О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Глава 1

Парадокс

Любопытная аналогия кроется в том, что даже у самого большого телескопа размер окуляра не больше человеческого глаза.

Конец 1990-х стал кульминацией «золотого десятилетия» космологических открытий. Космология, невероятная наука, изучающая – ни много ни мало – происхождение, эволюцию и судьбу Вселенной в целом и долго считавшаяся царством неограниченных спекуляций, достигла, наконец, зрелости. Мировое научное сообщество кипело от возбуждения, вызванного ошеломляющими данными наблюдений как с борта оснащенных сложнейшим оборудованием спутников, так и при помощи наземных инструментов. Эти данные изменили нашу картину Вселенной до полной неузнаваемости. Казалось, Вселенная заговорила с нами. Теоретикам был брошен вызов – теперь они могли доказать справедливость своих абстрактных моделей и вытекающих из них предсказаний или признать свою неправоту.

В космологии мы исследуем прошлое Вселенной. Космологов можно назвать путешественниками во времени, а телескопы – их транспортным средством: заглядывая в глубины пространства, мы видим далекое прошлое. Ведь прежде чем достичь нас, свет далеких звезд и галактик шел миллионы или даже миллиарды лет. Еще в 1927 году бельгийский аббат и астроном Жорж Леметр предсказал, что пространство, если рассматривать его на таких больших временных периодах, расширяется. Но только в 1990-х передовая техника телескопических наблюдений позволила проследить историю расширения Вселенной.

Эта история таила в себе неожиданности. Например, в 1998 году астрономы обнаружили, что примерно пять миллиардов лет назад расширение пространства начало ускоряться – хотя во всех своих известных формах материя обладает свойством притяжения, и, следовательно, расширение должно замедляться. С тех пор физики пытаются понять, не связано ли это странное космическое ускорение с эйнштейновской космологической постоянной и не является ли оно чем-то вроде невидимой эфироподобной «темной энергии», из-за которой у гравитации появляется свойство отталкивания вместо притяжения? «Похоже, Вселенная может оказаться похожей на Лос-Анжелес, – пошутил один астроном, – в ней на треть субстанции и на две трети энергии».

Очевидно: если Вселенная сейчас расширяется, в прошлом она должна была находиться в более сжатом состоянии. Если пустить космическую историю задом наперед – конечно, в виде теоретического упражнения, – то получится, что все вещество в какой-то момент окажется очень плотно упакованным в малом объеме пространства и к тому же очень горячим; ведь при сильном сжатии вещество разогревается и начинает излучать. Такое первичное состояние известно под названием горячего Большого взрыва. Астрономические наблюдения, начавшиеся в «золотые 1990-е» и продолжающиеся до сих пор, позволили определить возраст Вселенной, или время, прошедшее с момента Большого взрыва: 13,8 миллиарда плюс-минус 20 миллионов лет.

Желание узнать больше о рождении Вселенной росло, и в мае 2009 года Европейское космическое агентство (ESA) запустило спутник, задачей которого было наиболее полное и детальное из всех, когда-либо проводившихся, сканирование ночного неба. В результате планировалось построить карту распределения флюктуаций таинственного теплового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Пропутешествовав в расширяющемся космическом пространстве 13,8 миллиарда лет, жар от рождения Вселенной достигает нас уже остывшим до 2, 725 K, или примерно до минус 270 °C. При такой температуре излучение лежит в основном в микроволновом участке электромагнитного спектра, и поэтому остаточное тепло называют космическим микроволновым фоном, или CMB-излучением.

Усилия, прилагаемые ESA для того, чтобы уловить и описать это древнее, «реликтовое» тепло, достигли кульминации в 2013 году. На первых полосах всех газет мира появилась причудливая пятнистая картина, напоминающая полотно художника-пуантилиста. Это изображение мы видим на рис. 2, и это не что иное, как составленное из миллионов пикселей необыкновенно подробное распределение по всему небу, по всем направлениям в пространстве температуры реликтового CMB-излучения. Можно сказать, что это детальная фотография Вселенной, какой она была примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда остыла до нескольких тысяч градусов – достаточно, чтобы выпустить на свободу первичное излучение, которое с тех пор, не удерживаемое больше ничем, путешествовало в космосе.

Столь подробные наблюдения CMB-излучения подтвердили, что реликтовое тепло Большого взрыва распределено в пространстве почти – хоть и не идеально – равномерно. «Пятнистость» изображения отражает микроскопически малые различия температуры, крохотные ее колебания, не превышающие стотысячной доли градуса. Но эти мельчайшие вариации критически важны: они отражают положения первичных конденсаций вещества, вокруг которых в конце концов стали формироваться галактики. Ведь если бы область горячего Большого взрыва была полностью однородной, никаких галактик сейчас бы не было.

Рис. 2. Послесвечение горячего Большого взрыва. Это тепловая карта неба на микроволновых частотах, построенная по данным названного в честь основателя квантовой физики Макса Планка спутника «Планк» Европейского космического агентства. Сгущения различных оттенков серого соответствуют малым изменениям температуры реликтового космического микроволнового излучения, приходящего к нам с разных направлений на небе. На первый взгляд распределение этих температурных флюктуаций выглядит случайным, но тщательный анализ выявил в нем структуры, связывающие друг с другом различные участки карты. Исследуя эти структуры, космологи могут реконструировать историю расширения Вселенной, построить модель образования в ней галактик и даже предсказать ее будущее.

Карта CMB отмечает положение нашего космологического горизонта, дальше которого мы заглянуть не можем. Но, опираясь на наши космологические теории, мы можем по крупицам восстановить ход процессов, происходивших в еще более ранние эпохи. Как палеонтологи по окаменелостям догадываются, какими были на Земле в далеком прошлом формы жизни, так и космологи, расшифровывая структуры, объединяющие температурные неоднородности, сохранившиеся за миллиарды лет, способны воспроизвести процессы, в ходе которых реликтовая тепловая картина отпечаталась на нашем небе. Карта реликтового CMB-излучения стала космологическим Розеттским камнем, который позволяет нам проследить историю Вселенной далеко назад – возможно, даже понять, какой она была спустя мельчайшие доли секунды после рождения.

И то, что мы узнали, оказалось удивительным. Как мы увидим в Главе 4, структуры, закодированные в карте вариаций температуры CMB-излучения, показывают, что Вселенная сначала расширялась очень быстро, потом замедлилась, а не так давно (около пяти миллиардов лет назад) опять начала ускоряться. На масштабах, соответствующих самым большим глубинам времени и пространства, это замедление кажется скорее исключением, чем правилом, одной из необъяснимых счастливых случайностей, сделавших нашу Вселенную благоприятной для жизни. Ведь только в замедляющейся Вселенной вещество способно накапливаться и концентрироваться, образуя галактики. Не будь этой паузы в расширении Вселенной, не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни самой жизни.

Получилось так, что история расширения Вселенной сыграла главную роль в одной из первых попыток вписать наше существование в современную космологическую парадигму. В начале 1930-х Леметр в одном из своих маленьких пурпурных блокнотиков сделал примечательный набросок того, что он называл «нерешительной» Вселенной – Вселенной с историей расширения, очень похожей на тот ухабистый путь, который постепенно вырисуется из наблюдений спустя семьдесят лет[5] (см. рис. 3 на вклейке). Леметр пришел к идее о долгой паузе в расширении Вселенной, раздумывая над вопросом о ее приспособленности для жизни. Он знал: астрономические наблюдения соседних галактик указывали на то, что в последнее время скорость расширения Вселенной была высокой. Но когда он обратил эволюцию Вселенной назад во времени, то оказалось, что при такой скорости все галактики должны были всего какой-то миллиард лет назад столпиться в одной области пространства. Это, конечно, было невозможно – ведь и Земля, и Солнце были гораздо старше. Чтобы избежать очевидного противоречия между историями Вселенной и Солнечной системы и дать звездам, планетам и жизни время на развитие, Леметр предположил, что в истории Вселенной должна была быть эра очень медленного расширения.

КАК ПАЛЕОНТОЛОГИ ПО ОКАМЕНЕЛОСТЯМ ДОГАДЫВАЮТСЯ, КАКИМИ БЫЛИ НА ЗЕМЛЕ В ДАЛЕКОМ ПРОШЛОМ ФОРМЫ ЖИЗНИ, ТАК И КОСМОЛОГИ, РАСШИФРОВЫВАЯ СТРУКТУРЫ, ОБЪЕДИНЯЮЩИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ, СОХРАНИВШИЕСЯ ЗА МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ, СПОСОБНЫ ВОСПРОИЗВЕСТИ ПРОЦЕССЫ, В ХОДЕ КОТОРЫХ РЕЛИКТОВАЯ ТЕПЛОВАЯ КАРТИНА ОТПЕЧАТАЛАСЬ НА НАШЕМ НЕБЕ.

На протяжении нескольких десятилетий после пионерской работы Леметра физики продолжали натыкаться еще на многие другие «счастливые совпадения», делающие Вселенную поразительно благоприятной для жизни. Достаточно было бы малейшего изменения почти в любом из основных ее физических свойств, от поведения атомов и молекул до структуры космоса на самых больших масштабах, чтобы обитаемость Вселенной повисла на волоске.

Возьмем хотя бы тяготение, силу, которая формирует крупномасштабную структуру Вселенной. Действие гравитации крайне слабое: требуется огромная масса Земли, чтобы удерживать нас на ее поверхности. Но будь сила всемирного тяготения чуточку больше, звезды сгорали бы быстрее и умирали бы раньше, не оставляя времени для развития сложных форм жизни ни на какой из планет, обращающихся вокруг них и согреваемых их теплом.

Или рассмотрим мельчайшие – в одну стотысячную долю градуса – вариации температуры реликтового излучения Большого взрыва. Будь они хоть немного больше – скажем, в одну десятитысячную долю градуса, – и зерна, из которых выросли космические структуры, разрослись бы в гигантские черные дыры, а не в галактики с миллионами пригодных для обитания звезд. И напротив, если бы эти вариации оказались чуть меньше – в одну миллионную градуса или еще меньше, – никаких галактик не могло бы образоваться вообще. Горячий Большой взрыв был ровно таким, каким надо. Тем или иным способом он вывел Вселенную на исключительно благоприятную для жизни траекторию, причем результаты такой «настройки» стали видны спустя несколько миллиардов лет. Как это объяснить?

Налицо и множество других примеров «счастливых совпадений». Мы живем во Вселенной с тремя измерениями пространства. Есть ли что-то особенное в том, что их именно три? Да, есть. Добавим еще одно измерение пространства – атомы и планетные орбиты станут неустойчивыми. Вместо того чтобы обращаться вокруг Солнца по устойчивой орбите, Земля по спирали врежется в него. У Вселенной с пятью или с еще большим числом измерений пространства проблем будет еще больше. С другой стороны, в мирах лишь с двумя пространственными измерениями могло бы не оказаться достаточно места для нормального функционирования сложных систем, как видно из рис. 3. Три измерения пространства – это, похоже, как раз столько, сколько нужно для того, чтобы жизнь была возможна.

Рис. 3. Во Вселенной, имеющей только два пространственных измерения, жизни трудно возникнуть, не говоря уж о том, чтобы развиваться. Как, например, в таком мире охотиться и питаться?

Необъяснимое дружелюбие, которое Вселенная проявляет к жизни, распространяется и на ее химические свойства, определяемые параметрами элементарных частиц и сил, действующих между ними. Например, нейтроны чуточку тяжелее протонов: отношение массы нейтрона к массе протона 1,0014. Будь это отношение обратным, все протоны во Вселенной после Большого взрыва очень скоро превратились бы в нейтроны. А без протонов не было бы атомных ядер – значит, не было бы ни атомов, ни самой химии.

Другой пример: образование углерода в звездах. Насколько нам известно, углерод очень важен для жизни. Но Вселенная не родилась с запасом углерода: он образуется в ходе ядерного синтеза в недрах звезд. В 1950-х британский космолог Фред Хойл заметил, что эффективность синтеза углерода из гелия в звездах основывается на хрупком равновесии между сильным ядерным взаимодействием, связывающим атомные ядра, и электромагнитной силой. И если бы сильное взаимодействие было бы на очень малую долю – всего на несколько процентов – сильнее или слабее, то энергии связи ядер изменились бы, синтез углерода замедлился, и Вселенная оказалась бы лишена углеродной жизни. Это казалось Хойлу настолько странным, что, по его словам, Вселенная выглядит результатом какой-то «подтасовки» – как будто «некий сверхразум взялся озорничать с физикой, а заодно и с химией, и с биологией»[6].

Но самой загадочной частью «тонкой настройки» Вселенной в пользу жизни выглядит ситуация с темной энергией. Измеренная нами плотность темной энергии крайне низка: в 10-123 раз меньше, чем та, которую многие физики склонны считать ее естественным значением. Но именно эта малость и заставила Вселенную оставаться «нерешительной» примерно восемь миллиардов лет, пока темной энергии не накопилось достаточно, чтобы ускорить расширение Вселенной. Уже в 1987 году Стивен Вайнберг указал, что если бы плотность темной энергии была хоть чуть-чуть больше, составив, скажем, 10-121, а не 10-123, то вызванные ею силы отталкивания были бы выше и подействовали бы раньше – и это опять-таки закрыло бы окно космических возможностей для образования галактик[7].

Короче говоря, как и подчеркивал Стивен в том нашем первом разговоре, все выглядит так, будто Вселенная каким-то образом специально подготовлена для появления в ней жизни. Знаменитый писатель и физик-теоретик Пол Дэвис имел в виду именно это, говоря о «космическом факторе Златовласки»[8]: «Как “правильная” тарелка с овсянкой в сказке о Златовласке и трех медведях, Вселенная в очень многих отношениях загадочным образом выглядит в точности “правильной” для жизни»[9]. И хоть это вовсе не значит, что космос должен прямо-таки кишеть жизнью, уже сама возможность ее зарождения во Вселенной в результате особенностей «тонкой настройки» доказывает, что эти особенности – не какие-то поверхностные, необязательные свойства мира. Нет, они глубоко встроены в законы физики, имеющие форму математических соотношений. Массы и другие параметры систем частиц, силы, управляющие их взаимодействиями, и даже общая структура Вселенной – все это кажется специально тщательно скроенным для того, чтобы поддерживать некоторую форму жизни. И это отражается в специфическом характере математических уравнений, определяющих то, что физики зовут законами Природы.

Итак, глубочайшая загадка «космологического замысла» состоит в том, что фундаментальные законы физики поразительно благоприятны для возникновения жизни – будто существует скрытый сценарий, в рамках которого в основные законы, управляющие Вселенной, вплетено наше существование. Это кажется невероятным. И это в самом деле невероятно! Что же это за сценарий?

Здесь я должен подчеркнуть всю необычность этой загадки для физиков-теоретиков. Обычно физики используют законы природы, чтобы описать то или иное явление или предсказать исход эксперимента. Кроме того, они пытаются обобщить существующие законы, чтобы объять ими более широкий диапазон природных явлений. Но вопросы о существовании «замысла» уводят нас по совсем другому пути, на котором нам приходится размышлять о природе и глубоком происхождении самих законов и о том, как мы вписываемся в их рамки. Волнующая суть космологии заключается в том, что она обеспечивает научный контекст, в котором мы можем надеяться пролить свет на эту величайшую из всех загадок. Ведь космология – единственная область физики, где мы сами оказываемся неотъемлемой частью задачи, которую пытаемся решить.

Исторически само видимое устройство мира принимается за свидетельство того, что все, что происходит в природе, имеет одну основную цель. Это воззрение восходит к Аристотелю, возможно, самому влиятельному из всех когда-либо живших философов. Глубокий биолог, Аристотель считал, что многие процессы, порождающие и организующие мир живого, кажутся полными умысла и намерения. Если лишенные разума живые организмы имеют жизненную программу, рассуждал он, то должна существовать и Конечная Цель, направляющая развитие космоса как целого. Телеологическая аргументация Аристотеля была убедительной, логичной, дающей надежду, и до некоторой степени подтверждалась эмпирически. Весь мир вокруг нас полон бесконечными примерами достижения целей – от птички, собирающей веточки для постройки гнезда, до пса, роющего землю в саду, чтобы достать кость. И нет ничего удивительного в том, что телеологические взгляды Аристотеля просуществовали, мало кем оспариваемые, почти два тысячелетия.

Однако в XVI столетии на окраине Евразийского континента работы небольшого круга ученых стали началом современной научной революции. Коперник, Декарт, Бэкон, Галилей и их современники подчеркивали, что наши чувства могут нас обманывать. Эти ученые любили употреблять формулу Ignoramus[10], которая буквально значит «мы не знаем». Такой сдвиг парадигмы мышления имел далекоидущие последствия – некоторые считают его вообще самым значимым и влиятельным интеллектуальным преобразованием за те примерно 200 000 лет, в течение которых люди населяют эту планету. Вся его глубина до сих пор еще не раскрыта. Немедленным следствием этого научного прорыва, по крайней мере в ученых кругах, было развенчание глубоко укоренившегося телеологического мировоззрения Аристотеля и замена его идеей рациональных законов, управляющих природой, действующих здесь и сейчас, доступных открытию и пониманию. Глубинная суть современной науки в том, что, признавая свое незнание, мы можем добыть новое знание – экспериментируя, наблюдая, разрабатывая математические модели, которые организуют наши наблюдения в рамках общих теорий и вытекающих из них законов.

Научная революция парадоксальным образом углубила загадку благорасположения Вселенной к жизни. До наступления революции в построенной человеком концепции мироздания можно было найти некоторое единство. Предполагалось, что как одушевленный, так и неодушевленный миры в своем развитии подчинялись всеобъемлющей цели – божественной или нет. Устройство мира виделось как проявление грандиозного космического плана, в котором, естественно, привилегированная роль принадлежала человеку. К примеру, древняя модель мира, построенная александрийским астрономом Птолемеем в его труде «Альмагест», была настолько же геоцентрической, насколько и антропоцентрической.

Но с приходом научной революции фундаментальная природа связи жизни с физической Вселенной стала вызывать недоумение. Это недоумение явственно проявляется и сейчас, спустя почти пять столетий, – проявляется в изумлении перед тем, что полагаемые объективными, безличными, вневременными законы физики почти идеально приспособлены к существованию жизни. Получается, что, успешно устранив старинную дихотомию между небесами и Землей, современная наука создала на ее месте новую непреодолимую линию раздела между мирами живого и неживого и оставила в понимании человеком его места в грандиозной картине космоса грызущую неопределенность.

Лучше представить, как взгляды на онтологию законов природы пришли к своей нынешней форме, нам поможет обращение к самым глубоким корням идеи о существовании таких законов. Самые первые представления о законах, управляющих Природой, возникли в VI веке до н. э. в Милете, на территории нынешней Западной Турции, в ионической школе Фалеса. Милет, самый богатый из городов древнегреческой Ионии, был основан в естественной бухте близ места, где река Меандр впадает в Эгейское море. Живший здесь легендарный мыслитель Фалес, совсем как современные ученые, пытался заглянуть за внешнюю поверхность явлений природного мира, чтобы достичь более глубокого уровня знаний. Ученик Фалеса Анаксимандр создал то, что греки стали называть, «исследование Природы», то есть физику.

Рис. 4. Рельеф, изображающий древнегреческого философа Анаксимандра из Милета. Двадцать шесть столетий назад Анаксимандр заложил основы долгого и извилистого пути научного осмысления мира.

Анаксимандра часто называют отцом космологии. Он первым стал думать о Земле как о планете, гигантском камне, свободно плавающем в пустом пространстве. Он учил, что Земля у нас под ногами не беспредельна и не покоится на гигантских колоннах, но что ее со всех сторон окружает то же самое небо, которое мы видим у себя над головой. Таким образом, Анаксимандр открыл глубину космоса, превратил его из закрытого ларца – ограниченного сверху небесной, а снизу земной твердью – в открытое пространство. Этот принципиальный сдвиг позволил представить небесные тела обращающимися вокруг Земли со всех сторон. Так был проложен путь к древнегреческой астрономии. Анаксимандр написал трактат «О природе», впоследствии утраченный. Однако, как предполагают, в нем содержался следующий стихотворный фрагмент[11]:

Все предметы происходят друг из друга

и исчезают друг в друге,

следуя необходимости;

Ибо они воздают друг другу справедливость

и возмещают свою несправедливость

Сообразно с велением времени.

В этих нескольких строках Анаксимандра ясно выражена революционная идея: Природа ни самопроизвольна, ни абсурдна, но управляется некоторым видом закона. Это стало основным положением науки: под видимой поверхностью естественных явлений скрывается абстрактный, но самосогласованный порядок.

Анаксимандр не уточнил, какую именно форму могут принимать законы Природы, – он ограничился аналогией с гражданскими законами, регулирующими жизнь человеческих обществ. Но самый известный из его учеников, Пифагор, предложил для мирового порядка математическую основу. Пифагорейцы считали, что числа обладают мистическим значением, и пытались построить весь космос из чисел. Их главную идею – что мир можно описать на языке математики – воспринял и стал отстаивать Платон, который сделал ее одним из устоев своей теории Истины. Мир нашего опыта Платон уподоблял миру теней некоей высшей реальности, определяемой идеальными математическими формами и существующей совершенно отдельно от воспринимаемой нами. Древние греки, таким образом, пришли к мысли, что, хоть мы и неспособны непосредственно ощущать или видеть скрытый мировой порядок, мы можем познать его путем логических умозаключений.