Теория всего (Происхождение и судьба Вселенной)

Как я упоминал, классическая общая теория относительности предсказывает, что Вселенная возникает из сингулярности, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. По сути, это означает, что классическая общая теория относительности предсказывает собственный крах. При очень больших искривлениях пространства-времени эффекты квантовой гравитации становятся существенными и классическая теория уже не даёт удовлетворительного описания Вселенной. Для того чтобы понять, как зарождалась Вселенная, надо использовать квантовую теорию гравитации.

В квантовой теории гравитации рассмотрению подлежат все возможные истории Вселенной. И каждой истории соответствует пара чисел. Одно характеризует размер волны, а второе — её фазу (гребень или впадина). Вероятность того, что Вселенная будет обладать тем или иным специфическим свойством, определяется сложением всех волн, соответствующих историям, которые обладают этим свойством. Истории должны представлять собой искривлённые пространства, отображающие эволюцию Вселенной во времени. Но и тогда нам придётся определить, как возможные истории Вселенной ведут себя на границе пространства-времени в прошлом. Мы не знаем и не можем знать граничных условий для Вселенной в прошлом. Однако этой трудности можно избежать, если граничные условия для Вселенной состоят в том, что у неё нет границы. Другими словами, все возможные истории конечны по протяжённости, но не имеют ни границ, ни краёв, ни сингулярностей. Все они напоминают поверхность Земли, которой приданы два дополнительных измерения. В этом случае начало времени должно быть обычной гладкой точкой в пространстве-времени. Значит, расширение Вселенной должно было начаться с очень ровного и упорядоченного состояния. Оно не могло быть совершенно однородным, потому что это нарушило бы принцип неопределённости квантовой теории. В распределениях плотности и скоростей частиц должны были иметься небольшие флуктуации. Условие об отсутствии границы, однако, лимитирует величину этих флуктуаций, сводя её к минимально необходимому значению в соответствии с требованиями принципа неопределённости.

Развитие Вселенной должно было начаться с периода экспоненциального (инфляционного) расширения. Это привело бы к многократному увеличению её размеров. Во время расширения флуктуации плотности сперва оставались бы небольшими, но затем начали бы расти. Расширение областей с плотностью немного выше средней было бы замедлено гравитационным притяжением избыточной массы. Рано или поздно такие области вообще прекратили бы расширяться и пережили коллапс, ведущий к образованию галактик, звёзд и существ, подобных нам.

Однородная и упорядоченная вначале, Вселенная с течением времени должна была становиться неоднородной и неупорядоченной. Этим объясняется существование термодинамической стрелы времени. Вселенная должна была начаться с состояния высокой степени упорядоченности и со временем стать менее упорядоченной. Как я показал ранее, психологическая стрела времени указывает в том же направлении, что и термодинамическая. Поэтому наше субъективное восприятие времени имело бы скорее ту же направленность, что и расширение Вселенной, нежели противоположную направленность, соответствующую сжатию.

Обратима ли стрела времени?

Но что произошло бы, если (когда) расширение Вселенной прекратилось бы, уступив место сжатию? Не обратилась бы вспять термодинамическая стрела времени и не начал бы беспорядок сокращаться с течением времени? Для людей, переживших переход от расширения к сжатию, это обернулось бы разного рода возможностями в духе научной фантастики. Увидят ли они, как разбитые чашки сами собой складываются из осколков и вспрыгивают на стол? Сколотят ли состояние на фондовой бирже, припомнив завтрашние котировки акций?

Вам может показаться сугубо умозрительным беспокойство о том, что случится в результате коллапса Вселенной, коль скоро размеры её не начнут сокращаться в ближайшие десять миллиардов лет. Но есть более быстрый способ определить, что случится, — прыгнуть в чёрную дыру. Коллапс звезды, которая должна превратиться в чёрную дыру, в значительной мере напоминает последние стадии коллапса всей Вселенной. Так что если беспорядок уменьшается в фазе сжатия Вселенной, можно ожидать, что он уменьшается и в чёрной дыре. Возможно, астронавт, угодивший в чёрную дыру, выиграет кучу денег в рулетку, припомнив, куда отправился шарик перед тем, как была сделана ставка. К несчастью, однако, в рулетку астронавт играл бы недолго, потому что очень сильные гравитационные поля быстро превратили бы его в лапшу. Равным образом он не смог бы ни сообщить нам, обратима ли термодинамическая стрела времени, ни положить свой выигрыш в банк, потому что навеки остался бы за горизонтом событий, пойманный в ловушку чёрной дыры.

Поначалу я верил в уменьшение беспорядка при обратном сжатии Вселенной. А всё потому, что считал, будто с уменьшением размеров Вселенная должна вернуться к упорядоченному и однородному состоянию. Это означало бы, что в фазе сжатия время, за которое произошла стадия расширения, потечёт вспять. Люди в фазе сжатия проживали бы свою жизнь от конца к началу. Умирали бы раньше, чем рождались, и молодели бы по мере сжатия Вселенной. Эта идея привлекательна, поскольку устанавливает точную симметрию между фазами расширения и сжатия. Однако её нельзя принять саму по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Вопрос в следующем: согласуется она или нет с предположением об отсутствии границы?

Как уже упоминалось, я поначалу думал, что условие об отсутствии границы действительно предполагает уменьшение беспорядка в фазе сжатия Вселенной. Это убеждение основывалось на работе над простой моделью Вселенной, в которой фаза сжатия похожа на обращённую во времени фазу расширения. Однако мой коллега Дон Пейдж указал, что это условие вовсе не требует со всей неизбежностью, чтобы фаза сжатия была подобна обращённой во времени фазе расширения. Позднее мой студент Раймон Лафламм обнаружил, что в чуть более сложной модели процесс сжатия Вселенной существенно отличается от расширения. Я понял, что допустил ошибку. На самом деле условие отсутствия границы не предполагало, что беспорядок будет уменьшаться в фазе сжатия. Ни в сжимающейся Вселенной, ни в чёрной дыре термодинамическая и психологическая стрелы времени не меняют своего направления.

Что же делать, когда обнаруживаешь, что совершил такую ошибку? Кое-кто, подобно Эддингтону, никогда не признают, что ошибались. Они продолжают искать новые, зачастую взаимоисключающие, аргументы в поддержку своей позиции. Другие делают вид, будто никогда всерьёз не поддерживали неверных взглядов, а если и поддерживали, то только для того, чтобы выявить их несостоятельность. Я мог бы привести множество примеров, но не стану, потому что это не прибавит мне популярности. Самым лучшим и щадящим самолюбие выходом мне представляется признание своей ошибки в печати. Хорошим примером может служить Альберт Эйнштейн, признавший, что введение космологической постоянной для обоснования стационарной модели Вселенной было величайшей ошибкой его жизни.

Седьмая лекция. Теория всего

Было бы очень трудно с одной попытки создать полную объединённую теорию всего на свете. Так что вместо этого мы продвигались вперёд, развивая частные теории. Они описывают ограниченный набор событий, пренебрегая другими эффектами или оценивая их приближённо определёнными величинами. Например, в химии мы можем рассчитывать взаимодействия между атомами, не зная внутреннего строения атомного ядра. В идеале, конечно, мы должны стремиться к построению полной, непротиворечивой, объединённой теории, которая включала бы в себя все частные теории как приближения. Поиски такой теории получили название «объединения физики».

Эйнштейн почти все последние годы жизни потратил на неудачные поиски объединённой теории, однако её время тогда ещё не пришло: слишком мало было известно о ядерных силах. Более того, Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту важную роль, которую сыграл в её развитии. Тем не менее принцип неопределённости, похоже, является фундаментальной особенностью Вселенной, в которой мы живём. Поэтому не может быть успешной объединённой теории без этого принципа.

Перспективы создания такой теории представляются более реальными сегодня, когда мы гораздо больше знаем о Вселенной. Но не стоит обольщаться. Мы уже обманывались в прошлом. В начале XX в., например, считалось, что всё можно объяснить с помощью свойств непрерывной материи, таких как упругость и теплопроводность. Конец этому положило открытие структуры атома и принципа неопределённости. В то время, в 1928 г., немецкий физик Макс Борн сказал группе посетителей Гёттингенского университета: «Развитие известной нам физики, по-видимому, завершится в ближайшие шесть месяцев». Его уверенность опиралась на недавнее открытие Дирака, который вывел уравнение, описывающее поведение электрона. Предполагалось, что сходное уравнение будет управлять поведением протона, единственной другой элементарной частицы, известной в то время, и это будет концом теоретической физики. Однако открытие нейтрона и ядерных сил опрокинуло эти представления.