождении и судьбе Вселенной, а также о ее содержимом – например астронавтах, – рассмотрены в следующих двух главах. Мы увидим, что хотя принцип неопределенности накладывает ограничения на точность наших предсказаний, он в то же время способен побороть принципиальную непредсказуемость пространственно-временной сингулярности.

Глава восьмая. Происхождение и судьба Вселенной

Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что пространство-время началось в сингулярности Большого взрыва и завершится либо в сингулярности Большого сжатия (в случае коллапса всей Вселенной), либо в сингулярности внутри черной дыры (в случае локального коллапса, например звезды[28]). Любое вещество, упавшее в черную дыру, будет уничтожено в сингулярности, и единственное, что будет доступно восприятию стороннего наблюдателя, – гравитационное влияние его массы. С другой стороны, если учесть квантовые эффекты, похоже, что или масса, или энергия вещества рано или поздно возвратятся во Вселенную, а черная дыра вместе с заключенной в ней сингулярностью испарится и прекратит свое существование. Так может ли квантовая механика иметь столь же фундаментальные последствия для сингулярностей Большого взрыва и Большого сжатия? Что на самом деле происходит на самых ранних и самых поздних стадиях эволюции Вселенной, когда гравитационные поля настолько сильны, что квантовыми эффектами невозможно пренебрегать? Было ли у Вселенной начало и есть ли у нее конец? И если да, то что они собой представляют?

На протяжении 1970-х годов я в основном занимался изучением черных дыр, но в 1981 году вновь заинтересовался вопросами происхождения и судьбы Вселенной. Толчком послужила организованная орденом иезуитов космологическая конференция в Ватикане, в которой я принимал участие. Католическая церковь совершила грубую ошибку, известным образом распорядившись судьбой Галилея: она попыталась навязать свое мнение по научному вопросу, провозгласив, что Солнце обращается вокруг Земли. Теперь, спустя столетия, она решила пригласить специалистов, чтобы посоветоваться с ними по вопросам космологии. В конце конференции участники были удостоены аудиенции папы. По его словам, нет ничего плохого в том, чтобы исследовать эволюцию Вселенной после Большого взрыва, но не следует пытаться разобраться в природе самого Большого взрыва, ибо это был момент творения и, следовательно, дело Божие. Я был рад, что он не знал о теме моего доклада на конференции. Ведь я только что рассуждал о возможности конечного, но безграничного пространства-времени, а это означало, что начала и момента творения как такового не существует. У меня не было желания разделить судьбу Галилея, с которым я ощущаю глубокую внутреннюю близость, в частности потому, что родился ровно через 300 лет после его смерти!

Чтобы разъяснить идеи, которых я и другие исследователи придерживались в вопросе влияния квантовой механики на происхождение и судьбу Вселенной, следует прежде всего разобраться, что согласно общепринятой точке зрения представляет собой история Вселенной, эволюционировавшей в соответствии с так называемой «горячей» моделью Большого взрыва. Эта концепция предполагает, что Вселенная описывается одной из моделей Фридмана, начиная с момента Большого взрыва. Такие модели исходят из того, что Вселенная расширяется и что ее расширение сопровождается остыванием содержащихся в ней вещества и излучения[29]. (При удвоении размера Вселенной температура ее уменьшается вдвое.) Поскольку температура – мера средней энергии или скорости частиц, остывание Вселенной должно существенно сказываться на веществе. При очень высоких температурах частицы во Вселенной движутся так быстро, что легко уходят друг от друга: их не удерживает взаимное притяжение, вызванное электромагнитными или ядерными силами. По мере остывания частицы начинают притягиваться друг к другу и образовывать структуры. Более того, сами типы представленных во Вселенной частиц зависят от температуры. При относительно высоких температурах энергии частиц настолько велики, что при каждом их столкновении образуются разнообразные пары частица – античастица. И хотя некоторые из частиц аннигилируют при столкновении с соответствующими античастицами, скорость их рождения превышает скорость аннигиляции. При более низких температурах, когда сталкивающиеся частицы обладают меньшей энергией, темп рождения пар частица – античастица куда ниже, и аннигиляция протекает интенсивнее, чем рождение пар.

Считается, что в момент Большого взрыва Вселенная имела нулевой размер и поэтому была бесконечно горячей. Но по мере расширения Вселенной температура излучения уменьшалась. Через одну секунду после Большого взрыва она упала примерно до 10 миллиардов градусов. То есть ранняя Вселенная была примерно в 1000 раз горячее, чем вещество в центре Солнца, и примерно такая же горячая, как нутро взорвавшейся водородной бомбы. В это время Вселенная состояла в основном из фотонов, электронов, нейтрино (чрезвычайно легкие частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и соответствующих античастиц вместе с протонами и нейтронами. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а ее температура падала, столкновения, приводящие к рождению пар электрон – позитрон, стали происходить реже, чем их исчезновения в результате аннигиляции. Таким образом большинство электронов и позитронов аннигилировали, породив дополнительные фотоны, а электронов осталось сравнительно немного. Нейтрино и антинейтрино взаимодействуют друг с другом и с другими частицами очень слабо и поэтому не аннигилируют. Следовательно, они должны встречаться и в настоящее время. Если бы мы только могли их обнаружить, то сумели бы проверить описанную выше картину начала Вселенной, ее «горячей» стадии. К сожалению, за миллиарды лет энергии нейтрино и антинейтрино тоже настолько снизились, что стали недостаточными для непосредственного наблюдения. Правда, если у этих частиц есть ненулевая масса покоя, о чем свидетельствуют результаты некоторых недавних экспериментов[30], то их можно зарегистрировать с помощью косвенных методов: они могут оказаться одной из форм темной материи, о которой упоминалось выше, – гравитационного притяжения которой может оказаться достаточно, чтобы остановить расширение Вселенной и заставить ее снова «схлопнуться».

Примерно через 100 секунд после Большого взрыва температура Вселенной упала до миллиарда градусов, что примерно соответствует температуре в недрах самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже недостаточно, чтобы сопротивляться сильному ядерному взаимодействию, и они начинают объединяться в ядра атомов дейтерия (тяжелого водорода), состоящие из одного протона и одного нейтрона. Затем ядра дейтерия соединяются с другими протонами и нейтронами, образуя ядра гелия, которые включают два протона и два нейтрона, а также небольшое количество ядер более тяжелых элементов – лития и бериллия. Согласно расчетам для модели горячего Большого взрыва примерно четверть протонов и нейтронов должны были превратиться в ядра гелия, а также в небольшое количество ядер тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются, превращаясь в протоны – ядра обычных атомов водорода.

Эту модель горячей ранней стадии Вселенной предложил Георгий Гамов в своей знаменитой статье, написанной в 1948 году совместно с его аспирантом Ральфом Альфером. У Гамова было своеобразное чувство юмора – он уговорил физика-ядерщика Ханса Бете прибавить свое имя к списку авторов, чтобы получилось «Альфер, Бете, Гамов» – совсем как три первые буквы греческого алфавита – альфа, бета, гамма. И это так подходило для статьи о возникновении Вселенной! Авторы той статьи сделали замечательное предсказание, согласно которому излучение (фотоны) от самых ранних стадий Вселенной должно присутствовать вокруг нас и сегодня, но его температура должна быть лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля (–273° С). Как раз это микроволновое излучение Пензиас и Уилсон обнаружили в 1965 году. Когда Альфер, Бете и Гамов опубликовали свою статью, о ядерных реакциях протонов и нейтронов мало что было известно. Поэтому предсказанные ими соотношения различных элементов в ранней Вселенной весьма неточны. Но впоследствии эти расчеты выполнили вновь с учетом новых данных, и теперь они великолепно согласуются с результатами наблюдений. К тому же трудно придумать другое объяснение тому, почему во Вселенной так много гелия. А потому мы вполне уверены, что сумели создать верную картину, во всяком случае, тех событий, которые разворачивались спустя секунду после Большого взрыва и позднее.

Всего через несколько часов после Большого взрыва синтез гелия и других элементов прекращается. На протяжении следующего миллиона лет Вселенная расширяется, и ничего особенного не происходит. Когда наконец температура падает до нескольких тысяч градусов, энергии электронов и атомных ядер оказывается уже недостаточно для преодоления взаимного электромагнитного притяжения, и они начинают объединяться в атомы. Вселенная как целое продолжает расширяться и остывать, тогда как в областях повышенной плотности расширение замедляется из-за дополнительного гравитационного притяжения. Под действием этой силы расширение местами полностью прекращается и сменяется сжатием. По мере сжатия плотные области могут начать закручиваться под действием тяготения вещества, расположенного за их пределами. Размер коллапсирующей области уменьшается и попутно ускоряется ее вращение – совсем как у фигуристов на льду, когда они прижимают руки к груди. Наконец, когда сжимающаяся область обретает достаточно малый объем, скорость вращения возрастает настолько, что уравновешивает силу притяжения, – именно так возникли дискообразные вращающиеся галактики. Другие области, которые не успели достаточно быстро закрутиться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Их сжатие останавливается, поскольку отдельные части галактики начинают обращаться вокруг центра по [случайно ориентированным] устойчивым орбитам, притом что галактика в целом не вращается[31].

В дальнейшем газовая водородно-гелиевая среда в галактиках начинает постепенно распадаться на менее крупные облака, которые коллапсируют под действием собственного тяготения. По мере их сжатия и столкновений атомов, из которых они состоят, температура газа начинает расти, пока наконец не достигнет величины, достаточной для начала реакций термоядерного синтеза. В результате этих реакций часть водорода превращается в гелий, а выделяемое при этом тепло приводит к повышению давления до уровня, достаточного, чтобы остановить дальнейшее сжатие облака. Облако остается в устойчивом состоянии в течение долгого времени, пока в недрах звезд, схожих с нашим Солнцем, продолжаются термоядерные реакции, сопровождающиеся превращением водорода в гелий и излучением выделяющейся при этом энергии в виде света и тепла. Чтобы уравновесить более сильное гравитационное притяжение массивных звезд, температура в их недрах должна быть выше, из-за чего ядерные реакции протекают быстрее и запасы водорода оказываются исчерпанными за какую-то сотню миллионов лет. После этого звезда слегка сжимается, нагревается еще сильнее и начинает перерабатывать гелий в более тяжелые элементы вроде углерода и кислорода. Правда, при этом вырабатывается не так много энергии, и оттого наступает кризис, описанный в главе про черные дыры. Мы еще не до конца понимаем дальнейший ход событий, но, по-видимому, центральные области звезды коллапсируют до очень плотного состояния, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру. Иногда звезда при этом отбрасывает внешние слои в результате чудовищного взрыва – так называемой вспышки сверхновой: тогда светимость звезды в разы превышает светимость прочих звезд галактики. Некоторые из тяжелых элементов, синтезированных в конце жизни звезды, выбрасываются вовне, перемешиваясь с газом в галактике, – это сырье пойдет на производство следующего поколения звезд. В Солнце содержится примерно 2 % таких тяжелых элементов, потому что это звезда второго или третьего поколения, родившаяся около 5 миллиардов лет назад из вращающегося газового облака, хранящего остатки вещества ранее вспыхнувших сверхновых. Большая часть газа этого облака пошла на образование Солнца или была выдута наружу, но небольшое количество относительно тяжелых элементов сконцентрировалось в сгустки, из которых сформировались тела, сейчас обращающиеся вокруг Солнца, – планеты.

Первоначально Земля была очень горячей и не имела атмосферы. Со временем наша планета остыла, и в результате выхода на поверхность газов из горных пород оформилась ее газообразная оболочка. Мы бы не выжили в первичной атмосфере Земли. В ней не было кислорода и при этом было много других, ядовитых газов, таких как сероводород (именно им пахнут протухшие яйца). Правда, некоторые примитивные формы могут припеваючи жить при таких условиях. Считается, что они зародились и развились в океане – возможно, в результате случайных комбинаций атомов, объединявшихся в большие структуры – так называемые макромолекулы, способные обеспечить дальнейшую сборку других атомов в океане в подобные структуры. Они стали воспроизводить себя и множиться. В некоторых случаях воспроизведение было сопряжено с ошибками. Чаще всего из-за них макромолекула теряла способность к самовоспроизведению и со временем разрушалась, но вследствие некоторых ошибок синтезировались новые макромолекулы, которые воспроизводили себя более эффективно. Это дало им определенные преимущества, и со временем они вытеснили исходные макромолекулы. Таким образом начался процесс эволюции: на Земле возникали все более сложные самовоспроизводящиеся организмы. Первые примитивные формы жизни питались разнообразными веществами, включая сероводород, и выделяли кислород. В результате состав атмосферы постепенно менялся, приближаясь к современному, сделавшему возможным появление и развитие более высокоорганизованных форм жизни – рыб, пресмыкающихся, млекопитающих и, в конце концов, человека.

Такая картина Вселенной – горячей при рождении и остывавшей по мере расширения – согласуется со всеми имеющимися на данный момент наблюдательными данными. Тем не менее она оставляет без ответа ряд важных вопросов[32].

Почему ранняя Вселенная была такой горячей?

Почему Вселенная столь однородна на больших масштабах? Почему она выглядит одинаковой в любой точке пространства и в любом направлении? А в частности, почему температура микроволнового реликтового излучения почти одинакова во всех направлениях? Это чем-то напоминает экзамен в университете. Если все студенты дают абсолютно одинаковые ответы, то можете быть совершенно уверены: они успели договориться об этом заранее. Но в описанной выше модели с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы свет успел дойти из одной удаленной области до другой, даже если в эпоху ранней Вселенной эти области находились совсем близко друг к другу. По теории относительности, если свет не успевает пройти из одной области в другую, то никакой другой информации это также не под силу. Значит, температура в разных областях ранней Вселенной никак не могла достичь одного уровня, если только по некой неясной причине она не была одинаковой изначально.

Почему Вселенная начала быть и расширяться со скоростью, настолько близкой к критической – балансирующей на грани между моделями с последующим сжатием и с бесконечным расширением, – что даже сейчас, спустя десять миллиардов лет, расширение происходит почти с той же стремительностью? Если бы через секунду после Большого взрыва скорость расширения Вселенной была всего на одну стоквадриллионную долю меньше, то Вселенная сжалась бы, не успев разрастись до современного размера.

Хотя Вселенная весьма однородна на больших масштабах, в ней есть локальные неоднородности вроде звезд и галактик. Считается, что они образовались из-за небольших расхождений по плотности между разными областями в ранней Вселенной. Но какова природа этих флуктуаций плотности?

Общая теория относительности сама по себе не может объяснить этих парадоксов и дать ответы на эти вопросы – поскольку постулирует, что Вселенная родилась из вещества с бесконечной плотностью в сингулярности Большого взрыва. В условиях сингулярности ОТО и все прочие законы физики не работают: никому не под силу предсказать, что таит или сулит такой объект. Как объяснялось выше, Большой взрыв и все события до него можно просто-напросто выбросить из теории, поскольку они совершенно никак не влияют на то, что мы наблюдаем сейчас. Стало быть, пространство-время должно иметь границу – начало в точке Большого взрыва.

Похоже, наука сформулировала набор законов природы, которые – насколько позволяет принцип неопределенности – задают эволюцию Вселенной со временем при условии, что нам известны ее параметры в любой выбранный момент времени. Эти законы могли быть первоначально установлены Богом, но похоже, что сразу после этого Бог предоставил Вселенную саму себе, и она продолжила развиваться по ниспосланным Творцом директивам безо всякого Его вмешательства. Но как он выбрал начальное состояние и конфигурацию Вселенной? Каковы были граничные условия в начале времен?

Ответить на этот вопрос можно так: Бог выбрал начальную конфигурацию Вселенной, руководствуясь соображениями, которые нам не дано постичь. Это, без сомнения, вполне по силам всемогущему существу… Но если Бог дал жизнь Вселенной столь непонятным образом, то почему Он позволил ей эволюционировать в соответствии с законами, которые мы смогли понять? Вся история науки представляет собой постепенное осознание того, что ничто в мире не происходит произвольным образом и что происходящие события отражают некий глубинный строй, который мог быть установлен Богом – но мог и не быть. Вполне естественно предположить, что этот строй касается не только законов, но и условий на границе пространства-времени, которые определяют начальное состояние Вселенной. Может существовать множество моделей Вселенной с разными начальными условиями, и все они будут подчиняться физическим законам. Но должен быть некий принцип, который указывает на единственное начальное состояние, а следовательно, на одну модель нашей Вселенной.

Одна из возможностей – это так называемые хаотичные граничные условия. В этом случае неявно подразумевается, что либо Вселенная бесконечна в пространстве, либо вселенных бесконечно много. В случае хаотичных граничных условий вероятность обнаружить любую конкретную область в пространстве в любой конкретной конфигурации сразу же после Большого взрыва в некотором смысле такая же, как и вероятность обнаружить ее в любой другой конфигурации: начальное состояние Вселенной выбирается совершенно случайным образом. Это означает, что ранняя Вселенная, скорее всего, была хаотична и неоднородна, потому что таких конфигураций Вселенной намного больше, чем однородных и упорядоченных. (Если все конфигурации равновероятны, то вернее всего, эволюция Вселенной началась с хаотичного и неупорядоченного состояния, просто потому что такие состояния сильно преобладают.) Непонятно, как такие хаотичные начальные условия могли дать начало столь однородной и упорядоченной на больших масштабах вселенной – такой, какова наша Вселенная в настоящее время. Можно было бы ожидать, что флуктуации плотности в такой модели привели бы к образованию куда большего числа первичных черных дыр, чем допускает верхний предел, заданный наблюдениями гамма-фона.

Если Вселенная действительно бесконечна в пространстве или если существует бесконечное множество вселенных, то где-нибудь могут существовать обширные области, начавшие эволюцию с однородного и упорядоченного состояния. Здесь можно вспомнить об орде обезьян, стучащих по клавиатурам пишущих машинок, – в большинстве случаев результатом такого набора будет полная бессмыслица, но изредка и по чистой случайности на листе можно будет прочесть сонет Шекспира. Проводя параллель со Вселенной – не может ли статься, что мы живем в области, которая по воле случая оказалась однородной? На первый взгляд это кажется совершенно невероятным, потому что однородных областей намного меньше, чем хаотичных и неупорядоченных. Но предположим, что только в однородных областях есть звезды и галактики, подходящие условия для возникновения сложных самовоспроизводящихся организмов вроде нас, которых может заинтересовать вопрос: почему Вселенная такая однородная? Это иллюстрация антропного принципа, который можно сформулировать так: мы видим Вселенную такой, какая она есть, потому что мы существуем.

Существуют две формулировки антропного принципа – слабая и сильная. Слабый антропный принцип гласит, что во Вселенной, которая достаточно протяженна или бесконечна в пространстве и/или во времени, необходимые условия для возникновения разумной жизни соблюдаются только в некоторых ограниченных во времени и пространстве областях. Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться тому, что в том месте Вселенной, где они живут, соблюдаются условия, необходимые для их существования. Примерно как состоятельный человек, который живет в хорошем районе и не видит бедности.

С помощью слабого антропного принципа, например, «объясняется», почему Большой взрыв произошел около десяти миллиардов лет назад: потому что примерно столько времени требуется для появления разумных существ. Как мы установили выше, сначала должно было образоваться первое поколение звезд. Эти звезды переработали часть исходных запасов водорода и гелия в элементы вроде углерода и кислорода, из которых мы состоим. Эти звезды после вспыхнули как сверхновые, и из остатков их вещества сформировались другие звезды и планеты, в том числе и тела Солнечной системы, возраст которых составляет около пяти миллиардов лет. На протяжении одного-двух миллиардов лет на Земле было слишком жарко для появления каких бы то ни было сложных организмов. В течение оставшихся трех миллиардов лет шел медленный процесс биологической эволюции от простейших организмов к существам, способным измерить время, прошедшее с момента Большого взрыва.

Мало кто станет оспаривать справедливость и полезность слабого антропного принципа. Некоторые мыслители однако пошли дальше, предложив сильную его версию. В согласии с этой теорией существует либо множество разных вселенных, либо в пределах одной вселенной имеется множество разных областей, каждая с индивидуальной начальной конфигурацией и индивидуальным набором законов природы. Условия в большинстве этих областей не совместимы с возникновением сложных организмов, и только в небольшом числе вселенных, похожих на нашу, рождаются разумные существа и в свое время задают вопрос: «Почему Вселенная такова, какой мы ее видим?» Ответ прост: если бы она была иной, нас бы в ней не было!

Как мы знаем, законы природы диктуют много фундаментальных параметров вроде величины заряда электрона и отношения масс электрона и протона. Мы не можем, по крайней мере пока, предсказать эти числа теоретически и должны исходить из наблюдений. Быть может, однажды мы создадим полную единую теорию, которая продиктует нам значения всех этих величин, но не исключено, что некоторые из них – или даже все они – меняются от вселенной к вселенной или в пределах одной вселенной. Удивительно, что эти числа замечательно согласуются друг с другом, чтобы обеспечить возможность зарождения жизни. Например, если бы заряд электрона даже незначительно отличался от действительного, то звезды не могли бы «сжигать» водород и гелий или не могли бы взрываться. Разумеется, можно попробовать вообразить другие формы разумной жизни – что не удалось даже писателям-фантастам, – которым не требуется свет звезды вроде Солнца или не нужны тяжелые элементы, синтезируемые в недрах звезд и выбрасываемые в межзвездное пространство при взрывах. Тем не менее ясно, что только в небольшом количестве узких диапазонов значений фундаментальных констант становится возможным возникновение какой бы то ни было формы разумной жизни. Большинство наборов значений характеризуют вселенные, которыми, несмотря на всю их предполагаемую красоту, некому восхититься. Это можно рассматривать либо как аргумент в пользу божественного замысла при творении и выборе законов природы, либо как подтверждение сильного антропного принципа.

Против сильного антропного принципа как объяснения наблюдаемого состояния Вселенной есть ряд возражений. Прежде всего, что мы имеем в виду, когда говорим, что все эти вселенные существуют? Если они действительно отделены друг от друга, то события в другой вселенной не имеют никаких видимых проявлений в нашей. Поэтому следует прибегнуть к принципу экономии и исключить другие вселенные из теории. С другой стороны, если речь идет лишь о различных областях в единой вселенной, то законы природы должны быть одинаковы во всех этих областях, потому что иначе мы не могли бы непрерывно перемещаться из одной области в другую. В этом случае области различаются только своими исходными конфигурациями, и сильный антропный принцип сводится к слабому.

Второе возражение против сильного антропного принципа состоит в том, что он противоречит самому ходу истории науки. Представления человека о мире эволюционировали от геоцентрической космологии Птолемея и его предшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея к современной картине мира, в которой Земля – это средних размеров планета, обращающаяся вокруг рядовой звезды во внешней части заурядной спиральной галактики – одной из триллионов галактик в наблюдаемой Вселенной. При этом сильный антропный принцип постулирует, что вся эта исполинская конструкция существует лишь для нас. В это очень трудно поверить. Разумеется, Солнечная система является одним из необходимых условий нашего существования, и этот вывод можно распространить и на всю нашу Галактику, – нужно обеспечить возможность формирования первого поколения звезд, породивших тяжелые элементы. Однако похоже, что нет никакой необходимости ни в других галактиках, ни в том, чтобы на больших масштабах Вселенная была так однородна и единообразна во всех направлениях.

Было бы легче примириться с антропным принципом, по крайней мере в его слабом варианте, если бы удалось показать, что внушительное множество различных начальных конфигураций вселенной в ходе эволюции приходят к состоянию, напоминающему наблюдаемое. Случись это, стало бы ясно, что вселенная, сформировавшаяся на основе некоторых случайным образом сложившихся начальных условий, должна содержать области, достаточно однородные и единообразные для зарождения разумной жизни. С другой стороны, если для основания мира, походящего на наблюдаемый, начальное состояние вселенной требовало тонкой настройки, то вероятность наличия во Вселенной обитаемой области была бы крайне мала. В вышеописанной модели горячего Большого взрыва тепло не успело бы перейти от одной области ранней вселенной к другой. Следовательно, в начальном состоянии температура должна была быть абсолютно одинаковой во всей вселенной: это объяснило бы наблюдаемое тождество температуры реликтового излучения во всех направлениях. К подбору исходной скорости расширения также пришлось бы подойти с осторожностью: скорость текущего расширения должна быть все еще достаточно близкой к критической, но не допускающей сжатия. Это означает, что начальное состояние вселенной действительно пришлось выбирать очень тщательно, если горячая модель Большого взрыва оставалась верной всегда. Было бы крайне трудно объяснить, почему у истоков Вселенная была именно такой, – разве что по воле Бога, пожелавшего создать существ, похожих на нас.

Алан Гут из Массачусетского технологического института предпринял попытку отыскать модель вселенной, в которой из разных начальных конфигураций формировался мир, примерно подобный нашему. Ученый предположил, что ранняя вселенная пережила период очень быстрого расширения[33]. Оно получило название инфляционного: имелось в виду, что в какой-то момент вселенная расширялась с ускорением, а не с замедлением, как в настоящее время[34]. Согласно Гуту, за ничтожную долю секунды радиус Вселенной увеличился в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз (единица с тридцатью нулями).

Гут выдвинул гипотезу о том, что вселенная после Большого взрыва пребывала в очень горячем и весьма хаотичном состоянии. Высокая температура предполагает, что частицы во вселенной двигались очень быстро и имели высокие энергии. Как мы обсуждали выше, при таких температурах сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия должны были быть единой силой. По мере расширения вселенная остывала, и энергии частиц уменьшались. В какой-то момент произошел так называемый фазовый переход, и симметрия между тремя видами взаимодействия оказалась нарушена: сильное взаимодействие разошлось со слабым и электромагнитным. Примером фазового перехода в обычной жизни может служить замерзание воды при ее охлаждении. Жидкая вода симметрична, одинакова во всех точках и во всех направлениях. Вместе с тем кристаллы льда находятся в определенных положениях и выстроены в определенном направлении. Таким образом, происходит нарушение симметрии воды.

Если действовать осторожно, воду можно «переохладить»: ее температуру можно опустить ниже точки замерзания (0 °С) так, что она не превратится в лед. По догадке Гута, вселенная могла вести себя похожим образом: ее температура могла опуститься ниже критического значения без нарушения симметрии между разными видами взаимодействия. Если бы это произошло, вселенная оказалась бы в неустойчивом состоянии с большей энергией, чем в случае нарушения симметрии. Можно доказать, что эта избыточная энергия проявила бы себя как антигравитация, – она действовала бы как космологическая постоянная, введенная Эйнштейном в общую теорию относительности при попытке построить статическую модель вселенной. Поскольку вселенная в этот момент расширялась по модели горячего Большого взрыва, вызванный космологической постоянной эффект отталкивания должен был привести к ускоренному расширению. Вызванное эффективной космологической постоянной отталкивание – даже в областях с повышенной концентрацией частиц вещества – оказалось бы сильнее гравитационного притяжения этого вещества. Таким образом, эти области тоже расширялись бы с инфляционным ускорением. В результате их расширения и разбегания частиц мы получили бы расширяющуюся вселенную в переохлажденном состоянии, в которой вещество практически отсутствует. Любые неоднородности во вселенной должны были выровняться в результате расширения, подобно тому как морщинки на воздушном шаре разглаживаются, когда мы надуваем его. Таким образом, из множества неоднородных начальных состояний могло получиться современное – однородное и единообразное.

В такой вселенной, где расширение ускоряется посредством космологической постоянной, а не замедляется гравитационным притяжением вещества, у света в ранней вселенной будет достаточно времени, чтобы пройти путь из одной области в другую. Таким образом решается проблема, с которой мы столкнулись выше, – проблема универсальности свойств разных областей ранней вселенной. К тому же скорость расширения вселенной автоматически приближается к критическому значению, определяемому плотностью энергии вселенной. Это может служить объяснением тому, почему скорость расширения и сейчас столь близка к пороговой. И нам не нужно уже исходить из того, что начальная скорость расширения вселенной была тщательно подобрана.

Гипотеза инфляции может также объяснить, почему во Вселенной так много вещества. В наблюдаемой нами области Вселенной около десяти миллионов миллионов миллионов миллионнов миллионов миллионов миллионов миллионнов миллионов миллионов миллионов миллионнов миллионов миллионов (единица с восьмидесятью нулями) частиц. Откуда все они появились? Разгадка в том, что согласно квантовой теории частицы могут возникать из энергии в виде пар частица – античастица. Но тогда встает вопрос, откуда взялась энергия. Мы знаем, что суммарная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной состоит из положительной энергии. Однако все вещество взаимно притягивается посредством гравитации. Энергия двух фрагментов вещества, расположенных вблизи друг друга, меньше, чем энергия тех же фрагментов на большом удалении друг от друга, потому что для сохранения их автономности вопреки их взаимному притяжению нужно затратить энергию. Так что в некотором смысле энергия гравитационного поля отрицательна. Можно доказать, что в случае примерно однородной на больших масшатабах Вселенной эта отрицательная энергия в точности уравновешивает положительную энергию, представленную веществом, и следовательно, совокупная энергия Вселенной равна нулю.

Ну а нуль, умноженный на два, тоже равен нулю. То есть можно одновременно удвоить и количество положительной энергии, заключенной в веществе, и количество отрицательной энергии, не нарушив закон сохранения энергии. При обычном расширении вселенной, когда плотность энергии вещества уменьшается с увеличением ее размеров, этого не происходит. Но это случается, например, при инфляционном расширении, потому что плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: при удвоении размеров вселенной положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия удваиваются, а совокупная энергия остается равной нулю. В ходе инфляционной стадии размер вселенной увеличивается во много раз, и поэтому полная энергия, доступная для рождения частиц, очень велика. Гут пошутил: «Говорят, что бесплатных обедов не бывает. Но Вселенная и есть абсолютно бесплатный обед».

В наше время инфляционного расширения Вселенной не происходит[35]. Следовательно, должен существовать какой-то механизм «утилизации» большой эффективной космологической постоянной и изменения характера расширения с ускоренного на современный, который замедляется гравитацией. Естественно ожидать, что в какой-то момент при инфляционном расширении симметрия сил нарушится – так же, как переохлажденная вода в конце концов замерзает. При этом высвободится избыточная энергия состояния с ненарушенной симметрией, что приведет к нагреванию вселенной до температуры чуть ниже критического значения, соответствующего симметрии взаимодействий. Вселенная продолжит расширяться и остывать, как в модели горячего Большого взрыва, а у нас будет объяснение, почему вселенная расширялась в точности с критической скоростью и почему температура в разных областях была одинакова.

Согласно исходной гипотезе Гута фазовый переход произошел внезапно – совсем как кристаллы льда возникают в переохлажденной воде. Он предположил, что «пузырьки» новой фазы с нарушенной симметрией возникали еще в старой фазе, подобно пузырькам пара, окруженным кипящей водой. Расширяясь, они соединялись друг с другом, пока вся вселенная не перешла в новую фазу. Проблема состояла в том, что, как отмечал я и некоторые другие исследователи, скорость расширения вселенной выходила такой большой, что даже если бы пузырьки росли со скоростью света, то и тогда они разлетались бы друг от друга и не могли соединиться. Вселенная тогда пришла бы в весьма неоднородное состояние: в отдельных ее областях по-прежнему сохранялась бы симметрия между разными взаимодействиями. Такая модель расходилась бы с наблюдениями.

В октябре 1981 года я отправился в Москву на конференцию по квантовой гравитации. После конференции я провел семинар по инфляционной модели и связанными с ней проблемами в Астрономическом институте имени Штернберга[36]. До этого мне приходилось просить кого-нибудь прочесть мою лекцию вместо меня, потому что большинство присутствовавших не могли разобрать мой голос. Но в этот раз на подготовку семинара не было времени, так что мне пришлось все рассказывать самому, а один из моих аспирантов повторял мои слова. Вышло замечательно, и я чувствовал контакт с аудиторией. Среди слушателей был Андрей Линде – молодой ученый из московского Физического института имени Лебедева[37]. Он заметил, что проблема пузырьков, которые не могут объединиться, станет неактуальна, если предположить, что пузырьки эти настолько велики, что один вмещает всю нашу область Вселенной. Для этого необходимо, чтобы переход от симметричного состояния к состоянию с нарушенной симметрией внутри пузыря происходил очень медленно, а это вполне допускают теории великого объединения. Идея Линде о медленном нарушении симметрии была хороша, но позже я понял, что его пузыри должны были превышать Вселенную по размеру в соответствующий момент! Я также показал, что симметрия к этому моменту должна нарушиться везде, не только внутри пузырей, и результатом должна быть однородная Вселенная – как раз такая, какую мы наблюдаем. Эта идея меня очень взволновала, и я рассказал о ней моему аспиранту Яну Моссу. Позднее из научного журнала мне прислали статью Линде с просьбой дать отзыв о возможности ее публикации, и будучи другом автора, я оказался в весьма неловком положении. Отвечая на письмо, я отметил неточность в оценке размеров пузырей – которые должны быть больше Вселенной, – однако указал, что в остальном идея о медленном нарушении симметрии очень хороша, и рекомендовал статью к публикации в исходном виде. Ведь Линде потребовалось бы несколько месяцев, чтобы исправить ее, так как все, что он посылал на Запад, проходило советскую цензуру, а цензоры научных статей не отличались ни квалификацией, ни расторопностью[38]. Научной справедливости ради совместно с Яном Моссом я написал короткую статью в тот же журнал, где обратил внимание на выявленную проблему и показал, как ее можно решить.

На следующий день после возвращения из Москвы я отправился в Филадельфию, где мне должны были вручить медаль Франклина – от Института Франклина. Мой секретарь Джуди Фелла задействовала все свое обаяние – которым совсем не была обделена, – чтобы убедить руководство British Airways предоставить нам два бесплатных билета на «Конкорд» в качестве рекламной акции. Но из-за сильного дождя я задержался и опоздал на самолет. Тем не менее я в конце концов добрался до Филадельфии и получил свою медаль. Потом меня попросили провести в Дрексельском университете в Филадельфии семинар на тему инфляционной Вселенной, и это мероприятие я спланировал так же, как и московское.

Независимо от Линде через несколько месяцев очень похожую идею высказали Пол Стейнхардт и Андреас Альбрехт из Пенсильванского университета. Теперь их вместе с Линде считают создателями так называемой новой инфляционной модели, основанной на идее медленного нарушения симметрии. (Старая инфляционная модель – это исходная гипотеза Гута о быстром нарушении симметрии с образованием пузырей.)

Новая инфляционная модель была хорошей попыткой объяснить, почему Вселенная такова, какова она есть. Но я и ряд других исследователей показали, что как минимум в ее исходном виде она предсказывает куда бóльшие флуктуации температуры реликтового фона, чем те, что реально наблюдаются. Результаты последующих исследований также поставили под сомнение возможность фазового перехода требуемого типа в очень ранней Вселенной. Я лично считаю, что новая инфляционная модель как научная теория уже умерла, хотя многие, похоже, ничего не слышали о ее конце и продолжают писать статьи, как если бы она оставалась жизнеспособной. В 1983 году Линде предложил более реалистичную теорию под названием «хаотичная инфляционная модель». В ней нет фазового перехода и переохлаждения: их замещает поле с нулевым спином, которое из-за квантовых флуктуаций оказывается очень сильным в некоторых областях ранней Вселенной. В этих областях энергия поля ведет себя подобно космологической постоянной и проявляет себя как гравитационное отталкивание, тем самым заставляя соответствующие области расширяться инфляционным образом. По мере расширения энергия поля в этих областях медленно уменьшается, пока инфляционное расширение не сменится расширением по типу модели горячего Большого взрыва. Одну из этих областей мы знаем как нашу Вселенную. Эта модель обладает всеми достоинствами более ранних инфляционных моделей, но не зависит от сомнительного фазового перехода и к тому же может порождать разумных размеров флуктуации температуры реликтового излучения, которые согласуются с наблюдениями.

Работа с инфляционными моделями показала, что современное состояние Вселенной могло быть продуктом ряда самых разных начальных конфигураций. Это важно – ведь, как следствие, начальное состояние части Вселенной, которую мы занимаем и наблюдаем, не нужно было тонко настраивать и тщательно подбирать. Так что мы можем, если пожелаем, применить слабый антропный принцип, чтобы объяснить, почему Вселенная именно такая, какой мы ее видим сегодня. Но разумеется, было бы неверно утверждать, что любая начальная конфигурация должна эволюционировать во вселенную, подобную нашей. Для примера стоит рассмотреть совершенно другое состояние современной Вселенной – клочковатое и неоднородное. Используя законы физики, нам под силу просчитать эволюцию такой вселенной назад во времени и определить ее конфигурацию в более ранние эпохи. Согласно теоремам о сингулярности классической общей теории относительности у истоков такой вселенной вполне могла стоять сингулярность типа Большого взрыва. Если рассчитать эволюцию такой вселенной вперед по времени в соответствии с известными законами, получатся заданные клочковатость и неоднородность. Таким образом, начальные конфигурации, не ведущие ко вселенной, похожей на нашу, должны были существовать. Стало быть, даже инфляционная модель не позволяет понять, почему начальная конфигурация не смогла породить нечто, отличное от наблюдаемой нами Вселенной. Следует ли обратиться к антропному принципу за объяснением? Неужели это все – счастливое стечение обстоятельств? Это был бы ответ отчаявшегося, оставившего всякую надежду понять порядок, лежащий в основе космоса.

Чтобы установить, как началась Вселенная, нужно знать законы, действовавшие в начале времен. Если классическая общая теория относительности верна, то, согласно доказанным Роджером Пенроузом и мною теоремам, начало времен – это точка с бесконечной плотностью и бесконечной кривизной пространства-времени. В такой точке никакие известные физические законы не действуют. Можно предположить, что в сингулярностях действовали новые законы, но чрезвычайно сложно даже сформулировать организующие принципы для этих патологических точек, тем более что мы не располагаем наблюдательными данными, которые могли бы указать нам путь. Однако теоремы о сингулярностях действительно утверждают, что гравитационное поле становится настолько сильным, что важно учитывать эффекты квантовой механики: классическая теория уже не годится для описания Вселенной. Посему для описания самых ранних этапов эволюции Вселенной необходима квантовая теория гравитации. Как будет видно дальше, квантовая теория гравитации предполагает, что обычные законы физики действуют везде и всегда, включая начало времен: совсем необязательно формулировать новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории можно обойтись без сингулярностей.

Полная и непротиворечивая теория, которая бы объединяла квантовую механику и гравитацию, пока еще не создана. Но мы уже знаем некоторые свойства, которыми она должна обладать. В частности, это применимость предложенной Фейнманом формулировки квантовой теории через суммы по траекториям. Этот подход предполагает, что у частицы не одна-единственная траектория в пространстве-времени – как в случае классической, неквантовой теории: частица, напротив, движется в пространстве-времени всеми возможными путями, и каждый ее путь определяется парой чисел – амплитудой, то есть размахом волны, и положением волны в цикле (фазой). Вероятность, что частица пройдет через заданную точку, рассчитывается суммированием волн, соответствующих всем проходящим через эту точку траекториям. Правда, реальные попытки вычислить суммы связаны с серьезными техническими проблемами. Единственный способ обойти их состоит в следующем: нужно суммировать волны, связанные с траекториями частицы, не в действительном, реальном времени, которое ощущаем мы с вами, а в так называемом мнимом времени. Мнимое время может показаться чем-то фантастическим, но в действительности это строгое математическое понятие. Если умножить обычное (действительное) число само на себя, мы получим положительное число (например, 2 × 2 = 4 и –2 × –2 = 4). Однако есть особые числа (называемые мнимыми), которые при умножении на себя дают отрицательное число. (Так, число i, умноженное на себя, равно –1, число 2i, умноженное на себя, равно –4 и т. д.).

Действительные и мнимые числа можно вообразить себе следующим образом. Действительные числа представлены линией, идущей слева направо: нуль расположен в середине; отрицательные числа, вроде –1, –2 и т. д., – слева; а положительные числа, такие как 1, 2 и т. д., – справа. Мнимые числа представлены линией, идущей снизу вверх, и числа i, 2i и т. д. расположены выше середины, а числа – i, – 2i и т. д. – ниже середины. Таким образом, мнимые числа можно рассматривать как действительные числа, повернутые на прямой угол.

Во избежание технических проблем с фейнмановским суммированием по траекториям следует использовать мнимое время, то есть прибегнуть при расчетах времени ко мнимым, а не действительным числам. При переходе к мнимому времени наблюдается интересный эффект – в пространстве-времени полностью стирается различие между временем и пространством. Пространство-время, в котором событиям соответствуют мнимые величины на оси времени, называется евклидовым – в честь древнегреческого математика Евклида, создателя геометрии двумерных поверхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым пространством-временем, – это примерно то же самое, только измерений теперь не два, а четыре. В евклидовом пространстве-времени нет различия между направлением во времени и направлениями в пространстве. С другой стороны, в действительном пространстве-времени, где все события задаются обычными, действительными числами на оси времени, различие очевидно: временнóе направление во всех точках лежит внутри светового конуса, а пространственные направления – вне его. В любом случае, если речь идет об обычной квантовой механике, использование мнимого времени и евклидова пространства-времени можно рассматривать как математический трюк при расчетах в действительном пространстве-времени[39].

Второе свойство, которое, как мы полагаем, должно отличать искомую теорию, – согласованность с представлением Эйнштейна о гравитационном поле как искривленном пространстве-времени: частицы стремятся двигаться вдоль аналогов прямых траекторий в искривленном пространстве, но, поскольку пространство-время не плоское, траектории частиц оказываются искривленными, как если бы частицы находились под воздействием гравитационного поля. Если применить фейнмановский метод суммирования по траекториям к эйнштейновской теории тяготения, аналогом траектории частицы является все искривленное пространство-время, представляющее историю всей Вселенной. Чтобы справиться с техническими сложностями при суммировании по траекториям, эти искривленные пространственно-временные структуры следует рассматривать как евклидовы. То есть время является мнимым и не отличается от пространственных измерений. Для расчета вероятности обнаружения действительного пространства-времени, обладающего некоторым свойством, – например, имеющего одинаковый вид в любой точке и в любом направлении, – следует сложить волны, связанные со всеми траекториями, обладающими этим свойством.

В классической общей теории относительности мы имеем множество разновидностей искривленного пространства-времени, соответствующих разным начальным состояниям Вселенной. Если бы мы знали начальное состояние нашей Вселенной, мы бы знали всю ее историю. Точно так же квантовая теория гравитации допускает множество различных возможных квантовых состояний Вселенной. Опять же, если бы мы имели представление о том, как евклидовы разновидности искривленного пространства-времени, входящие в сумму по траекториям, вели себя в раннюю эпоху, то знали бы квантовое состояние Вселенной.

В классической теории гравитации, основанной на действительном пространстве-времени, вселенная может проявлять себя только двумя способами: либо она существовала бесконечное время, либо у нее было начало – в сингулярности в какой-то момент времени в прошлом. В рамках квантовой теории гравитации появляется третья возможность. Благодаря использованию евклидовых разновидностей пространства-времени, где временнóе и пространственные направления равноправны, пространство-время может иметь конечную протяженность и при этом не иметь сингулярностей, образующих границу или край. Пространство-время напоминало бы поверхность Земли, но с двумя дополнительными измерениями. Поверхность нашей планеты конечна, но не имеет границ: взяв курс на закат, вы не свалитесь с края и не утонете в сингулярности (я знаю, потому что объехал вокруг света!).

Если евклидово пространство-время протянулось назад в мнимом времени до бесконечности или же начинается с сингулярности во мнимом времени, то, задавая начальное состояние Вселенной, мы сталкиваемся с той же проблемой, что и в классической теории: Богу может быть известно, как началась Вселенная, но у нас нет никаких поводов предпочесть одно начальное состояние другому. С другой стороны, квантовая теория гравитации открыла новую возможность: если у пространства-времени нет границ, нет необходимости задавать поведение Вселенной на границе. В этом случае не существует сингулярностей, где бы нарушались законы физики, а у пространства-времени нет краев, где нам бы потребовался Бог или некий новый закон, чтобы задать граничные условия пространства-времени. Можно сказать: «Граничное условие Вселенной состоит в том, что у Вселенной нет границ». Так Вселенная окажется полностью самодостаточной, не подверженной какому-либо влиянию извне. Ничто и никто не создал ее, ничто и никто ее не разрушит. Она просто есть.

Именно на конференции в Ватикане, уже упомянутой, я впервые высказал предположение, что, возможно, пространство и время совместно образовали поверхность, конечную по размеру и притом безграничную. Правда, моя статья носила скорее математический характер, и поэтому ее следствия о роли Бога в сотворении космоса тогда не были осознаны большинством (да и мной самим). Ко времени ватиканского мероприятия я еще не знал, как воспользоваться безграничностью для предсказаний о Вселенной.

Следующее лето я провел в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Там с моим другом и коллегой Джеймсом Хартлом мы установили, каким условиям должна удовлетворять Вселенная, чтобы пространство-время не имело границ. По возвращении в Кембридж я продолжил работу с двумя своими аспирантами, Джулианом Латтрелом и Джонатаном Хэлливеллом.

Идея о том – и это важно отметить, – что пространство и время конечны, но при этом не имеют границ, есть гипотеза: ее нельзя вывести из какого бы то ни было другого принципа. Как и любую другую научную теорию, ее можно выдвинуть из чисто эстетических или метафизических соображений, но подлинной проверкой являются предсказания на ее основе, которые согласуются с наблюдениями. В случае квантовой теории гравитации это, однако, трудно обеспечить по двум причинам. Во-первых, как станет понятно из главы 11, мы пока не уверены, какая из теорий успешнее других сочетает общую теорию относительности и квантовую механику, хотя уже много знаем о том, какую форму эта теория должна иметь. Во-вторых, любая модель, в подробностях описывающая целую Вселенную, будет математически слишком сложной, чтобы с ее помощью получить точные предсказания. Поэтому приходится делать упрощающие предположения и использовать приближения, хотя и в этом случае получение предсказаний остается чрезвычайно трудной задачей.

Каждая траектория в фейнмановском методе описывает не только пространство-время, но и все, что в нем находится, включая сложные организмы – например людей, – которые могут наблюдать историю Вселенной. Это дает нам дополнительный аргумент в пользу антропного принципа: если все траектории (истории) возможны, то, раз мы существуем внутри одной из траекторий (историй), мы можем применить антропный принцип, чтобы объяснить, почему Вселенная такова, какова она есть. О смысле других историй, или траекторий, в которых нас нет, сложно судить однозначно. Однако этот взгляд на квантовую теорию гравитации был бы куда более приемлемым, если бы удалось показать, что наша Вселенная – не просто одна из многих возможных траекторий, но и одна из наиболее вероятных. Для этого надо выполнить суммирование по траекториям всех возможных евклидовых разновидностей пространства-времени, не имеющих границ.

В рамках «безграничной» гипотезы ничтожно мала вероятность того, что вселенная эволюционирует согласно большинству из возможных траекторий, но при этом имеется семейство траекторий, более вероятных, чем остальные. Их можно изобразить при помощи поверхности Земли: расстояние от Северного полюса представляет мнимое время, а размер окружности, все точки которой находятся на постоянном расстоянии от Северного полюса, – пространственный размер вселенной. Вселенная начинается на Северном полюсе в виде мельчайшей точки. По мере продвижения на юг дуги параллелей на постоянном расстоянии от Северного полюса увеличиваются, что соответствует расширению вселенной с течением мнимого временем (рис. 8.1). Вселенная достигает максимального размера на экваторе, после чего начинает сжиматься, по мере того как прирастает мнимое время, пока наконец не схлопнется до размеров точки на Южном полюсе. И хотя на Северном и Южном полюсах диаметр вселенной равен нулю, эти точки не будут сингулярностями, точнее, они будут не более сингулярны, чем Северный и Южный полюса Земли. Законы физики там должны соблюдаться так же, как на противоположных концах планетной оси.

А вот в действительном времени история вселенной будет выглядеть совсем иначе. Примерно 10–20 миллиардов лет назад она имела бы минимальный размер, равный максимальному радиусу траектории в мнимом времени. В более поздние действительные моменты времени вселенная расширялась по хаотичной инфляционной модели, предложенной Линде (но теперь нет необходимости предполагать, что Вселенная сотворена в некоем требуемом состоянии). Вселенная увеличилась бы до очень большого размера (рис. 8.1), а потом ей предстояло бы снова коллапсировать в нечто, в действительном времени имеющее вид сингулярности. Так что в некотором смысле мы все равно обречены, даже если будем держаться подальше от черных дыр. Сингулярностей нет, только если представить историю вселенной в мнимом времени.

Если Вселенная действительно находится в таком квантовом состоянии, то в мнимом времени в ее истории не должно быть сингулярностей. Поэтому может показаться, что мои недавние работы полностью перечеркивают результаты моих более ранних работ о сингулярностях. Но, как я отметил выше, прикладное значение теорем о сингулярностях в другом: они показали, что гравитационное поле должно быть настолько сильным, чтобы нельзя было более пренебрегать квантовыми эффектами. Это, в свою очередь, привело меня к мысли, что в мнимом времени вселенная может быть конечной, но не иметь границ и сингулярностей. При переходе к действительному времени, в котором мы существуем, сингулярности все же появляются. Бедного астронавта, падающего в черную дыру, ждет печальный конец. Он не встретил бы никаких сингулярностей, только если бы жил во мнимом времени.

Исходя из сказанного, кто-то может заключить, будто так называемое мнимое время на самом деле и есть действительное, реальное время, а то, что мы называем действительным временем, – всего лишь плод нашего воображения. В действительном времени у вселенной есть начало и конец – они находятся в сингулярностях, образующих границы пространства-времени, где законы физики перестают действовать. Но во мнимом времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что не исключено, что время, называемое нами мнимым, в действительности более фундаментально, а то, что мы называем действительным временем, – всего лишь концепция, и мы придумали ее, чтобы описать, как, на наш взгляд, выглядит Вселенная. Но вспомним, о чем говорилось в первой главе: научная теория – это всего лишь математическая модель, созданная для описания наших наблюдений; она существует только в нашем воображении. Так что, может быть, вопрос «Что реально – действительное или мнимое время?» вообще не имеет смысла. Это всего только вопрос выбора – выбора более удобного инструмента для описания.

Рис. 8.1

Можно также применить суммирование по траекториям, имея в виду и гипотезу об отсутствии границ – чтобы установить, какие свойства Вселенной, вероятнее всего, встречаются одновременно. Например, можно рассчитать вероятность того, что вселенная расширяется с почти одинаковой скоростью во всех направлениях в эпоху, когда ее плотность равна современному значению. В рассмотренных до сих пор упрощенных моделях эта вероятность оказывается высокой. То есть из условия отсутствия границ с очень высокой вероятностью следует, что современная скорость расширения Вселенной практически одинакова во всех направлениях. Это находится в согласии с результатами наблюдений реликтового излучения: интенсивность этого излучения практически одинакова во всех направлениях. Если бы Вселенная в некоторых направлениях расширялась быстрее, чем в других, то интенсивность излучения в этих направлениях была бы ниже из-за дополнительного красного смещения.

В настоящее время предпринимаются попытки получить другие предсказания на основе гипотезы об отсутствии границ. Особый интерес представляет мера небольших отклонений от равномерного распределения плотности в ранней Вселенной, которые привели к возникновению сначала галактик, потом звезд, а затем и нас с вами. Из принципа неопределенности следует, что ранняя Вселенная не могла быть совершенно однородной – должны были существовать флуктуации в положениях и скоростях частиц. Исходя из гипотезы об отсутствии границ мы приходим к выводу, что Вселенная у своих истоков должна была иметь минимально возможную неоднородность, допускаемую принципом неопределенности. После этого Вселенная прошла этап быстрого расширения – совсем как в инфляционных моделях. В тот период первичные неоднородности должны были увеличиться в размерах настолько, чтобы объяснить происхождение наблюдаемых вокруг нас структур. В 1992 году спутник COBE зафиксировал очень малые отклонения интенсивности реликтового излучения по небу[40]. Характер зависимости этих вариаций от направления, похоже, находится в согласии с предсказаниями инфляционной модели и гипотезы об отсутствии границ. Так что последняя является хорошей научной теорией в том смысле, который вкладывал в это понятие Карл Поппер: ее вполне можно опровергнуть при помощи наблюдений. Но пока ее предсказания подтверждаются. В расширяющейся Вселенной с небольшими неоднородностями в распределении вещества под действием тяготения более плотные области должны перестать расширяться и перейти к сжатию. Это должно привести к образованию галактик, звезд и, наконец, таких незначительных персонажей, как мы, люди. Стало быть, сложные структуры, которые мы наблюдаем в космосе, можно объяснить при помощи гипотезы об отсутствии границ и квантового принципа неопределенности[41]. Одна только мысль о том, что пространство и время могут образовывать замкнутую поверхность без границ, накладывает глубокий отпечаток на представления о роли Бога в делах космоса. Научные теории с успехом справляются с описанием событий, и потому большинство людей пришли ко мнению, что Бог позволяет Вселенной эволюционировать в соответствии с некоторой системой законов, не вмешиваясь и не нарушая их. Однако законы физики молчат о том, какой Вселенная была в эпоху своего зарождения: завести механизм, запустить его – все так же прерогатива Бога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, в картине мира сохраняется место и для Творца. Но если Вселенная и вправду полностью самодостаточна – не имеет ни края, ни границ, – у нее нет также начала и конца: она просто есть. Так зачем же тогда Создатель?

Глава девятая. Стрела времени

В предыдущих главах мы увидели, как менялись наши представления о природе времени. До начала XX века время считали абсолютным. То есть любому событию можно было присвоить уникальный номер, соответствующий некоему моменту во времени, и все правильные часы должны быть единодушны в оценке интервала между двумя выбранными эпизодами. Но открытие постоянства скорости света для всех наблюдателей независимо от параметров их движения привело к созданию теории относительности – и она задекларировала отказ от идеи о едином абсолютном времени. Теперь каждый наблюдатель ведет индивидуальный отсчет времени при помощи часов, которыми располагает, и совсем необязательно, что стрелки часов разных наблюдателей находятся в одном положении. Таким образом, время стало более субъективным, привязанным к тому, кто измеряет его.

При попытке объединить гравитацию с квантовой механикой пришлось ввести понятие мнимого времени. Оно неотличимо от направлений в пространстве. Если можно пойти на север, то можно и развернуться, чтобы отправиться на юг. Точно так же, если мы можем двигаться вперед в мнимом времени, мы должны иметь возможность передумать и пойти назад. Это значит, что не может быть никакой существенной разницы между прямым и обратным направлениями мнимого времени. В случае же действительного времени, как мы все хорошо знаем, прямое и обратное направления коренным образом различаются. Так с чем же связано это различие между прошлым и будущим? Почему мы помним первое, но не помним второго?

Законы физики одинаковы для прошлого и будущего. Точнее, как объяснялось выше, законы природы остаются неизменными при комбинации преобразований (симметрий), известных как C, P и T. (C означает замену частиц на античастицы; P – переход к зеркальному отражению, когда лево и право меняются местами; и T – обращение времени, то есть изменение направления движения всех частиц на противоположное). Законы, управляющие поведением вещества при всех нормальных условиях, остаются неизменными при комбинации преобразований C и P самих по себе. Другими словами, жизнь была бы совершенно такой же у инопланетян, являющихся нашим зеркальным отражением и состоящих не из вещества, а из антивещества.

Если законы природы неизменны при комбинации преобразований C и P, а также при комбинации преобразований C, P и T, то они также должны сохранять стабильность при одном только преобразовании T. И все же в обычной жизни разница между прямым и обратным направлениями времени очевидна. Представьте себе чашку с водой, которая падает со стола на пол и разбивается вдребезги. Если снять это на камеру, вы без труда поймете, проигрывается ли ролик вперед или назад. При прокрутке ролика назад вы увидите, как осколки чашки внезапно собираются вместе на полу и прыгают обратно на стол, где превращаются в целую чашку. Вам сразу станет ясно, что вы смотрите ролик в обратном направлении, потому что такого рода поведение чашек не наблюдается в обычной жизни. Иначе производители посуды остались бы без работы.

Тот факт, что осколки разбитых чашек не склеиваются на полу и не запрыгивают обратно на стол, объясняют как следствие второго начала термодинамики: беспорядок, или энтропия, в любой замкнутой системе со временем только увеличивается. То есть это одна из форм закона Мерфи: все, что может пойти не так, пойдет не так! Нетронутая чашка на столе находится в упорядоченном состоянии, разбитая чашка на полу – это состояние беспорядка. Переход от чашки на столе в прошлом к разбитой чашке в будущем представить легко, а обратный процесс – невозможно.

Возрастание беспорядка, или энтропии, со временем – это один из примеров так называемой стрелы времени – того, что отличает прошлое от будущего и тем самым задает направление событиям. Существуют как минимум три разновидности стрел времени. Во-первых, термодинамическая. Это направление времени, относительно которого возрастает энтропия. Во-вторых, выделяют психологическую стрелу времени. Это направление, в котором протекает время по нашим ощущениям, в согласии с ним мы помним прошлое, а не будущее. И наконец, есть космологическая стрела времени. Ориентируясь на нее, говорят, что Вселенная скорее расширяется, чем схлопывается.

В этой главе я привожу доводы в пользу того утверждения, что никакие граничные условия для Вселенной вкупе со слабым антропным принципом не могут объяснить, почему все три стрелы направлены в одну сторону. И даже более того, почему вообще должна существовать четко заданная стрела времени. Я попытаюсь показать, что психологическая стрела времени определяется термодинамической стрелой и что обе они обязательно направлены в одну сторону. Если принять гипотезу об отсутствии у Вселенной границ, то, как мы увидим, должны иметься строгие термодинамическая и космологическая стрелы времени, но они указывают не в одну сторону на протяжении всей истории Вселенной. Тем не менее я утверждаю, что условия, подходящие для появления разумных существ, которые способны задаться вопросом о том, почему беспорядок всегда возрастает в том же направлении времени, в котором расширяется Вселенная, могут возникнуть, только когда эти две стрелы направлены в одну сторону.

Поговорим сначала о термодинамической стреле времени. Второе начало термодинамики есть следствие того, что неупорядоченных состояний всегда больше, чем упорядоченных. Возьмем, например, пазл из множества деталей. Картинка получается только из единственно возможного сочетания фрагментов. С другой стороны, вариантов расположения фрагментов множество, но при этом они составлены беспорядочно и не складываются в осмысленную картину.

Пусть эволюция системы началась из одного из немногих упорядоченных состояний, и система эволюционирует во времени в соответствии с законами природы, ее состояние меняется. Вероятность того, что позднее система окажется в неупорядоченном состоянии, куда выше, чем что в упорядоченном, потому что состояний первого типа больше. Таким образом, если система удовлетворяет начальному условию – высокой степени порядка, – то степень хаоса будет стремиться к росту.

Предположим, что в начальный момент детали пазла находятся в упорядоченном состоянии и составляют картинку. Если коробку с головоломкой встряхнуть, расположение фрагментов изменится, и новое расположение деталей, скорее всего, будет беспорядочным, то есть фрагменты не будут образовывать цельной картины, просто потому что беспорядочных состояний больше. При этом некоторые детали могут все еще составлять какую-то часть пазла. Но чем дольше вы трясете коробку, тем больше вероятность, что эти группы рассыплются и все детали полностью перемешаются – от первоначального изображения не останется ничего. Так что если начальное условие в том, что детали должны образовывать конфигурацию с высокой степенью упорядоченности, то степень их беспорядка со временем, скорее всего, будет возрастать.

Тем не менее предположим, будто Бог решил, что Вселенная должна окончить эволюцию в состоянии с высокой степенью порядка и что при этом неважно, с какого состояния эволюция началась. В таком случае на заре своей истории Вселенная, очевидно, отличалась неупорядоченностью. Это означает, что степень хаоса со временем должна была уменьшаться. То есть разбитые чашки складывались из осколков и запрыгивали обратно на столы. Но любой человек, наблюдающий эти чашки, жил бы во вселенной, где беспорядок со временем уменьшается. Я утверждаю, что у таких существ психологическая стрела времени должна быть направлена назад. То есть они бы помнили события из будущего и не хранили бы в памяти те, что произошли в прошлом. В момент, когда чашка разбилась, они помнили бы, что она находилась на столе, а когда она находилась бы на столе, они бы не помнили, что она была на полу.

Рассуждать о человеческой памяти нелегко, потому что мы не до конца понимаем, как работает мозг человека. Но мы знаем все об устройстве памяти компьютеров. Поэтому я стану рассматривать психологическую стрелу времени для них. Мне представляется разумным предположение, что стрела времени для компьютеров такая же, как и для людей. Если бы это было не так, можно было бы разорить фондовую биржу, завладев компьютером, способным вспомнить завтрашние котировки! Компьютерная память, вообще говоря, состоит из элементов, которые могут пребывать в одном из двух состояний. Элементарным примером служит абак. В простейшем случае он состоит из множества отрезков проволоки, на каждый из которых нанизаны бусины, принимающие одно из двух положений. Перед записью единицы данных память компьютера находится в неупорядоченном состоянии, и вероятности ее перехода в одно из двух состояний равны. (Бусины распределены по нитям абака случайно.) Когда память завершит взаимодействие с системой, состояние которой следует запомнить, она определенно перейдет в одно или другое состояние – в зависимости от состояния системы. (Каждая бусина в абаке будет располагаться на проволоке слева или справа.) И вот память перешла от неупорядоченного состояния к упорядоченному. Но чтобы убедиться, что память находится в нужном состоянии, необходимо затратить некоторое количество энергии (например, для перемещения бусины или питания компьютера). Энергия рассеивается в виде тепла и увеличивает степень хаоса Вселенной. Можно показать, что рост степени хаоса всегда более значителен, чем рост степени порядка внутри самой памяти. Таким образом, отводимое вентилятором компьютера тепло означает, что когда компьютер записывает данные в память, общее количество беспорядка во Вселенной тем не менее увеличивается. Направление времени, в котором компьютер помнит прошлое, совпадает с направлением, в котором увеличивается степень беспорядка.

Таким образом, наше субъективное ощущение направления времени – психологическая стрела – определяется в мозгу и ориентировано на термодинамическую стрелу времени. Так же как и компьютер, мы должны помнить события в том порядке, в каком возрастает энтропия. В свете этого вывода второе начало термодинамики становится почти что тривиальным. Степень беспорядка со временем увеличивается, потому что мы измеряем время в том направлении, в каком растет степень беспорядка. За это даже головой можно поручиться!

Но почему вообще должна существовать термодинамическая стрела времени? Или, другими словами, почему Вселенная на одном конце времени – том, которое мы называем прошлым, – должна находиться в состоянии с высокой степенью порядка? Почему она не пребывает в подчеркнуто хаотичном состоянии все время? В конце концов, это может показаться более вероятным. И почему направление времени, относительно которого увеличивается степень беспорядка, совпадает с тем, в котором расширяется Вселенная?

В классической общей теории относительности невозможно предсказать, как возникла Вселенная, потому что все известные законы природы перестают соблюдаться в сингулярности Большого взрыва. У своих истоков Вселенная могла быть однородной и упорядоченной. Это имело бы следствием те четко очерченные термодинамическую и космологическую стрелы времени, что мы наблюдаем. Но с таким же успехом Вселенная в начале времен могла быть клочковатой и беспорядочной. В этом случае она пришла бы теперь к полному хаосу, и его степень не могла бы увеличиваться со временем. Степень беспорядка либо оставалась бы постоянной – и в этом случае не было бы четкой термодинамической стрелы времени, – либо снижалась бы, и тогда термодинамическая стрела времени указывала бы в направлении, противоположном космологической стреле. Оба эти сценария противоречат наблюдениям. Но как мы видели, классическая общая теория относительности предсказывает свое собственное банкротство. При изрядной кривизне пространства-времени приобретают большую значимость эффекты квантовой гравитации: классическая общая теория относительности перестает быть надежным инструментом для описания макрокосмоса. Чтобы понять, как началась Вселенная, нужно прибегнуть к квантовой теории гравитации.

Чтобы задать состояние Вселенной в квантовой теории гравитации – как мы видели в предыдущей главе, – точно так же необходимо определить, как возможные траектории эволюции Вселенной вели себя на границе пространства-времени в прошлом. То есть нам требуется описать то, чего мы не знаем или не в состоянии узнать, и эту проблему можно обойти, только если траектории удовлетворяют условию отсутствия границ: они имеют предел протяженности, но ни границы, ни края, ни сингулярностей. В этом случае начало времен – это обычная, однородная точка пространства-времени, и расширение Вселенной началось из однородного и упорядоченного состояния. Ее ткань однако не могла быть абсолютно однородной, потому что это привело бы к нарушению принципа неопределенности квантовой механики. В ней должны были наблюдаться слабые флуктуации плотности и скорости частиц. Но условие отсутствия границ предполагает, что эти флуктуации были предельно малы – в соответствии с принципом неопределенности.

В начале своего существования Вселенная могла пережить период экспоненциального, или инфляционного, расширения, и многократно увеличилась в размерах. В процессе расширения флуктуации плотности должны были поначалу оставаться малыми, а после начать расти. Расширение областей с плотностью, несколько превышающей среднюю, стало замедляться под действием гравитационного притяжения, вызванного избыточной массой. В какой-то момент эти области прекратили расширяться и стали сжиматься, образуя галактики, звезды и различных существ, например нас. Жизненный цикл Вселенной начался с однородного и упорядоченного состояния, а со временем она стала клочковатой и хаотичной. Этим можно объяснить существование термодинамической стрелы времени.

Но что произойдет, если – или когда – Вселенная прекратит расширяться и начнет сжиматься? Не изменится ли направление термодинамической стрелы времени на противоположное и не начнет ли снижаться степень беспорядка? Это открыло бы возможность для воплощения научно-фантастических сценариев всех сортов, и главными героями были бы люди, пережившие переход от фазы расширения к фазе сжатия. Суждено ли им увидеть, как осколки превращаются в чашку и запрыгивают обратно на стол? Смогут ли они вспомнить завтрашние котировки и сколотить состояние, играя на бирже? Может показаться, что только ученые могут всерьез беспокоиться о том, что случится, когда Вселенная начнет сжиматься, поскольку до этого не дойдет по меньшей мере в ближайшие 10 миллиардов лет. Но заглянуть в будущее можно и побыстрее – прыгнув в черную дыру. Коллапс звезды с образованием черной дыры схож с поздними стадиями коллапса целой вселенной. Если на этапе сжатия вселенной степень беспорядка в ней и вправду уменьшается, то естественно ожидать того же и от черной дыры. Так что не исключено, что провалившийся в черную дыру астронавт сможет сорвать банк, играя в рулетку, если запомнит, где находился шарик до того, как он сделал ставку. (Но к сожалению, играть ему придется недолго – приливные силы довольно скоро сделают из него спагетти. Астронавт также не сможет ничего сообщить нам ни об изменении направления термодинамической стрелы времени, ни о своем выигрыше, потому что окажется в ловушке за горизонтом событий черной дыры.)

Сначала я считал, что по мере сжатия вселенной степень беспорядка в ней будет снижаться. А все потому – и из этого я исходил, – что снова став маленькой, вселенная вернется в однородное и упорядоченное состояние. Это означало бы, что фаза сжатия – это нечто вроде обращенной во времени фазы расширения. В фазе сжатия жизнь текла бы вспять: люди сначала умирали бы, а уже потом рождались – в процессе сжатия вселенной они становились бы все моложе.

Привлекательность этой идеи в том, что она дает замечательную симметрию между фазами расширения и сжатия. Но эту концепцию нельзя принять саму по себе, не поставив во взаимосвязь с другими представлениями о Вселенной. Вопрос состоит в том, обусловлена ли гипотеза условием отсутствия границ или же, наоборот, противоречит ему. Как уже сказано выше, поначалу я полагал, что условие отсутствия границ действительно означает уменьшение беспорядка в фазе сжатия. Меня в некоторой мере сбила с толку аналогия с поверхностью Земли. Если считать, что начало вселенной соответствует Северному полюсу, то ее конец должен быть подобен ее началу, совсем как Южный полюс подобен Северному. Но Северный и Южный полюсы соответствуют началу и концу вселенной во мнимом времени, в действительном времени они значительно отличаются друг от друга. Другая причина моего заблуждения – собственные расчеты для упрощенной модели вселенной, где фаза коллапса выглядела как обращенная во времени фаза расширения. Мой коллега Дон Пейдж из Пенсильванского университета однако отметил, что условие отсутствия границ не означает, что фаза сжатия обязательно представляет собой обращенную во времени фазу расширения. Более того, один из моих аспирантов, Реймонд Лафламм, обнаружил, что в несколько усложненной модели коллапс вселенной разительным образом отличается от ее расширения. Я понял, что ошибался: условие отсутствия границ на самом деле предполагает, что степень беспорядка в фазе сжатия продолжает увеличиваться. В сжимающейся вселенной, а также внутри черных дыр термодинамическая и психологическая стрелы времени не обращаются.

Как же следует поступать, обнаружив подобную ошибку? Некоторые никогда не признают своей неправоты и продолжат искать новые и зачастую противоречивые доводы в пользу своей точки зрения – как это делал Артур Стэнли Эддингтон, оспаривая теорию черных дыр. Другие станут утверждать, что на самом деле никогда не отдавали предпочтения неверной точке зрения или, если и высказывались в ее пользу, то только для того, чтобы показать ее внутренние несоответствия. По-моему, куда лучше не сбивать никого с толку, а публично признать свой просчет. Хорошим примером может служить Альберт Эйнштейн, назвавший космологическую постоянную, введенную при попытке построить статическую модель вселенной, самой большой ошибкой своей жизни.

Вернемся теперь к стреле времени. У нас остался вопрос: почему согласно нашим наблюдениям термодинамическая и космологическая стрелы времени указывают в одну сторону? Или, другими словами, почему степень беспорядка растет в том же направлении времени, в каком расширяется вселенная? Если считать, что вселенная продолжит расширяться, а после перейдет к сжатию, как, кажется, следует из принципа отсутствия границ, то вопрос, скорее, в следующем: что, собственно, указывает на то, что мы находимся в расширяющейся, а не сжимающейся вселенной?

Для ответа на этот вопрос обратимся к слабому антропному принципу. Условия в фазе сжатия непригодны для существования разумных существ, способных задать вопрос: почему степень хаоса растет в том же направлении времени, в каком расширяется вселенная? Принцип отсутствия границ предсказывает инфляционное увеличение размеров вселенной на ранних стадиях эволюции, и это означает, что вселенная должна была расширяться со скоростью, близкой к критическому значению – у самого порога сжатия. Стало быть, до начала сжатия пройдет еще очень много времени. К тому моменту все звезды исчерпают запасы топлива, а содержащиеся в них протоны и нейтроны, скорее всего, распадутся на более легкие частицы и излучение. Вселенная окажется в состоянии почти полного беспорядка, и в ней не будет места для четко выраженной термодинамической стрелы времени: степень хаоса не сможет сильно возрасти, поскольку уже будет крайне высока. Вместе с тем для функционирования разумной жизни необходимо наличие внятной термодинамической стрелы времени. Чтобы выжить, люди должны употреблять пищу – а это упорядоченная форма энергии – и преобразовывать ее в тепло, то есть энергию в неупорядоченной форме. Таким образом, в фазе сжатия разумная жизнь во вселенной существовать не может. Вот почему мы наблюдаем термодинамическую и космологическую стрелы времени направленными в одну сторону. Не расширение вселенной приводит к росту степени беспорядка: к ее росту ведет условие отсутствия границ, обеспечивая пригодные условия для разумной жизни только в фазе расширения.

Подводя итог: законы природы не делают различий между прямым и обратным направлениями времени. Но существуют как минимум три разные стрелы времени, позволяющие отличить прошлое от будущего: 1) термодинамическая стрела – направление времени, в котором возрастает степень беспорядка; 2) психологическая стрела – направление времени, в соответствии с которым мы помним прошлое, а не будущее; 3) космологическая стрела – направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается. Я показал, что психологическая стрела времени, в сущности, совпадает с термодинамической, а потому обе они направлены в одну сторону. Из принципа отсутствия границ следует наличие четко выраженной термодинамической стрелы времени, потому что Вселенная должна начаться с однородного и упорядоченного состояния. Наблюдаемое нами согласие термодинамической и космологической стрел времени – следствие того, что разумные существа могут существовать только в фазе расширения. Фаза сжатия непригодна для разумной жизни, потому что в ней невозможна четкая термодинамическая стрела.

Благодаря прогрессу человечества в понимании законов макрокосмоса, степень хаоса в котором растет, возник маленький уголок порядка. Если вы запомнили каждое слово в этой книге, значит, в вашу память было записано около двух миллионов единиц информации: степень порядка в мозге увеличилась примерно на два миллиона единиц. Но, читая эту книгу, вы преобразовали не менее тысячи калорий – упорядоченную энергию в виде пищи – в неупорядоченную энергию в форме тепла, которое вы теряете, нагревая воздух посредством конвекции и пота. А это увеличит степень беспорядка Вселенной примерно на двадцать миллионов миллионов миллионов миллионов единиц, то есть Вселенная потеряет приблизительно в десять миллионов миллионов миллионов раз больше, чем обретет ваш мозг. И то при условии, что вы помните абсолютно все сказанное здесь. Через одну главу я постараюсь еще немного повысить степень порядка в наших краях: я расскажу, как ученые пытаются объединить частные теории, о которых шла речь, в единую теорию, охватывающую все во Вселенной.

Глава десятая. Кротовые норы и путешествия во времени

В предыдущей главе обсуждалось, почему время течет вперед, почему возрастает степень хаоса и почему мы помним прошлое, а не будущее. Время рассматривалось как прямая железнодорожная колея, по которой можно двигаться в одном из двух направлений.

Но что, если на путях есть петли и ответвления, которые позволяют поезду вернуться на пройденную станцию, двигаясь при этом только вперед? Другими словами, возможно ли путешествие в будущее или прошлое?

Об этом рассуждал Герберт Уэллс в своем романе «Машина времени», этой же теме посвящали свои произведения и другие писатели-фантасты. И ведь многие из их идей, например, подводные лодки и полеты на Луну, стали реальностью. Так каковы же перспективы перемещений во времени?

Первое свидетельство того, что законы физики действительно допускают возможность путешествия назад во времени, предъявил в 1949 году Курт Гёдель: он описал новый тип пространства-времени, который согласуется с общей теорией относительности. Гёдель был математиком, и известность ему принесло обоснование того постулата, что невозможно доказать все верные утверждения, даже если ограничиться областью такой скупой и сухой, как арифметика. Теорема Гёделя о неполноте, подобно принципу неопределенности, служит фундаментальным барьером для нашей способности понимать Вселенную и предсказывать ее развитие. Но пока эта теорема не является препятствием на пути к построению полной единой теории.

Гёдель узнал об общей теории относительности довольно поздно, когда он работал вместе с Эйнштейном в Институте перспективных исследований в Принстоне. Пространство-время Гёделя обладает любопытным свойством: вся Вселенная у него вращается. Возникает вопрос: вращается вокруг чего? И так математик отвечал на него: далекое вещество вращается относительно направлений, задаваемых маленькими юлами, или гироскопами.

Такое положение дел будет иметь побочный эффект: если некто отправится в далекое путешествие на космическом корабле, он может вернуться на Землю до того, как покинул ее. Это допущение сильно расстроило Эйнштейна, который считал, что общая теория относительности исключает путешествия во времени. Правда, мнение физика должно обнадеживать, если учесть его необоснованное неприятие гравитационного коллапса и принципа неопределенности. Решение Гёделя не имеет отношения к нашей Вселенной, поскольку мы можем показать, что Вселенная не вращается. К тому же во вселенной Гёделя космологическая постоянная – Эйнштейн ввел ее, посчитав, что вселенная должна быть статичной, – отлична от нуля. Когда Хаббл показал, что Вселенная расширяется, необходимость в космологической постоянной отпала, и сейчас она, как правило, полагается равной нулю[42]. Но с тех пор были найдены другие, более правдоподобные варианты пространства-времени, не противоречащие общей теории относительности и допускающие возможность путешествия в прошлое. Один из них – нутро вращающейся черной дыры, другой – пространство-время с двумя космическими струнами, которые движутся друг мимо друга на большой скорости. Как можно догадаться по названию, космические струны – это длинные струноподобные объекты с относительно большой длиной и маленьким поперечным сечением. В действительности они скорее напоминают резиновые нити, поскольку на них действует огромная сила натяжения, эквивалентная примерно миллиону миллионов миллионов миллионов тонн. Привязав Землю к космической струне, за 1/30 долю секунды ее можно разогнать с 0 до 100 километров в час. Такие струны кажутся чем-то из области научной фантастики, но есть все основания полагать, что они могли образоваться в ранней Вселенной в результате нарушения симметрии, которое мы рассматривали в главе 5. Из-за сильнейшего натяжения и произвольной начальной конфигурации струны, распрямляясь, они могли разогнаться до очень высоких скоростей.

Вселенная Гёделя и пространство-время космических струн начинают существовать в столь искривленном, скрученном состоянии, что путешествия в прошлое совсем не исключены. Бог мог, конечно, сотворить космос таким покоробленным, но у нас нет никаких оснований в это верить. Наблюдения фонового реликтового излучения и концентрации легких химических элементов свидетельствуют о том, что ранняя Вселенная не отличалась кривизной, необходимой для перемещений во времени. Такой же вывод следует из теоретических соображений, учитывающих гипотезу об отсутствии границ. Значит, вопрос можно поставить так: если Вселенная у своих истоков не обладала кривизной, необходимой для путешествий во времени, можно ли впоследствии «скрутить» некоторые области пространства-времени настолько, чтобы сделать путешествия во времени возможными?

Писателей-фантастов волнует и другая, смежная проблема – молниеносное перемещение между звездами и галактиками. Согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее света. Поэтому если отправить космический корабль к Проксиме Центавра, ближайшей к Солнцу звезде, то есть на расстояние примерно четырех световых лет от нас, придется дожидаться возвращения путешественников и рассказов об увиденном не менее восьми лет, а экспедиция к центру Галактики доберется до дома не раньше чем через 100 000 лет[43]. И все же теории относительности есть чем нас утешить. И это так называемый парадокс близнецов, упоминавшийся во второй главе.

Поскольку единого стандарта времени не существует и оно свое у каждого наблюдателя, который измеряет его при помощи наличного хронометра, то вполне вероятно, что космические путешественники считают свое путешествие гораздо более коротким по времени по сравнению с теми, кто дожидается их на Земле. Так, вернувшись из космической экспедиции и постарев всего на несколько лет, они не очень-то обрадуются, не застав в живых никого из близких, которые умерли уже много тысяч лет назад. А потому, чтобы пробудить у читателей хоть какой-то интерес к своим произведениям, писатели-фантасты вынуждены предполагать, что когда-нибудь придумают способ передвигаться быстрее света. Но большинство сочинителей, похоже, не понимают, что если можно двигаться на такой безумной скорости, то в соответствии с теорией относительности можно попасть и в наше прошлое, совсем как в этом лимерике:

There was a young lady of Wight

Who traveled much faster than light.

She departed one day,

In a relative way,

And arrived on the previous night[44].

Причина этого явления в том, что в теории относительности нет единой меры времени для всех наблюдателей – она своя у каждого наблюдателя. Если ракета, летящая медленнее, чем свет, способна добраться от события A (например, финиша забега на 100 метров на Олимпийских играх 2012 года) до события B (например, открытия 100 004 по счету заседания конгресса альфы Центавра), то с точки зрения всех наблюдателей и согласно их часам событие A предшествовало событию B. Теперь предположим: чтобы сообщить новость об исходе забега на заседании конгресса, космический корабль должен лететь быстрее света. В этом случае наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, не сойдутся во мнениях о том, произошло ли событие A до или после события B. В соответствии со временем наблюдателя, который находится в состоянии покоя относительно Земли, конгресс мог открыться и после забега. Таким образом, с точки зрения этого наблюдателя, ракета может успеть добраться от A до B, только если преодолеет барьер скорости света. Но для наблюдателя на альфе Центавра, который удаляется от Земли почти со скоростью света, событие B (открытие конгресса) произойдет до события A (финиш 100-метрового забега). Согласно теории относительности законы физики одинаковы для всех наблюдателей независимо от скорости их движения.

Это свойство было проверено экспериментально и, скорее всего, сохранится, даже если на смену теории относительности придет новая, более совершенная теория. Таким образом, движущийся наблюдатель сказал бы, что если двигаться быстрее света можно, то можно и добраться от события B (открытия конгресса) до события A (финиша 100-метрового забега). А если кто-то окажется еще шустрее, то успеет вернуться до начала забега и успеть сделать ставку на спортсмена, который точно победит.

Но преодолеть барьер скорости света не так-то просто. Согласно теории относительности космический корабль расходует все больше энергии, по мере того как его скорость приближается к скорости света. Это доказано в экспериментах, правда, не с космическими кораблями, а с элементарными частицами, разгоняемыми в ускорителях, например в лаборатории имени Энрико Ферми или ЦЕРН. Мы научились разгонять частицы до 99,99 % скорости света, но сколько бы энергии мы ни затрачивали, частицы отказывались двигаться быстрее. Так же и с космическими кораблями: никакая тяга двигателя не позволит им разогнаться до сверхсветовых скоростей.

Отсюда, похоже, следует невозможность как молниеносных космических полетов, так и путешествий назад во времени. Но выход – не исключено – все же есть. Есть вероятность, что можно искривить пространство-время таким образом, чтобы сократить путь от A до B. Например, проложить тоннель, или кротовую нору, между этими событиями. Как ясно из названия, кротовая нора представляет собой узкий проход в пространстве-времени, соединяющий две удаленные друг от друга, почти плоские области.

Длина этого прохода не должна соотноситься с расстоянием между его конечными точками в почти плоском пространстве. Так что вполне можно представить себе, что мы нашли или создали кротовую нору, соединяющую окрестности Солнечной системы и альфу Центавра. Длина этой норы может составить всего несколько миллионов километров, тогда как в привычном пространстве Землю и альфу Центавра разделяют сорок миллионов миллионов километров. Таким образом, новость о 100-метровом забеге может успеть к открытию конгресса. Но в этом случае наблюдатель, движущийся к Земле, должен найти и другую кротовую нору, через которую он успеет вернуться с заседания Конгресса на альфе Центавра обратно на Землю еще до начала забега. Таким образом, кротовые норы, как и любой другой способ перегнать свет, позволят также путешествовать в прошлое.

Кротовые норы, соединяющие разные области пространства-времени, – это не изобретение фантастов. Эта идея была предложена солидными учеными.

В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен написали статью, в которой показали, что общая теория относительности допускает существование «мостов» – по выражению ученых, – которые теперь называют кротовыми норами. Мост Эйнштейна – Розена оказался слишком короткоживущим, чтобы космический корабль смог пройти по нему: корабль нырнул бы в сингулярность, когда нора схлопнулась бы. Правда, выдвинули предположение, что высокоразвитая цивилизация сумеет не дать кротовой норе закрыться. Для этого – или для того, чтобы искривить пространство-время любым другим способом, обеспечив возможность путешествий во времени, – нужна область континуума с отрицательной кривизной, например седлообразная. Обычное вещество, плотность энергии которого положительна, придает пространству-времени положительную кривизну, например форму шара. Поэтому для получения отрицательной кривизны, необходимой для посещения прошлого, требуется вещество с отрицательной плотностью энергии.

Энергия чем-то напоминает деньги: если баланс вашего счета положителен, то вы можете распоряжаться финансами на ваше усмотрение, но согласно классическим законам вековой давности нельзя уйти в минус ни по одному из счетов. Таким образом, классические законы не допускают отрицательной плотности энергии и, следовательно, возможности заглянуть в прошлое. Однако, как говорилось в предыдущих главах, на смену классическим законам пришли квантовые, основанные на принципе неопределенности. Они предполагают бóльшую свободу и готовы мириться с отрицательным балансом по одному или двум счетам при условии, что общий баланс остается положительным. Другими словами, квантовая теория стерпит отрицательную плотность энергии в некоторых областях, если это компенсируется положительной плотностью энергии в других местах, то есть если суммарная энергия останется положительной. Примером допустимости отрицательной плотности энергии в квантовой механике служит так называемый эффект Казимира. Как мы убедились в седьмой главе, даже то, что мы принимаем за «пустое» пространство, на самом деле заполнено виртуальными парами частица – античастица, которые возникают, расходятся, сходятся и взаимно аннигилируют. Представим себе две металлические пластины на малом расстоянии друг от друга. Эти пластины действуют как зеркала для виртуальных частиц света – фотонов. В действительности они образуют своего рода полость наподобие органной трубы, которая резонирует только тогда, когда берут определенные ноты. Это значит, что виртуальные фотоны могут оказаться между пластинами, только если длины их волны (расстояние между гребнями соседних волн) укладываются в зазор между пластинами целое число раз. Если ширина полости представлена нецелым числом, выражающим количество длин волн, то после нескольких отражений от верхней и нижней пластин гребни одной волны попадут на впадины другой, и волны взаимно погасятся.

Поскольку длины волн виртуальных фотонов между пластинами могут принимать только резонансные значения, то их там должно быть несколько меньше, чем в области вне пластин, где виртуальные фотоны могут иметь любые длины волн. Таким образом, поверхности пластин, расположенные внутри зазора, будут испытывать удары меньшего числа виртуальных фотонов, чем внешние поверхности пластин. Поэтому есть основания считать, что пластины будут испытывать действие сил, толкающих их навстречу друг другу. Эти силы и вправду были обнаружены и измерены: они оказались такими, как предсказывает теория. Стало быть, существуют экспериментальные свидетельства существования виртуальных частиц, которые порождают вполне реальные эффекты.

Тот факт, что в зазоре между пластинами меньше виртуальных фотонов, означает, что плотность энергии там ниже, чем в других местах. Но суммарная плотность энергии «пустого» пространства вдали от пластин равна нулю, потому что иначе под влиянием ненулевой плотности пространство искривилось бы, то есть перестало бы быть почти плоским. Так что если плотность энергии между пластинами меньше, чем плотность энергии вдали от пластин, то в зазоре она должна быть отрицательной.

Таким образом, у нас есть экспериментальные данные, указывающие как на то, что пространство-время может быть искривлено (отклонение света во время затмений), так и на то, что его можно искривить, чтобы сделать возможными путешествия во времени (эффект Казимира). Поэтому есть все основания надеяться, что прогресс науки и техники позволит в конце концов создать машину времени. Но если так, то почему никто не прибыл к нам из будущего, чтобы объяснить, как это делается? Конечно, могут быть серьезные основания не раскрывать нам секрет временны́х странствий, пока мы примитивны и недоразвиты. Но – если, конечно, человеческая природа радикально не изменится – с трудом верится, что какой-нибудь гость из будущего не проболтался бы. Разумеется, некоторые скажут, что наблюдение НЛО доказывает, что нас уже посещали инопланетяне или «будетляне». (Чтобы добраться до нас за разумное время, они должны были освоить перемещение со сверхсветовой скоростью, так что обе возможности вполне эквивалентны.)

Но я думаю, что визит любых пришельцев был бы куда более очевидным и, возможно, более неприятным событием. Если гости из других миров или будущего вообще захотят явить себя нам, зачем выбирать в свидетели тех, кто не заслуживает доверия? Если они стараются предупредить нас о большой опасности, то они не слишком в этом преуспели.

Отсутствие гостей из будущего можно объяснить тем, что прошлое уже «застыло»: мы наблюдали его и убедились, что там нет областей достаточно искривленных, чтобы попасть туда из будущего. С другой стороны, будущее неизвестно и открыто, и там вполне может найтись область с нужной кривизной. То есть если путешествия во времени возможны, то только в будущее. Так что капитану Кирку и его звездолету «Энтерпрайз» никак не пробраться в наше время.

Примерно понятно, почему нас не одолевают толпы туристов из будущего, но повисает вопрос: как избежать проблем, возникающих, если кто-то сможет вернуться в прошлое и изменить ход событий? Предположим, например, что вы попали в прошлое и убили своего прапрадеда, когда тот был еще мальчиком. Существует множество вариантов этого парадокса, но все они, в сущности, сводятся к одному и тому же: возможность изменять прошлое ведет к противоречиям.

По-видимому, есть два способа разрешения парадоксов, связанных с путешествиями во времени. Первый я буду называть подходом непротиворечивых историй, и он декларирует: даже если пространство-время свернуто так, что допускает путешествие в прошлое, все происходящее в пространстве-времени должно подчиняться законам физики. То есть вы можете вернуться назад в прошлое, только если история уже зафиксировала факт вашего появления в прошлом из будущего и если вы не убили своего прапрадеда и не совершили других действий, которые идут вразрез с вашим настоящим. К тому же, если вы отправитесь в прошлое, то не сможете изменить «застывшую» историю. А значит, не идет речи о свободе воли: вы не сможете делать то, что хочется. Конечно, можно сказать, что свобода воли – это всего лишь иллюзия. Если действительно существует полная единая теория, определяющая все на свете, то она, надо полагать, также определяет и ваши действия. Но механизм ее действия на такой сложный организм, как человек, невозможно просчитать. Мы говорим, что человек наделен свободной волей, потому что не можем предсказать поступков друг друга. Но если человек отправится в космос на ракете и возвратится до времени отправления, то он или она сможет предсказать свои дальнейшие действия, поскольку они будут частью известной истории. То есть в этой ситуации у путешественника во времени не будет свободы воли.

Другой возможный способ разрешения связанных с путешествиями во времени парадоксов можно назвать гипотезой альтернативных историй. Идея в том, что когда путешественник возвращается в прошлое, он попадает в альтернативную историю, которая отличается от записанной. Таким образом, он может действовать по своему усмотрению и ему не нужно с чем-либо координировать свои поступки. Стивен Спилберг вдоволь наигрался с этим предположением, когда снимал «Назад в будущее»: Марти Макфлай смог вернуться в прошлое и изменить историю отношений своих родителей на более подходящую.

Гипотеза альтернативных историй напоминает придуманный Ричардом Фейнманом способ представления квантовой механики в виде суммы по траекториям, о которой шла речь в четвертой и восьмой главах. По Фейнману, у Вселенной была не одна история, а скорее, набор всех возможных историй, каждая со своей вероятностью. Но между методом Фейнмана и альтернативными историями, пожалуй, есть одно важное различие. В фейнмановской сумме каждая траектория, или история, включает пространство-время целиком, а также все, что оно содержит. Пространство-время может иметь искривленную форму, позволяющую отправиться в прошлое на космическом корабле. Но корабль при этом останется внутри того же пространства-времени и, следовательно, той же истории, которая должна быть непротиворечивой. Так что фейнмановская сумма по траекториям согласуется с гипотезой скорее непротиворечивых, чем альтернативных историй.

Подход Фейнмана допускает возможность путешествий в прошлое на микроскопическом уровне. В девятой главе мы узнали, что законы природы остаются неизменными при комбинациях симметрий C, P и T. Это значит, что античастица, вращающаяся против часовой стрелки и движущаяся из A в B, может рассматриваться как обычная частица, вращающаяся по часовой стрелке и движущаяся в обратном направлении во времени – из B в A. Аналогично обычная частица, смещающаяся вперед по временной шкале, эквивалентна античастице, движущейся назад по времени. Как уже отмечалось в этой и в седьмой главе, «пустое» пространство заполнено парами виртуальная частица – виртуальная античастица, которые возникают вместе, разбегаются, сходятся и взаимно аннигилируют.

Так, пара частица – античастица может рассматриваться как одна частица, движущаяся по замкнутой траектории в пространстве-времени. Когда пара движется вперед по времени (от рождения к аннигиляции), она называется частицей. Но когда она движется назад во времени (от аннигиляции пары к ее рождению), она называется античастицей, движущейся вперед во времени.

В седьмой главе объяснялось, каким образом черные дыры испускают частицы и излучение, и механизм состоит в следующем: один из членов виртуальной пары частица – античастица (например античастица) падает в черную дыру, и второй член остается без партнера, с которым мог бы аннигилировать. Одинокая частица тоже может упасть в черную дыру, но может также и уйти из ее окрестностей. В последнем случае удаленный наблюдатель примет ее за частицу, испущенную черной дырой.

Впрочем, излучение черной дыры можно описать в виде иной, эквивалентной интуитивной схемы. Компонент виртуальной пары, упавший в черную дыру (например античастицу), можно рассматривать как частицу, движущуюся от черной дыры назад во времени. По достижении момента, когда рождается виртуальная пара частица-античастица, она тут же рассеивается гравитационным полем черной дыры и превращается в частицу, которая движется вперед во времени, удаляясь от черной дыры. А в случае если в черную дыру упала частица, ее можно рассматривать как античастицу, движущуюся назад во времени и исходящую из черной дыры. То есть излучение черных дыр показывает, что квантовая теория допускает возможность движения назад во времени на микроскопических масштабах и что перемещения во времени такого рода могут иметь наблюдаемые проявления.

Напрашивается вопрос: допускает ли квантовая механика возможность путешествий во времени на макроскопическом уровне, которой могли бы воспользоваться люди? На первый взгляд это кажется вероятным. По Фейнману, суммирование надлежит выполнять по всем траекториям, то есть не исключая траектории с таким искривлением пространства-времени, которое разрешает визит в прошлое. Почему у нас не возникает проблем с историей? Предположим, к примеру, что кто-то отмотал назад несколько лет и раскрыл нацистам секрет атомной бомбы…

Этих проблем можно избежать, если взять на вооружение то, что я называю гипотезой защиты хронологии. В согласии с ней законы физики «сговорились», чтобы не позволить макроскопическим телам передавать информацию в прошлое. Как и гипотеза космической цензуры, она не доказана, но есть все основания считать ее верной.

Гипотеза защиты хронологии заслуживает доверия, потому что когда пространство-время искривлено достаточно, чтобы сделать возможными путешествия в прошлое, виртуальные частицы, движущиеся по замкнутым траекториям в пространстве-времени, могут превращаться в реальные частицы, движущиеся вперед во времени со скоростями, равными скорости света, или медленнее. Эти частицы проходят по этой петле произвольное число раз и столько же раз минуют любую точку своей траектории. Таким образом, их энергия учитывается снова и снова, и плотность энергии становится очень высокой. В результате пространство-время обретает положительную кривизну, которая не позволяет попасть в прошлое. Пока еще не до конца понятно, становится ли под действием этих частиц кривизна положительной или отрицательной или же кривизна, продиктованная некоторыми типами виртуальных частиц, может подменяться кривизной, порожденной частицами другого типа. Так что вопрос о возможности путешествий во времени остается открытым. Но я не готов делать ставки на исход этого спора. У моего оппонента может оказаться нечестное преимущество: не исключено, что будущее ему уже известно.

Глава одиннадцатая. Объединение физики

Как мы уже выяснили в первой главе, построить полную единую теорию всего во Вселенной – чрезвычайно трудная задача. Поэтому мы продвигались вперед, создавая частные теории, описывающие ограниченный круг событий, пренебрегая другими эффектами или учитывая их приблизительно через определенные параметры. (Например, химия позволяет вычислять взаимодействия между атомами, и для этого не нужно знать внутреннего строения атомного ядра.) Мы надеемся в конце концов создать всеобъемлющую непротиворечивую теорию, которая включит в себя все частные теории на правах приближений и которую не придется настраивать путем подбора значений констант, чтобы согласовать с реальностью. Поиски такой теории известны как «объединение физики». Последние годы своей жизни Эйнштейн посвятил попыткам – безуспешным – отыскать подходящую модель, но то было стремление опередить свое время: тогда уже существовали частные теории тяготения и электромагнитных сил, а о ядерных силах было известно мало. К тому же ученый отказывался признавать реальность квантовой механики, несмотря на ту роль, которую сыграл в ее разработке. И все же принцип неопределенности, как видится, имеет фундаментальное значение в нашей Вселенной, а следовательно, успешная единая теория должна учитывать его.

Как станет ясно дальше, сейчас перспективы появления такой теории намного радужнее, потому что мы куда больше знаем о Вселенной. Но не будем слишком самонадеянными – немало наших надежд обернулись миражами! Например, в начале XX века казалось, что все можно объяснить через свойства сплошного вещества – упругость, теплопроводность и прочее, но открытие структуры атома и принципа неопределенности поставили на этих планах жирный крест. В 1928 году физик и лауреат Нобелевской премии Макс Борн и вовсе заявил группе ученых, посетивших Гёттингенский университет: «С физикой, какой мы ее знаем, через полгода будет покончено». Причиной его уверенности было незадолго до этого выведенное Полем Дираком уравнение, описывающее поведение электрона. Предполагалось, что аналогичное уравнение будет справедливо и для протона – другой известной на тот момент элементарной частицы[45] – и что это станет приговором для теоретической физики. Но планы ученых в очередной раз были нарушены: состоялось открытие нейтрона и ядерных сил. Впрочем, я считаю, что все же есть некоторые основания для осторожного оптимизма, что наши поиски фундаментальных законов природы, возможно, вскоре увенчаются успехом.

В предыдущих главах я рассказал об общей теории относительности, частной теории гравитации, а также о частных теориях слабого, сильного и электромагнитного взаимодействий. Последние три можно объединить в рамках так называемых теорий великого объединения, которые пока несовершенны: они не учитывают гравитацию и содержат ряд параметров, например отношения масс различных частиц, численные значения которых нельзя предсказать в рамках самой теории, а приходится подбирать, исходя из экспериментальных данных. Главная проблема теории, объединяющей тяготение с другими видами взаимодействий, в том, что общая теория относительности – это классическая теория, то есть она не принимает во внимание принцип неопределенности квантовой механики. При этом другие частные теории существенно зависят от квантовой механики. Следовательно, на первом этапе необходимо интегрировать принцип неопределенности в общую теорию относительности. Как мы уже видели, такое сочетание имеет замечательные следствия, например, что черные дыры совсем не черные, что во Вселенной нет сингулярностей, что она полностью самодостаточна и не имеет границ. Как мы выяснили в седьмой главе, сложность в том, что в соответствии с принципом неопределенности даже «пустое» пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Суммарная энергия этих пар должна быть бесконечна и, следовательно, как указывает знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc^2, их масса тоже должна быть бесконечной. Таким образом, их сила тяготения должна свернуть Вселенную до бесконечно малого размера.

Аналогичные, кажущиеся нелепыми бесконечности [расходимости] появляются и в других частных теориях, но во всех случаях они устраняются при помощи так называемой перенормировки. В ее рамках одни бесконечности нейтрализуются введением других. Хотя эта методика может показаться сомнительной с математической точки зрения, она, похоже, работает: перенормировка используется в упомянутых теориях и позволяет получать предсказания, которые с удивительной точностью согласуются с наблюдениями. Но если мы желаем рассматривать перенормировку как инструмент для построения полной единой теории, нам придется признать, что у нее есть серьезный недостаток: реальные значения масс и величин сил нельзя предсказать в рамках теории – их приходится подбирать, исходя из результатов наблюдений.

При попытке включить принцип неопределенности в общую теорию относительности в нашем распоряжении оказываются только два свободных параметра: сила тяготения и значение космологической постоянной. Но регулировки только этих двух параметров недостаточно, чтобы устранить все бесконечности. Поэтому нам приходится мириться с теорией, которая предсказывает, что некоторые величины, например кривизна пространства-времени, в действительности бесконечны, но при этом могут быть измерены и, согласно измерениям, оказываются совершенно конечными! Какое-то время назад ученые уже заподозрили, что попытки соединить общую теорию относительности и принцип неопределенности могут встретить такое препятствие, но окончательно этот вывод был подтвержден подробными расчетами лишь в 1972 году. Спустя четыре года было предложено решение – так называемая супергравитация. Идея состояла в сочетании частиц со спином 2 – гравитонов, носителей гравитационного взаимодействия – с некоторыми другими частицами со спином 3/2, 1, 1/2 и 0. В некотором смысле все эти частицы могли рассматриваться как разновидности одной и той же «суперчастицы», тем самым обеспечивая объединение частиц вещества со спином 1/2 и 3/2 и частиц-носителей взаимодействий со спином 0, 1 и 2. Виртуальные пары частица – античастица со спином 1/2 или 3/2 имеют отрицательную энергию и, таким образом, они, как правило, компенсируют положительную энергию виртуальных пар со спином 2, 1 и 0. То есть множество возможных бесконечностей сокращается, но некоторые, по-видимому, все же сохраняются. К сожалению, расчеты, необходимые, чтобы установить, остались ли в супергравитации «несокращенные» бесконечности, оказались настолько громоздкими, что никто не был готов выполнить их. Даже чтобы выполнить все вычисления на компьютере, потребуется не менее четырех лет, и при этом, вероятнее всего, не удастся избежать ошибки – хотя бы одной, или даже нескольких. Так что мы сможем быть уверенными в правильности ответа, только если кто-нибудь повторит расчеты и получит тот же результат, а это не очень-то вероятно!

Несмотря на эти проблемы и на то, что частицы в теориях супергравитации не похожи на наблюдаемые частицы, большинство ученых считали, что супергравитация – это все же верный путь, который в перспективе приведет к объединению гравитации с другими силами. Но в 1984 году симпатии научного сообщества замечательным образом изменились: многие стали склоняться в пользу теории струн. Базовыми сущностями в ней являются не частицы – точки в пространстве, – а объекты, имеющие длину, но не имеющие других измерений, подобно бесконечно тонкому отрезку струны. У них могут быть концы (так называемые открытые струны), но они могут замыкаться сами на себя, образуя петли (замкнутые струны) (рис. 11.1 и 11.2). В любой момент времени частица занимает в пространстве одну точку, и ее историю можно представить в виде линии в пространстве-времени («мировой линии»). В отличие от нее, струна в каждый момент времени представляет собой линию в пространстве. Так что ее история в пространстве-времени выглядит как двумерная поверхность, так называемый мировой лист. (Любая точка на таком мировом листе задается двумя числами: одно из них определяет время, а другое – положение точки на струне.) Мировой лист открытой струны имеет вид ленты – ее края обозначают пути концов струны в пространстве-времени (рис. 11.1). Мировой лист замкнутой струны имеет вид цилиндра, или трубы (рис. 11.2): в сечении трубы находится круг, который отображает положение струны в конкретный момент времени.

Два отрезка струны могут соединиться, образуя единую струну; открытые струны могут соединяться своими концами (рис. 11.3), а в случае замкнутых струн схема напоминает соединяющиеся штанины брюк (рис. 11.4). Аналогичным образом отрезок струны может разделиться на два. В теориях струн то, что раньше принимали за различные точечные частицы, рассматривается как волны на струне, подобные колебаниям леера воздушного змея. Поглощению одной частицы другой частицей или излучению их соответствует соединение двух струн в одну или разделение струны на две части. Например, в теориях частиц считается, что сила притяжения, действующая на Землю со стороны Солнца, вызвана излучением гравитонов частицами вещества на Солнце и их поглощением частицами вещества на Земле (рис. 11.5). В теории струн этот процесс соответствует Н-образной трубе (рис. 11.6) (теория струн чем-то похожа на ремесло сантехника). Две вертикальные черты буквы «Н» соответствуют частицам на Солнце и на Земле, а соединяющая их горизонтальная черта соответствует гравитону, который движется между ними.

История теории струн весьма любопытна. Она впервые была озвучена в конце 60-х годов прошлого века и стала плодом попыток создать теорию сильного взаимодействия. Авторы теории предлагали рассматривать такие частицы, как протон и нейтрон, как колебания струны. Сильное взаимодействие между частицами иллюстрирует переплетение струн, как в паутине. Чтобы теория давала наблюдаемую величину для сильного взаимодействия, струны должны напоминать резиновые ленты, которые удерживают груз в 10 тонн.

Рис. 11.1

Рис. 11.2

Рис. 11.3

Рис. 11.4

В 1974 году Жоэль Шерк из Высшей нормальной школы в Париже и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали статью, в которой показали, что теория струн способна описать природу гравитационных сил, но при куда большем натяжении струн – около тысячи миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью девятью нулями) тонн. На нормальных масштабах предсказания теории струн не отличаются от предсказаний общей теории относительности, а различия проявляются на очень малых расстояниях, в тысячу миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов раз меньше сантиметра (сантиметр, деленный на число, равное единице с тридцатью тремя нулями). Но работа эта не привлекла особого внимания: как раз в это время большинство физиков потеряли интерес к первоначальной струнной теории сильного взаимодействия, увлекшись построениями, основанными на гипотезе о существовании кварков и глюонов, которая, похоже, лучше согласовывалась с наблюдениями. Шерк трагически погиб (он страдал от диабета и впал в кому, когда некому было сделать ему инъекцию инсулина), так что Шварц остался практически единственным сторонником теории струн. Правда, он исходил из куда большего их натяжения.

В 1984 году интерес к теории струн оживился, по-видимому, по двум причинам. Во-первых, не наблюдалось сколько-нибудь значительного прогресса в исследованиях, призванных доказать конечность супергравитации или ее способность объяснить наблюдаемые типы частиц. Во-вторых, Джон Шварц совместно с Майком Грином из Колледжа королевы Марии в Лондоне опубликовали статью, где показали, что теория струн может объяснить существование частиц со встроенной хиральностью (то есть «праворукостью», или «леворукостью»), подобной той, что присуща некоторым наблюдаемым частицам. Так или иначе, множество исследователей стали развивать теорию струн, и вскоре был создан новый ее вариант, в основе которого лежит предположение о гетеротических струнах. Он, как казалось, мог объяснить типы частиц, которые мы наблюдаем.

Рис. 11.5

Рис. 11.6

В теориях струн тоже возникают бесконечности, но считается, что в версии теории, сходной с той, что рассматривает гетеротические струны, все они сократятся (правда, пока это не известно наверняка). Но у теорий струн есть более серьезная проблема: похоже, что они непротиворечивы, только если пространство-время имеет или десять, или двадцать шесть измерений вместо обычных четырех! Конечно, дополнительные измерения пространства-времени – обычное дело в научной фантастике – это идеальный способ обойти обычное ограничение общей теории относительности, которая не допускает движения со скоростью, превышающей световую, а также движения назад во времени (см. десятую главу). Идея состоит в том, чтобы пройти коротким путем через дополнительные измерения. Это можно вообразить следующим образом. Представьте себе, что мы живем в пространстве с двумя измерениями, которое искривлено наподобие поверхности спасательного круга или тора (рис. 11.7). Если вы находитесь на одной стороне внутреннего края кольца и хотите перебраться в точку на другой стороне, вам придется двигаться по кругу вдоль внутреннего края. Но если вы способны двигаться также и в третьем измерении, то сможете выйти за пределы кольца и пройти в пункт назначения прямо через центр кольца.

Рис. 11.7

Почему мы не замечаем эти дополнительные измерения, если они реально существуют? Почему мы воспринимаем только три пространственных измерения и время? Согласно предположениям, все дело в том, что остальные измерения свернуты в пространстве до очень малого размера – примерно трех миллионно-миллионно-миллионно-миллионных долей сантиметра. Это так мало, что мы просто не различаем их: мы воспринимаем только одно временно́е и три пространственных измерения, в которых пространство-время выглядит довольно плоским. Оно похоже на поверхность соломинки. Если посмотреть на нее вблизи, то видно, что поверхность двумерна (положение точки на соломинке задается двумя числами – расстоянием вдоль соломинки и расстоянием вдоль кругового измерения). Но если взглянуть на соломинку издалека, то ее толщина незаметна и соломинка выглядит одномерной (положение точки на ней задается всего лишь расстоянием вдоль соломинки). Точно так же дело обстоит и с пространством-временем: на очень малых масштабах оно десятимерно и сильно искривлено, а на больших масштабах эта кривизна и дополнительные измерения незаметны. Если эта картина верна, то она не сулит ничего хорошего путешественниками во времени: дополнительные измерения слишком малы, чтобы через них мог пройти космический корабль. Правда, возникает еще одна большая проблема: непонятно, почему некоторые измерения свернуты в мельчайший шар, а некоторые – нет. По-видимому, в ранней Вселенной все измерения были сильно искривлены. Но почему же одно временное и три пространственных измерения выпрямились, а остальные остались плотно скрученными?

Возможное решение – обращение к антропному принципу. Двух пространственных измерений, по-видимому, недостаточно, чтобы обеспечить возможность зарождения таких сложных существ, как мы. Например, двумерным животным, живущим на одномерной Земле, пришлось бы перелезать друг через друга, чтобы разойтись. А съев что-нибудь, двумерное существо не смогло бы полностью переварить это, и ему пришлось бы выводить остатки еды тем же путем, которым еда попала внутрь, потому что если бы у двумерного существа был сквозной проход через тело, оно разделилось бы на две половины – попросту распалось бы надвое (рис. 11.8). Трудно также представить себе кровообращение в двумерном организме.

Проблемы возникнут также в случае наличия более трех пространственных измерений. Так, сила гравитационного притяжения между двумя телами уменьшалась бы с увеличением расстояния быстрее, чем в трехмерном пространстве. (В трех измерениях при увеличении расстояния вдвое сила притяжения уменьшается в четыре раза. В четырехмерном пространстве сила уменьшится в восемь раз, в пятимерном – в шестнадцать, и т. д.). Эти различия важны, потому что орбиты планет вокруг Солнца – например, орбита Земли – оказываются неустойчивыми: из-за малейшего возмущения круговой орбиты (например, вызванного силой притяжения других планет) Земля начнет двигаться по спирали от Солнца или к Солнцу. А потому мы либо замерзнем, либо сгорим. В действительности такая зависимость силы тяготения от расстояния в пространстве с более чем тремя пространственными измерениями означает, что Солнце не смогло бы существовать в устойчивом состоянии при равновесии между давлением и силой тяжести. Солнце либо распалось, либо коллапсировало бы в черную дыру. В любом случае оно не смогло бы служить источником тепла и света для жизни на Земле. На меньших масштабах электрическая сила, которая удерживает электроны на орбитах вокруг атомного ядра, зависела бы от расстояния так же, как и гравитационная сила. Следовательно, электроны либо покинули бы атом окончательно, либо, двигаясь по спирали, упали бы на атомное ядро. В любом случае атомов в привычном нам понимании не было бы.

Рис. 11.8

Похоже, стало ясно, что жизнь (во всяком случае в том виде, в каком мы ее знаем) может существовать только в таких областях пространства-времени, где одно временно́е и ровно три пространственных измерения не свернуты до малого размера. В этих обстоятельствах можно обратиться к слабому антропному принципу, если удастся доказать, что теория струн как минимум допускает существование таких областей во Вселенной – и, похоже, это действительно так. Во Вселенной вполне могут иметься и другие области, равно как могут существовать и другие вселенные (что бы это ни значило), где все измерения свернуты до малого размера или где насчитывается более четырех почти плоских измерений. Но в таких областях и в таких вселенных не будет разумных существ, которые могли бы наблюдать другое количество эффективных измерений.

Другая проблема состоит в том, что существуют как минимум четыре различные теории струн (одна теория открытых струн и три теории замкнутых струн) и миллионы способов сворачивания лишних измерений, предсказываемых такими теориями. На каком основании следует выбрать ту или иную теорию и способ сворачивания? Одно время казалось, что на этот вопрос нет ответа, и прогресс остановился. Потом, начиная примерно с 1994 года, ученые стали обнаруживать так называемые дуальности: разные теории струн и разные способы сворачивания лишних измерений могли приводить к одинаковым результатам в четырех измерениях. К тому же кроме частиц, занимающих одну точку в пространстве, и струн, представляющих собой линейные объекты, были обнаружены и другие сущности под названием p-браны – двумерные объекты и объекты с бóльшим числом пространственных измерений. (Частицу можно рассматривать как 0-брану, а струну – как 1-брану, но есть также p-браны с числом измерений от p = 2 до p = 9.) Это, похоже, свидетельствует о демократичном характере отношений между теорией супергравитации, теорией струн и теорией p-бран: они, по-видимому, согласуются друг с другом, но при этом ни одна из них не может считаться более фундаментальной, чем другие. Похоже, все они представляют собой разные приближения к некоей более фундаментальной теории, причем применимые в разных ситуациях.

Ученые продолжают поиски этой теории, но пока без особого успеха. Правда, я считаю, что единой формулировки фундаментальной теории, может быть, вообще не существует. Но оснований для такого утверждения у меня не более, чем у Гёделя, показавшего, что невозможно построить арифметику на базе одного набора аксиом. Возможно, здесь действует тот же принцип, что и в картографии: нельзя изобразить поверхность земного шара или поверхность бублика на одной плоской карте – для Земли понадобятся как минимум две, а для бублика – четыре карты, чтобы отобразить все точки. Каждая карта годится только для ограниченной области, но все они где-то перекрывают друг друга. Набор карт гарантирует полное описание поверхности. Быть может, так же нужно действовать и физикам – в разных ситуациях использовать разные формулировки, но при этом две разные формулировки должны находиться в согласии в той области, где обе они применимы. Полный набор разных формулировок может рассматриваться как полная единая теория, хотя она и не может быть выражена при помощи единого набора постулатов.

Но может ли и вправду существовать такая единая теория? Может, мы просто гонимся за миражом? По-видимому, есть три возможности.

1. Полная единая теория (или набор перекрывающих друг друга формулировок) действительно существует, и в один прекрасный день мы построим ее, если достаточно умны.

2. Безусловной единой теории Вселенной не существует – есть лишь бесконечная последовательность теорий, которые описывают Вселенную с возрастающей точностью.

3. Теории Вселенной вообще не существует: невозможно предсказать события точнее некоторого уровня, они случайны и произвольны.

Некоторые станут отстаивать третью точку зрения на тех основаниях, что наличие полного набора законов природы было бы посягательством на право Бога передумать и вмешаться в мировой ход событий. Это напоминает о старом парадоксе: может ли Бог создать камень, который сам не в силах поднять? Идея о том, что Бог может передумать, – пример ошибки в рассуждениях, на которую указывал еще блаженный Августин: нелогично представлять, что Бог существует во времени, ведь время – это всего лишь свойство созданной Богом Вселенной. Бог, вероятно, знал, что затевает, когда творил ее!

Появление квантовой механики помогло осознать, что события невозможно предсказать с абсолютной точностью, что всегда есть некоторая доля неопределенности. Если хотите, можете отнести эту случайность на счет божественного вмешательства, правда, очень странного: нет никаких оснований подозревать, что у божества была хоть какая-то цель. Действительно, если бы такое вмешательство имело место, оно по определению не могло бы быть случайным. В наше время мы полностью исключили третью возможность, пересмотрев цели науки. И главная цель состоит в том, чтобы сформулировать законы, которые позволят предсказывать события с точностью, допускаемой принципом неопределенности.

Вторая возможность – бесконечная последовательность все более совершенных теорий – пребывает в согласии с имеющимся на данный момент опытом. Во многих случаях повышение чувствительности измерений или выполнение наблюдений нового типа приводило к открытию новых явлений, которые не могли быть предсказаны в рамках существующей теории, и для учета этих явлений приходилось создавать новую, более точную теорию. Поэтому неудивительно, если современные теории великого объединения окажутся ошибочными: они постулируют, что между энергией объединения электрослабого взаимодействия, составляющей около 100 ГэВ, и энергией великого объединения, равной примерно миллиону миллиардов [одному квадриллиону] ГэВ, ничего существенного не происходит. Вполне можно ожидать открытия нескольких новых структурных уровней, более фундаментальных, чем кварки и электроны, которые мы сейчас принимаем за «элементарные» частицы.

Но похоже, что гравитация устанавливает предел этой череде «матрешек». Если бы существовала частица с энергией больше так называемой планковской энергии – 10 миллионов миллионов миллионов (единица с девятнадцатью нулями) ГэВ, то ее масса оказалась бы настолько концентрированной, что частица эта отрезала бы себя от остальной Вселенной, образовав микроскопическую черную дыру. Так что, по-видимому, у последовательности все более совершенных теорий должен быть предел, и мы подойдем к нему, исследуя взаимодействия на все более высоких энергиях. А следовательно, некоторая окончательная теория Вселенной должна существовать. Конечно, энергии около сотни ГэВ (тот максимум, который мы можем обеспечить в современных лабораторных экспериментах) далеко отстоят от планковской энергии. Ускорители частиц не позволят преодолеть эту пропасть в обозримом будущем! Между тем события с такими энергиями разворачивались на самых ранних этапах эволюции Вселенной. Думаю, есть все основания надеяться, что исследования ранней Вселенной в совокупности с требованиями математической непротиворечивости позволят создать полную единую теорию еще при жизни некоторых из наших современников. Конечно, если мы не уничтожим себя до того!

Что может означать создание окончательной теории Вселенной? Как мы уже выяснили в первой главе, мы никогда не сможем окончательно убедиться в правильности наших построений, поскольку нельзя получить доказательств. Но если теория непротиворечива с точки зрения математики и все ее предсказания согласуются с наблюдениями, то можно считать ее правильной с некоторой уверенностью. Это ознаменует конец долгой и славной эпохи в истории человечества, отмеченной отчаянными попытками умом объять Вселенную. Создание такой теории также коренным образом изменит представления обычных людей о законах, которые управляют космосом. Во времена Ньютона образованный человек мог получить представление обо всем объеме человеческих знаний, во всяком случае, в общих чертах. Но с тех пор прогресс науки ускорился настолько, что это стало невозможным. Теории постоянно корректируют, чтобы «совместить» их с результатами наблюдений, и поэтому ученые не успевают переосмыслить и упростить новые соображения, чтобы они стали понятными для обычных людей. Нужно быть специалистом, но даже и он может в полной мере осознать лишь небольшую часть научных теорий. К тому же наука развивается столь стремительно, что полученные в школе и университете знания довольно быстро устаревают. Немногие способны поспевать за удаляющимся передним краем познания, а потому большинству ученых приходится посвящать все свое время исследованиям в небольшой научной области. Все прочие имеют очень невнятное представление об их достижениях и том трепете, который они вызывают. С другой стороны, если верить Эддингтону, 70 лет назад лишь два человека понимали общую теорию относительности. Теперь она доступна десяткам тысяч выпускников университетов, и миллионы людей могут сказать, что по крайней мере знакомы с ней. Если полная единая теория будет построена, то ее упрощенное, популярное изложение, которое включат – хотя бы в общих чертах – в школьную программу – это всего лишь вопрос времени. И тогда мы все сможем судить о законах, управляющих Вселенной и ответственных за само наше существование.

Но даже если полная единая теория будет создана, это не значит, что мы в целом сможем предсказывать события. Причин на то две. Во-первых, это ограничения, которые накладывает квантовомеханический принцип неопределенности на нашу способность предсказывать. Обойти его невозможно. Но на практике первое ограничение даже не такое сильное, как второе: мы, скорее всего, не сможем получить точные результаты для уравнений единой теории, за исключением самых простых случаев. (Мы не в состоянии даже выполнить точный расчет движения трех тел в ньютоновской теории тяготения, и сложность задачи растет с увеличением числа задействованных тел и сложности теории.) Мы уже знаем законы, которые управляют поведением вещества во всех условиях, кроме экстремальных. В частности, мы знаем фундаментальные законы, лежащие в основе химии и биологии. И при этом мы пока не можем считать все проблемы в этих областях науки решенными: у нас не очень-то получается предсказывать человеческое поведение на основании математических уравнений! А потому, даже если мы и выведем все фундаментальные законы, потребуется много лет, чтобы справиться с труднейшей интеллектуальной задачей – разработать более совершенные методы аппроксимации, которые позволят делать эффективные предсказания вероятных исходов в сложных реальных ситуациях. Полная непротиворечивая единая теория – это всего лишь первый шаг. Наша цель – полное понимание мира вокруг нас и нашего собственного существования.

Глава двенадцатая. Заключение

Мы живем в ошеломляющем мире. Мы хотим понять смысл того, что видим вокруг себя, и спросить: какова природа Вселенной? каково наше место в ней? откуда она и мы появились? почему все именно таково, каково есть?

В попытке ответить на эти вопросы мы принимаем некую картину мироздания. Это может быть бесконечная башня из черепах, на которой покоится плоская Земля, а может быть и теория суперструн. Все это теории Вселенной, правда, вторая описана при помощи математических уравнений, она более точная, чем первая. Ни одну из них однако не подкрепляют данные наблюдений: никто никогда не видел гигантской черепахи, несущей на спине Землю, равно как никто не видел и суперструн. И все же «черепаховую» версию нельзя считать хорошей научной теорией, потому что она предрекает, что кто-то таки может упасть с края света. Это не подтверждается нашим опытом, если, конечно, мы не собираемся таким образом объяснить исчезновения людей в Бермудском треугольнике!

Самые ранние попытки теоретически описать и осознать Вселенную основывались на том представлении, что событиями и явлениями природы управляют духи, наделенные человеческой способностью чувствовать и поступающие совсем как люди – непредсказуемо. Эти духи населяли природу – реки, горы и небесные тела, включая Солнце и Луну. Их полагалось ублажать, и люди стремились добиться их расположения, чтобы были плодородными почвы, времена года сменяли друг друга. Но постепенно люди стали подмечать некоторые закономерности: Солнце всегда встает на востоке и заходит на западе независимо от того, принесли жертвы богу Солнца или нет. Оказалось также, что Солнце, Луна и планеты движутся по заданным «колеям» на небе и что их путь можно предсказать заранее, причем весьма точно. Солнце и Луна все еще могли оставаться божествами, но теперь они подчинялись строгим законам и, по-видимому, без каких бы то ни было исключений, если не принимать во внимание полумифических историй, вроде той об Иисусе Навине, который остановил Солнце.

Сначала эти закономерности и законы подметили астрономы, очевидны они были и в небольшом числе других ситуаций. Но с развитием цивилизации, а в особенности на протяжении последних трех столетий, количество выявленных закономерностей постоянно увеличивалось. На волне успехов, достигнутых с помощью этих законов, Пьер-Симон Лаплас в начале XIX века выдвинул постулат научного детерминизма – предположил существование набора законов, которые позволяют абсолютно точно описать эволюцию Вселенной при условии, что известна ее конфигурация в какой-либо момент времени.

Детерминизм Лапласа был неполным в двух отношениях: он не объяснял, как следует выбирать законы природы, и не задавал начальную конфигурацию Вселенной. Два этих аспекта оставались прерогативой Бога. Творец решил, как должна начаться Вселенная, и определил законы, которым она должна подчиняться. При этом Он не вмешивался в дальнейший ход событий. В сущности, участие Бога ограничивалось сферами, которые находились вне пределов понимания науки XIX века.

Теперь мы знаем, что надеждам Лапласа построить детерминистскую картину мира – во всяком случае, в том виде, в каком он ее замыслил, – не суждено было сбыться. Принцип неопределенности квантовой механики постулирует, что некоторые пары величин, как, например, положение частицы и ее скорость, невозможно предсказать с абсолютной точностью. В квантовой механике эта ситуация разрешается посредством класса квантовых теорий, согласно которым частицы представляют собой волны, то есть не имеют четких положения и скорости. Эти квантовые теории детерминистичны в том смысле, что устанавливают законы эволюции волн со временем. Так, если нам известно состояние волны в некий момент времени, мы можем вычислить ее состояние в любой другой момент. Элемент непредсказуемости и случайности появляется только при интерпретации волны в терминах положений и скоростей частиц. Но, возможно, это как раз наша ошибка и никаких положений и скоростей частиц не существует, а есть только волны. И проблема просто-напросто в том, что мы пытаемся «втиснуть» их в наши устоявшиеся представления, отталкивающиеся от положений и скоростей. То есть возникающая непредсказуемость есть результат несоответствия наших представлений о реальности.

Мы, в сущности, пересмотрели назначение науки – ей предписывается открывать законы, которые позволят предсказывать события с точностью, допускаемой принципом неопределенности. Однако остается открытым вопрос: как и почему были выбраны именно эти законы и именно это начальное состояние Вселенной?

В этой книге я особенно много внимания уделяю законам, управляющим тяготением, потому что именно оно определяет крупномасштабную структуру Вселенной. Хотя это и самое слабое из четырех видов взаимодействий. Законы тяготения оказались несовместимы с господствовавшим вплоть до недавнего времени представлением о том, что Вселенная не меняется во времени: под действием тяготения тела всегда притягиваются друг к другу, а значит, Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Согласно общей теории относительности в некий момент в прошлом Вселенная должна была пребывать в состоянии с бесконечной плотностью, – это Большой взрыв, начало времен. Аналогично, если Вселенной предстоит сжаться, то в будущем она должна прийти в другое состояние с бесконечной плотностью – так называемое Большое сжатие, которое станет концом времен. Даже если Вселенной не суждено сжаться, в некоторых ее областях все равно будут находиться сингулярности – там, где произошел коллапс с образованием черной дыры. Эти сингулярности обозначают конец времени для любого, кто упал в черную дыру. И в момент Большого взрыва, и внутри других сингулярностей все законы природы перестают действовать: Бог волен определять ход событий и выбирать точку отсчета для Вселенной.

Сочетание квантовой механики с общей теорией относительности, похоже, открывает новую возможность, которой не было до сих пор: пространство и время могут совместно образовать конечное четырехмерное пространство-время без сингулярностей и границ, подобное поверхности Земли, но с бóльшим числом измерений. Не исключено, что эта идея в состоянии объяснить многие из наблюдаемых свойств Вселенной, такие как однородность на больших масштабах и неоднородности на меньших масштабах – например, галактики, звезды и даже людей. Она может даже объяснить стрелу времени, которую мы наблюдаем. Но если Вселенная полностью самодостаточна, не имеет ни сингулярностей, ни границ и полностью описывается единой теорией, то это имеет глубокие последствия для роли Бога как Творца.

Эйнштейн однажды спросил: «Был ли у Бога выбор, когда он создавал Вселенную?» Если гипотеза об отсутствии у Вселенной границ верна, то у Бога не было никакой свободы выбора начальных условий. Бог, конечно, был волен выбирать законы, которым подчиняется Вселенная. Но это, вообще говоря, не очень-то можно назвать выбором; вполне вероятно, что существует всего одна или несколько полных непротиворечивых единых теорий, например гетеротическая теория струн, допускающих существование структур настолько сложных, как человеческие существа, способные познавать законы Вселенной и задаваться вопросом о природе Бога.

Даже если есть всего одна возможная единая теория, это всего лишь набор правил и уравнений. Что же вдыхает жизнь в уравнения? Из чего рождается Вселенная, которую они описывают? Традиционный научный подход, который состоит в создании математической модели, не может ответить на целый ряд вопросов: почему вообще должна существовать описываемая моделью вселенная? почему Вселенная вообще существует? действительно ли единая теория сама есть причина своего существования? или ей требуется творец? а если так, то оказывает ли он еще какое бы то ни было влияние на Вселенную? и кто создал творца?

До сих пор большинство ученых были слишком заняты построением новых теорий, должных указать, что есть Вселенная, и им совсем некогда было задуматься над вопросом, почему она именно такова. С другой стороны, те, кто должен был смотреть на проблему именно с этого угла, то есть философы, не могли поспеть за прогрессом научных теорий. В XVIII веке философы почитали все знания, включая научные, относящимися к сфере их компетенции и рассуждали о том, было ли у Вселенной начало. Но в XIX и XX веках наука стала слишком сложной для философов – и технически, и математически, – да и для всех, кроме немногих специалистов. Философы так ограничили круг своих интересов, что Людвиг Витгенштейн – самый известный философ XX века – сказал как-то: «Единственное, что остается философии, – это изучение языка». Вот уж действительно, куда все скатилось – от некогда великой традиции, от Аристотеля и Канта!

Но если мы все же построим полную теорию, то она со временем должна стать понятна – если не касаться частностей – всем, не только ученым. И тогда мы – философы, ученые и обычные люди – сможем принять участие в дискуссии о том, почему существует Вселенная и почему существуем мы сами. Если мы найдем ответ на этот вопрос, это ознаменует триумф человеческого разума: ведь мы поймем, чего хочет Бог.

Альберт эйнштейн

Связь Эйнштейна с политикой, а в частности с созданием атомной бомбы, хорошо известна: он подписал знаменитое обращение к президенту Франклину Рузвельту, призывающее руководство Соединенных Штатов серьезно отнестись к этой идее. После Второй мировой войны ученый также прилагал активные усилия по недопущению ядерной войны. Но то были не отдельные меры и поступки человека науки, втянутого в политику. Вся жизнь Эйнштейна, по его собственным словам, «разделилась между политикой и уравнениями».

Эйнштейн всерьез обеспокоился политической ситуацией еще во время Первой мировой войны, когда занимал должность профессора в Берлине. Ужаснувшись, что люди тратят жизни на столь бессмысленные вещи, он стал участвовать в антивоенных демонстрациях. Его одобрение гражданского неповиновения и публичная поддержка тех, кто уклонялся от призыва, не очень-то способствовали хорошему отношению со стороны коллег. Уже после войны он направил свои усилия на примирение сторон и улучшение международных отношений. И так Эйнштейн тоже не снискал популярности. Более того, вскоре из-за его взглядов ему стало сложно выезжать в США, даже если целью визита были академические лекции.

Вторым по важности для Эйнштейна был сионизм. Несмотря на свое еврейское происхождение, Эйнштейн отвергал библейское представление о Боге. Но под все нараставшей угрозой антисемитизма до, во время и после Первой мировой войны Эйнштейн постепенно стал ощущать себя частью еврейского народа и впоследствии стал решительным защитником идей сионизма. Он открыто высказывался и на эту тему, хотя многим это было не по душе. Его теории пытались оспорить, была даже создана «антиэйнштейновская» организация. Имел место случай, когда некто был осужден за подстрекательство к убийству Эйнштейна (и наказан штрафом в жалкие шесть долларов). Но Эйнштейн сохранял невозмутимость. В ответ на публикацию книги «Сто авторов против Эйнштейна» он сказал: «Если бы я был неправ, то достаточно было бы и одного!»

В 1933 году к власти пришел Гитлер. Тогда Эйнштейн находился в Америке и объявил, что не намерен возвращаться в Германию. Нацистская полиция пришла с обыском в его дом и заблокировала его банковский счет. В одной из берлинских газет тогда вышла статья с заголовком: «Хорошие новости от Эйнштейна – он не вернется». Перед лицом нацистской угрозы Эйнштейн отступил от пацифизма и, опасаясь, что немецкие ученые смогут создать ядерную бомбу, предложил правительству Соединенных Штатов заняться разработкой собственного ядерного оружия. Однако Эйнштейн публично предупреждал об опасностях ядерной войны и настаивал на международном контроле над ядерными арсеналами еще до того, как взорвалась первая атомная бомба.

Миротворческие усилия Эйнштейна, по-видимому, не имели никаких далеко идущих последствий и, кроме прочего, лишили его поддержки многих современников. Впрочем, его гласная оборона сионизма была должным образом вознаграждена в 1952 году: ученому предложили пост президента Израиля. Эйнштейн отказался, сославшись на то, что он слишком неопытный политик. Но похоже, что в действительности причина была иной. По словам физика, для него важнее были уравнения, «потому что политика – для настоящего, а уравнения – для вечности».

Галилео Галилей

Галилею, пожалуй, больше, чем кому бы то ни было другому, мы обязаны рождением современной науки. Известный конфликт с католической церковью как нельзя лучше характеризует его мировоззрение: ученый был первым, кто высказал мысль о том, что человек в состоянии понять устройство мира, и более того, что это возможно благодаря одному только наблюдению за окружающим миром.

Галилей с самого начала был убежденным сторонником теории Коперника (о том, что планеты обращаются вокруг Солнца), но публично поддержал ее, только получив необходимые доказательства. Он писал о коперниканской модели на итальянском языке (а не на принятой в научном сообществе латыни), и вскоре его взгляды получили широкую поддержку за пределами университетов. Это вызвало раздражение у профессоров-последователей Аристотеля, они объединились против Галилея и постарались убедить католическую церковь запретить гелиоцентрическую теорию.

Обеспокоенный этим Галилей отправился в Рим, чтобы обратиться к церковным иерархам. Он заявил, что когда речь идет о научных теориях, не следует уповать на Библию, а в случаях, когда библейский текст противоречит здравому смыслу, разумнее наделять его аллегорическим смыслом. Но церковь опасалась, что скандал может подорвать ее позиции в борьбе с протестантизмом, и поэтому перешла к репрессиям. В 1616 году учение Коперника провозгласили «ложным и ошибочным», а Галилею было велено никогда больше не высказываться в его защиту и отступить от него. Галилей покорился.

В 1623 году давний друг Галилея стал римским папой, и Галилей сразу же попытался добиться отмены декрета 1616 года. Он потерпел неудачу. Однако ему разрешили написать книгу-рассуждение о теориях Аристотеля и Коперника – при соблюдении двух условий: 1) автор не должен поддерживать ни одну из точек зрения и 2) выводом должно служить то утверждение, что человеку не дано понять, как устроен мир, поскольку Бог мог создать в точности такие же явления и законы недоступным разумению человека способом, и посему человек не может ограничить всемогущество Бога.

Книга «Диалог о двух главнейших системах мира» была завершена и опубликована в 1632 году, получив полное одобрение цензоров. Вскоре она была признана литературным и философским шедевром по всей Европе. Папа, осознав, что люди воспринимают работу Галилея как убедительный довод в пользу теории Коперника, пожалел о том, что разрешил опубликовать ее. Он заявил, что хотя книга получила церковное благословение, Галилей все же нарушил декрет 1616 года. Он предал Галилея суду инквизиции, которая приговорила ученого к пожизненному домашнему аресту и потребовала публично отказаться от учения Коперника. Галилей в очередной раз покорился.

Он был верующим католиком, но его вера в независимость науки осталась несокрушимой. За четыре года до смерти (он умер в 1642 году), еще оставаясь под домашним арестом, Галилей тайно переправил голландскому издателю рукопись второго фундаментального трактата. Работа «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» сыграла в становлении современной физики даже бóльшую роль, чем приверженность Галилея коперниканству.

Исаак Ньютон

Исаак Ньютон был неприятной личностью. Он известен тем, что сумел испортить отношения с другими учеными и бо́льшую часть времени на склоне лет был занят яростными спорами. После публикации «Математических начал» – безусловно, самой влиятельной книги по физике – Ньютон быстро обрел славу и высокое положение. Он был назначен председателем Королевского общества и стал первым ученым, посвященным в рыцари.

Вскоре у Ньютона случился конфликт с королевским астрономом Джоном Флемстидом, который до этого сообщил ему цифры и соображения, крайне необходимые для «Математических начал», а теперь отказывался делиться информацией, которую требовал Ньютон. Ученый не принимал отказов – он добился своего назначения на руководящий пост в королевской обсерватории и попытался спровоцировать немедленную публикацию данных. Ньютон заполучил расчеты Флемстида и устроил все так, что готовить их к публикации должен был заклятый враг Флемстида – Эдмонд Галлей. Но Флемстиду удалось в последний момент добиться судебного запрета на публикацию украденного труда. Ньютон был в бешенстве. Он отомстил Флемстиду, в том числе убрав все благодарности и ссылки на его вычисления в последующих изданиях «Начал».

Еще более серьезный спор возник у Ньютона с немецким философом Готфридом Лейбницем. Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга создали новый раздел математики – математический анализ, который лежит в основе современной физики. Известно, что Ньютон придумал математический анализ за несколько лет до Лейбница, но опубликовал соответствующую работу значительно позже. Начался ожесточенный диспут о приоритете, и обе стороны смогли найти сторонников среди ученых. Замечательно однако, что большинство статей в поддержку Ньютона были написаны им самим и опубликованы от имени его друзей! Лейбниц совершил ошибку, обратившись в поисках истины в Королевское общество. Ньютон, будучи его председателем, назначил для рассмотрения дела «независимую» комиссию, которая – так уж случайно вышло – состояла исключительно из его сторонников! Но и это еще не все: Ньютон сам написал заключение комиссии и опубликовал его от имени Королевского общества, официально обвинив Лейбница в плагиате. Не удовольствовавшись этим, Ньютон составил анонимный обзор, разместив его в журнале Королевского общества. Говорили, что после смерти немецкого философа Ньютон обмолвился, что «разбил сердце Лейбница» к своему большому удовольствию.

Ко времени этих событий Ньютон уже ушел из университета и бросил преподавание. Он принимал активное участие в борьбе с католицизмом в Кембридже, а потом и в парламенте, и в конце концов был вознагражден назначением на весьма прибыльную должность хранителя Королевского монетного двора. На этом посту он наконец пустил свои коварство и изворотливость на пользу обществу, организовав успешную кампанию против фальшивомонетчиков и даже отправив нескольких человек на виселицу.

Словарь терминов

Абсолютный нуль – самая низкая возможная температура, при которой вещество не обладает тепловой энергией.

Античастица. У каждой частицы вещества есть соответствующая античастица. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия.

Антропный принцип. Мы видим Вселенную такой, какова она есть, потому что нас не было бы здесь, если бы она была иной, и мы бы не могли ее наблюдать.

Атом – основная частица обычного вещества. Состоит из крошечного ядра (из протонов и нейтронов), окруженного обращающимися вокруг него электронами.

Белый карлик – устойчивая и холодная [по меркам звездных температур] звезда, равновесие которой поддерживается благодаря отталкиванию электронов, вызванному принципом запрета Паули.

Большое сжатие – сингулярность в конце существования Вселенной.

Большой взрыв – сингулярность в момент возникновения Вселенной.

Вес – сила, с которой на тело действует гравитационное поле. Вес тела пропорционален массе тела, но они не тождественны.

Виртуальная частица. В квантовой механике это частица, которую невозможно зарегистрировать непосредственно, но существование которой имеет измеримые проявления.

Гамма-излучение – электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, испускаемое при радиоактивном распаде и столкновениях элементарных частиц.

Геодезическая – самый короткий (или самый длинный) путь между двумя точками.

Голая сингулярность – сингулярность в пространстве-времени, не расположенная внутри черной дыры, то есть не скрытая горизонтом событий.

Горизонт событий – граница черной дыры.

Длина волны – расстояние между двумя соседними впадинами или между двумя соседними гребнями волны.

Дуализм – соответствие между внешне разными теориями, которые приводят к идентичным физическим результатам.

Закон сохранения энергии – закон природы, согласно которому энергия (или ее массовый эквивалент) не может ни создаваться, ни уничтожаться.

Квант – минимальная порция волны, которая может участвовать в излучении или поглощении.

Квантовая механика – теория, разработанная на основе квантовомеханического принципа Планка и принципа неопределенности Гейзенберга.

Квантовая хромодинамика (КХД) – теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов.

Квантовомеханический принцип Планка состоит в том, что свет (или любые другие классические волны) может испускаться или поглощаться только дискретными порциями – квантами – с энергией, пропорциональной их частоте.

Кварк – [заряженная] элементарная частица, участвующая в сильном взаимодействии. Каждый протон и нейтрон состоит из трех кварков.

Координаты – числа, задающие положение точки в пространстве и во времени.

Корпускулярно-волновой дуализм – принцип квантовой механики, согласно которому не существует различия между частицами и волнами – частицы могут иногда вести себя как волны, а волны – как частицы.

Космологическая постоянная – математическое ухищрение, использованное Эйнштейном для объяснения тенденции пространства-времени к расширению.

Космология – наука, которая занимается изучением Вселенной как целого.

Красное смещение – вызванное эффектом Доплера покраснение света, испускаемого удаляющейся от нас звездой.

Кротовая нора – тонкая трубка в пространстве-времени, соединяющая удаленные друг от друга области Вселенной. Кротовые норы также могут обеспечивать связь с параллельными или дочерними вселенными и возможность путешествий во времени[46].

Магнитное поле – поле, ответственное за магнитное взаимодействие. Сейчас магнитное поле и электрическое поле рассматриваются как части единого электромагнитного поля[47].

Масса – мера количества содержащегося в теле вещества. Является мерой инерции тела, или степени его сопротивления ускорению.

Мнимое время – время, измеряемое комплексными числами.

Мост Эйнштейна – Розена – тонкая трубка в пространстве-времени, соединяющая две черные дыры. См. также: Кротовая нора.

Нейтрино – чрезвычайно легкая (возможно, не имеющая массы покоя[48]) элементарная частица вещества, участвующая только в слабых и гравитационных взаимодействиях.

Нейтрон – незаряженная частица, очень близкая по свойствам к протону. Нейтроны, как правило, составляют немногим более половины частиц, входящих в состав большинства атомных ядер.

Нейтронная звезда – компактная звезда, удерживаемая от сжатия за счет отталкивания нейтронов, обусловленного принципом запрета Паули.

Общая теория относительности (ОТО) – теория, созданная Эйнштейном и основанная на предположении, что законы природы должны быть одинаковы для всех наблюдателей независимо от того, как они движутся. В ОТО гравитационное взаимодействие объясняется через искривление четырехмерного пространства-времени.

Первичная черная дыра – черная дыра, возникшая на очень ранней стадии развития Вселенной.

Позитрон – (положительно заряженная) античастица электрона.

Поле – нечто, существующее во всем пространстве-времени, в отличие от частицы, которая в каждый момент существует только в одной точке.

Предел Чандрасекара – максимально возможная масса устойчивой звезды, выше которой звезда должна сколлапсировать в черную дыру[49].

Принцип запрета Паули. Две одинаковые частицы со спином 1/2 не могут (в пределах, определяемых принципом неопределенности) одновременно иметь одинаковое положение в пространстве и одинаковую скорость.

Принцип неопределенности – сформулированный Гейзенбергом принцип, согласно которому никогда нельзя с одинаковой уверенностью определить положение и скорость частицы; чем точнее известен один из этих параметров, тем с меньшей точностью можно определить другой.

Пропорциональность. «X пропорционально Y» означает, что при умножении Y на какое-либо число X умножается на это же число. Утверждение «X обратно пропорционально Y» означает, что при умножении Y на какое-либо число X делится на это же число.

Пространственное измерение – любое из трех пространственноподобных измерений пространства-времени, то есть любое измерение, кроме временнóго.

Пространство-время – четырехмерное пространство, точки которого соответствуют событиям.

Протон – положительно заряженная частица, очень похожая на нейтрон. Протоны составляют примерно половину всех частиц, входящих в состав ядер большинства атомов.

Пульсар – вращающаяся нейтронная звезда, которая излучает импульсы радиоизлучения через регулярные промежутки времени.

Радар – система, которая определяет положение объектов с помощью радиоимпульсов, измеряя время между излучением импульса и приемом отраженного от объекта сигнала.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомного ядра одного типа в атомное ядро другого типа.

Световая секунда (световой год) – расстояние, которое свет проходит за одну секунду (за один год).

Световой конус – поверхность в пространстве-времени, образованная возможными направлениями световых лучей, проходящих через данное событие.

Сильное взаимодействие – самое сильное и самое короткодействующее из четырех фундаментальных взаимодействий. Благодаря сильному взаимодействию кварки удерживаются внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра.

Сингулярность – точка в пространстве-времени, в которой кривизна пространства-времени становится бесконечной.

Слабое ядерное взаимодействие – второе по слабости из четырех фундаментальных взаимодействий. Обладает очень коротким радиусом действия. В слабом взаимодействии участвуют все частицы вещества, но не участвуют частицы-носители взаимодействий.

Событие – точка в пространстве-времени, которая задается положением в пространстве и временем.

Спектр – набор компонент с разными частотами, составляющий волну. Видимую часть солнечного спектра можно наблюдать в виде радуги.

Специальная теория относительности – теория Эйнштейна, в основе которой лежит постулат, согласно которому в отсутствие сил гравитации законы природы должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости.

Спин – внутреннее свойство элементарной частицы, аналогичное вращению вокруг собственной оси, но не совпадающее с этим понятием.

Стационарное состояние – состояние, которое не меняется со временем; так, вращающийся с постоянной скоростью шар находится в стационарном состоянии, потому что, несмотря на вращение, выглядит одинаково в каждый момент.

Темное вещество – вещество в галактиках, скоплениях галактик и, возможно, в пространстве между скоплениями, которое не наблюдается непосредственно, но обнаруживается по гравитационному воздействию. На темное вещество приходится до 90 % массы всего вещества во Вселенной.

Теорема о сингулярности – теорема, в которой доказывается неизбежность существования сингулярности при определенных условиях. В частности, начало Вселенной должно было представлять собой сингулярность.

Теория великого объединения – теория, объединяющая электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.

Теория струн – физическая теория, в которой частицы описываются как волны на струнах. У струн есть длина, но они имеют ничтожно малую протяженность по другим измерениям.

Ускорение – показатель изменения скорости объекта.

Ускоритель частиц – устройство, в котором движущиеся заряженные частицы ускоряются при помощи электромагнитов.

Условие отсутствия границ – гипотеза, согласно которой Вселенная конечна, но не имеет границ (в мнимом времени).

Фаза – для волны – положение в цикле в определенный момент времени; мера того, соответствует ли это положению на гребне, во впадине или в каком-то промежуточном месте.

Реликтовое излучение – излучение, возникшее при свечении горячей ранней Вселенной. Из-за сильного красного смещения наблюдается в настоящее время не в виде света, а как излучение в микроволновом (точнее, миллиметровом) диапазоне.

Фотон – квант света.

Частота – для волны – число полных циклов в секунду.

Черная дыра – область пространства-времени со столь сильным полем тяготения, что ничто, даже свет не может выбраться из нее наружу.

Электрический заряд – свойство частицы, благодаря которому она отталкивает (или притягивает) другие частицы, имеющие заряд того же (или противоположного) знака.

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие, которое возникает между электрически заряженными частицами. Второе по силе из четырех фундаментальных взаимодействий.

Электрон – частица с отрицательным электрическим зарядом, обращающаяся в атоме вокруг ядра.

Элементарная частица – частица, которая считается неделимой.

Энергия великого объединения – энергия, выше которой, как считается, электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия становятся неразличимыми.

Энергия электрослабого объединения – энергия (около 100 ГэВ), выше которой исчезают различия между электромагнитным и слабым взаимодействиями.

Эффект Казимира – взаимное притяжение между двумя плоскими параллельными металлическими пластинами, размещенными очень близко друг к другу в вакууме. Притяжение возникает из-за уменьшения числа виртуальных фотонов в пространстве между пластинами.

Ядерный синтез – процесс столкновения и слияния двух ядер с образованием одного более тяжелого ядра.

Ядро – центральная часть атома, которая состоит только из протонов и нейтронов, удерживаемых сильным ядерным взаимодействием.

Благодарности

Очень многие люди помогли мне написать эту книгу. Все мои коллеги без исключения вдохновляли меня. На протяжении многих лет моими главными и незаменимыми соратниками были Роджер Пенроуз (Roger Penrose), Роберт Герох (Robert Geroch), Брэндон Картер (Brandon Carter), Джордж Эллис (George Ellis), Гэри Гиббонс (Gary Gibbons), Дон Пейдж (Don Page) и Джим Хартл (Jim Hartle). Я многим обязан им и моим аспирантам – они готовы были помочь, когда бы мне это ни потребовалось.

Один из моих аспирантов, Брайан Уитт (Brian Whitt), очень помог мне подготовить первую редакцию этого текста. Питер Гуззарди (Peter Guzzardi), мой редактор в издательстве Bantam Books, предложил множество правок и усовершенствований, благодаря которым книга стала лучше многократно. Кроме того, хочу поблагодарить Эндрю Данна (Andrew Dunn) – он помог мне отредактировать текст настоящего издания.

Мне не удалось бы написать эту книгу без системы, которая помогает мне общаться. Программу Equalizer безвозмездно создал Уолт Валтош (Walt Waltosz) из компании Words Plus Inc. (Ланкастер, Калифорния). Мой синтезатор речи подарила мне компания Speech Plus (Саннивейл, Калифорния). Синтезатор и ноутбук на мое инвалидное кресло установил Дэвид Мэйсон (David Mason) из Cambridge Adaptive Communication Ltd. Эта система позволяет мне общаться даже эффективнее, чем до того, как я потерял голос.

За то время, пока я писал и редактировал эту книгу, сменилось много людей, которые помогали мне в делах. И я хочу поблагодарить моих секретарей: Джуди Фелла (Judy Fella), Энн Ральф (Ann Ralph), Лору Джентри (Laura Gentry), Шерил Биллингтон (Cheryl Billington) и Сью Мейси (Sue Masey). И поблагодарить помощников: Колина Уильямса (Colin Williams), Дэвида Томаса (David Thomas), Раймонда Лафламма (Raymond Laflamme), Ника Филлипса (Nick Phillips), Эндрю Данна (Andrew Dunn), Стюарта Джемисона (Stuart Jamieson), Джонатана Брэнчли (Jonathan Brenchley), Тима Ханта (Tim Hunt), Саймона Джилла (Simon Gill), Джона Роджерса (Jon Rogers) и Тома Кендалла (Tom Kendall). Эти люди, а также мои сиделки, коллеги, друзья и члены семьи позволили мне жить полной жизнью и заниматься наукой несмотря на недуг.

Стивен Хокинг

Сноски

1

Впервые флуктуации, или анизотропия, реликтового микроволнового излучения были обнаружены советским проектом «Реликт». – Прим. науч. ред.

2

Телескоп как зрительную трубу первым изобрел голландский очковый мастер Иоганн Липперсгей в 1608 году, но Галилей первым направил телескоп на небо в 1609 году и использовал его для астрономических наблюдений. – Прим. перев.

3

Здесь и далее в квадратных скобках помещаются замечания переводчика, уточняющие авторский текст. – Прим. изд.

4

Это не совсем так. Внутренним строением гравитирующих тел можно пренебречь, только если распределение плотности в них сферически симметрично (то есть зависит только от расстояния до центра тела). В случае планет и Солнца все обстоит, строго говоря, иначе – эти тела как минимум слегка сплюснуты у полюсов. Например, сплюснутость Солнца – одна из причин прецессии перигелия Меркурия. У планет земной группы бывают и другие неоднородности распределения плотности. Исследования гравитационного поля Земли и других небесных тел составляют предмет отдельной области науки – гравиметрии. – Прим. перев.

5

1 миля = 1,60934 километра.

6

Гершель не составлял «каталог положений огромного числа звезд». Речь идет об исследовании распределения звезд в пространстве в разных направлениях на небе путем подсчетов числа звезд разного блеска в 1083 площадках по всему небу. Исследование этого распределения позволило Гершелю сделать вывод о наличии у звездной вселенной структуры, и тем он опроверг представление о равномерном распределении звезд в пространстве, а также о том, что Солнце является частью огромной, но конечной по своим размерам звездной системы – нашей Галактики. – Прим. перев.

7

Первым, кто предположил, что некоторые туманности, видимые на небе, могут быть отдельными галактиками, был немецкий философ Иммануил Кант. Эту мысль он высказал в своем трактате, опубликованном в 1755 году. Первое надежное доказательство того, что туманность Андромеды не является частью Млечного Пути, а представляет собой другую галактику, получено эстонским астрономом Эрнстом Эпиком, который в 1918 году определил расстояние до туманности. Хаббл первым стал массово определять расстояния до галактик. – Прим. перев.

8

По-видимому, имеется в виду крупномасштабное распределение вещества, ведь распределение звезд в пространстве весьма неоднородно – большая их часть сосредоточена в звездных системах, называемых галактиками. – Прим. перев.

9

Анизотропия микроволнового реликтового излучения была открыта в 1992 году с помощью советского космического аппарата серии «Прогноз». Эксперимент назывался «Реликт». Рабочая группа в составе руководителя эксперимента И. А. Струкова, а также Д. П. Скулачева, А. А. Брюханова и М. В. Сажина в январе 1992 года на научном семинаре в ГАИШ МГУ сообщила об обнаружении анизотропии. Одновременно с этим в научный журнал «Письма в Астрономический журнал» отправили статью на русском языке, а в журнал Monthly Notices of Royal Astronomical Society – на английском. Публикация статьи в последнем журнале была задержана. В конце апреля 1992 года Дж. Смут, научный руководитель проекта DMR, установленного на космическом аппарате COBE, объявил на специальной пресс-конференции об открытии анизотропии реликтового излучения. Репортеры посвятили этому событию огромное количество статей в средствах массовой информации, назвав радиокарты COBE «ликом Господа Бога». За свою работу Дж. Смут был впоследствии удостоен Нобелевской премии. Однако первыми «лик Господа Бога» увидели все-таки советские ученые. – Прим. науч. ред.

10

Согласно актуальным наблюдательным данным, наша Вселенная состоит из обычного (барионного) вещества (4 %), темной материи (23 %) и темной энергии (73 %). Последняя, действуя как силы отталкивания, приводит к современному ускоренному расширению нашей Вселенной. – Прим. науч. ред.

11

Вообще говоря, в математике есть средства представления бесконечных чисел и выполнения некоторых операций над ними (например, так называемые трансфинитные числа). Правда, они не подходят для рассматриваемой задачи. – Прим. перев.

12

Вера автора в превалирование марксистско-ленинских идей в среде советских ученых совершенно беспочвенна. – Прим. науч. ред.

13

Речь идет о цитате из частично переведенного на русский язык романа Джойса «На помине Финнеганов». – Прим. изд.

14

Об экспериментальном открытии гравитационных волн коллаборациями LIGO и VIRGO было объявлено 11 февраля 2016 года. 14 сентября 2015 года был зарегистрирован сигнал слияния двух черных дыр двумя детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне. В 2017 году за создание детектора гравитационных волн и экспериментальное доказательство их существования трем американским физикам – Райнеру Вайсу, Кипу Торну и Барри Бэрришу – была присуждена Нобелевская премия по физике. – Прим. перев.

15

От англ. confine – ограничивать, держать взаперти, удерживать. – Прим. изд.

16

Слово «вселенная», написанное со строчной «в», обозначает гипотетическую модель. Впрочем, грань тонка. – Прим. изд.

17

Это крайне упрощенная мысль. – Прим. науч. ред.

18

И превращения в нейтронную звезду. – Прим. науч. ред.

19

Согласно современным представлениям коллапс звезды в черную дыру происходит, если масса звезды превышает три массы Солнца. Это так называемый предел Оппенгеймера – Волкова (см. Черепащук А. М. Тесные двойные системы. – Т. 2. – М., 2013). – Прим. науч. ред.

20

Наподобие сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. – Прим. перев.

21

Решение уравнений Эйнштейна для сферически-симметричного распределения вещества впервые получено К. Шварцшильдом в 1916 году. Решение Шварцшильда содержит горизонт событий и центральную сингулярность. Исследованием центральной сингулярности занимались многие ученые (Э. Толмен, Л. Ландау и др.) задолго до С. Хокинга и Р. Пенроуза. – Прим. науч. ред.

22

Число кандидатов в черные дыры с надежно определенными массами достигло 26 (См.: Черепащук А. М. Тесные двойные системы. – Т. 2. – М., 2013). – Прим. науч. ред.

23

Наблюдаемые кривые вращения галактик в современных моделях объясняются наличием темной материи, часть которой могут составлять черные дыры. – Прим. науч. ред.

24

Существуют модели так называемой расширенной гравитации, в которых черная дыра «испаряется» не полностью, а до некоторого реликтового остатка. – Прим. науч. ред.

25

Возраст Вселенной – 13,7 млрд лет. – Прим. науч. ред.

26

В 2006 году Международный астрономический союз сформулировал три критерия, определяющих планету, и одному из них Плутон не соответствовал – он не расчистил свою орбиту. Сейчас Плутон считается крупнейшей карликовой планетой Солнечной системы. Кроме того, среднее расстояние от Плутона до Земли составляет 5,7 млрд километров. Расстояние от Земли до Сатурна в среднем равно 1,4 млрд километров, что ближе всего к оценке автора относительно расположения черной дыры. – Прим. пер.

27

Здесь и далее в оригинале – Плутона. См. примечание на с. 157. – Прим. изд.

28

Это только одна из возможных моделей. – Прим. науч. ред.

29

О современных представлениях о ранней Вселенной см.: Сажин М. В. Современная космология в популярном изложении (2002); Горбунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной. – Прим. науч. ред.

30

Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике 2015 года за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу. – Прим. перев.

31

Подробно и достаточно популярно об этом говорится в книгах: Сильченко О. К. Происхождение и эволюция галактик (2017); Сурдин В. Г. Галактики (2013). – Прим. науч. ред.

32

На часть нижеследующих вопросов дает ответ теория инфляционного расширения ранней Вселенной. – Прим. науч. ред.

33

В создании и развитии теории инфляции принимали участие советские ученые А. Линде, А. Старобинский и другие. – Прим. науч. ред.

34

Согласно современным наблюдательным данным в настоящее время Вселенная также расширяется ускоренно под действием так называемой темной энергии. – Прим. науч. ред.

35

См. примечание на с. 177.

36

Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга (ГАИШ) МГУ. – Прим. изд.

37

Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук. – Прим. изд.

38

Распространенное на Западе представление о том, что в Советском Союзе существовала цензура научных статей, совершенно неверно. Вместе с тем зарубежные журналы всячески тормозили публикацию статей советских авторов, поэтому многие открытия, совершенные советскими учеными, необоснованно приписываются западным ученым. – Прим. ред.

39

Подробно об этом см.: Хокинг С., Пенроуз Р. Природа пространства и времени, 2018. – Прим. науч. ред.

40

Анизотропия реликтового излучения впервые обнаружена советским экспериментом «Реликт» в 1992 году, а позже – подтверждена данными спутника COBE. – Прим. науч. ред.

41

Большинство современных космологов придерживаются другой интерпретации анизотропии реликтового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной. См.: Сажин М. В. Современная космология в популярном изложении (2002); Горбунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной (2008). – Прим. науч. ред.

42

Это утверждение автора не соответствует действительности: многократно подтвержденный наблюдениями факт ускоренного расширения нашей Вселенной свидетельствует о наличии так называемой темной энергии, которая может быть описана как динамическим уравнением состояния, связывающим ее давление и плотность, так и новой фундаментальной постоянной, ассоциированной с космологической постоянной. В последнем случае космологическая постоянная не равна нулю. – Прим. науч. ред.

43

Расстояние до центра Галактики составляет около 25 тысяч световых лет, так что путь туда и обратно на скорости, близкой к скорости света, займет около 50 000 лет. – Прим. перев.

44

Жила-была леди по имени Грета. / Летала она быстрей скорости света. / Раз в среду взлетев в относительный путь, / Вернулась во вторник, чтоб лечь и уснуть. – Прим. ред.

45

На тот момент из элементарных частиц был также известен квант света – фотон, существование которого было теоретически предсказано в 1900–1917 годах Максом Планком и Альбертом Эйнштейном. Оно было подтверждено экспериментально Артуром Комптоном в 1923 году. – Прим. перев.

46

Кротовая нора, или червоточина, – это то, что соединяет между собой две неискривленные области пространства-времени. Место соединения называется собственно кротовой норой, центральный участок соединения называется горловиной кротовой норы. – Прим. науч. ред.

47

Точнее, магнитное поле – это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды; магнитная составляющая электромагнитного поля. – Прим. науч. ред.

48

См.: примечание на с. 165.

49

Если точнее, то не в черную дыру, а в нейтронную звезду; соответствующий предел для коллапса в черную дыру называется предел Оппенгеймера – Волкова. – Прим. науч. ред.

Content

Стивен Хокинг
Краткая история времени. От Большого взрыва до черных дыр

Предисловие

Глава первая. Наша картина Вселенной

Глава вторая. Пространство и время

Глава третья. Расширяющаяся вселенная

Глава четвертая. Принцип неопределенности

Глава пятая. Элементарные частицы и силы природы

Глава шестая. Черные дыры

Глава седьмая. Черные дыры не такие уж и черные

Глава восьмая. Происхождение и судьба Вселенной

Глава девятая. Стрела времени

Глава десятая. Кротовые норы и путешествия во времени

Глава одиннадцатая. Объединение физики

Глава двенадцатая. Заключение

Альберт эйнштейн

Галилео Галилей

Исаак Ньютон

Словарь терминов

Благодарности

Сноски