Текст книги "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга"

Но, что было еще поразительнее, оказалось, что большинство туманностей движутся прочь от нас. Еще в 1913 году талантливый астроном Весто Слайфер, работавший в Ловелловской обсерватории[53]53
  Ловелловскую обсерваторию основал в 1894 году Персиваль Ловелл для изучения таинственных марсианских «каналов». В 1930 году здесь был открыт Плутон.


[Закрыть]вблизи Большого каньона, заметил в спектрах большинства спиральных туманностей явное смещение в сторону более длинных волн[54]54
  Спектральный анализ – разложение света на составляющие его цвета. Сдвиг спектра света, приходящего от астрономического объекта, можно измерить, сравнивая длину волны определенной спектральной детали с длиной волны той же детали, измеренной в земной лаборатории.


[Закрыть]. Такое смещение появляется, когда мы наблюдаем свет от удаляющихся от нас источников, – явление, известное под названием доплеровского сдвига. Мы все знакомы с доплеровским сдвигом звуковых волн – вспомните, как меняется звук сирены «скорой помощи», когда она проносится мимо вас. То же самое происходит и с волнами света – если источник света удаляется от вас, цвет такого света краснеет, что в космологии называется красным смещением. К середине 1920-х Слайфер измерил спектры не менее чем 42 спиральных туманностей и нашел, что только четыре из них приближались к Млечному Пути, в то время как 38 удалялись, и часто с огромными скоростями – до 1800 км/c, что намного превышало скорости любых небесных тел, известных в то время. Теперь мы знаем, что таблицы Слайфера, в которые были сведены измеренные скорости туманностей – пример такой таблицы показан на рис. 12, – были самым ранним свидетельством расширения Вселенной[55]55
  Vesto M. Slipher, “Nebulae” // Proceedings of the American Philosophical Society 56 (1917): 403–9.


[Закрыть].

Вернувшись в Лёвен в 1925 году, Леметр осознал значение наблюдений Слайфера. Говорят, что к тому времени он понимал общую теорию относительности лучше всех, включая Эддингтона и самого Эйнштейна. Леметр видел, что построенная Эйнштейном статичная Вселенная была катастрофически неустойчивой. Она была космологическим эквивалентом иголки, балансирующей на острие; при малейшем толчке она начнет падать. Гениальное прозрение Леметра состояло в том, чтобы отказаться от глубоко укоренившейся идеи неизменной и вечной космической сцены и прочесть в общей теории относительности то, что она все время пыталась нам сказать:

Рис. 12. Первое свидетельство расширения Вселенной: лучевые скорости 25 спиральных туманностей (галактик), опубликованные Весто Слайфером в 1917 году. Отрицательные значения соответствуют галактикам, приближающимся к нам, а положительные скорости принадлежат удаляющимся галактикам.

что Вселенная расширяется. Связывая массу и энергию с формой пространства-времени, теория Эйнштейна с необходимостью приводит к тому, что пространство меняется во времени – и не только локально, но также и in extenso, в масштабах всей Вселенной. Проектируя статический мир, заключал Леметр, Эйнштейн ради своих философских предрассудков о том, каким космосу следует быть, проигнорировал самое драматическое предсказание, вытекавшее из его собственного уравнения. Опубликованная в 1927 году основополагающая статья Леметра, в которой он постулирует расширение пространства, как раз и устанавливает ту самую фундаментальную связь между общей теорией относительности и поведением физической Вселенной как целого[56]56
  Его статья была написана по-французски и опубликована в малоизвестном журнале Annales de la Société Scientifique de Bruxelles (Série A. 47 [1927]: 49–59). Название этой статьи: Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques («[Модель] однородной Вселенной с постоянной массой и увеличивающимся радиусом для объяснения лучевых скоростей внегалактических туманностей») не оставляет сомнений в намерениях ее автора. При окончательном редактировании рукописи Леметр немного изменил заглавие, заменив variant («изменяющийся») на croissant («увеличивающийся»), – вероятно, чтобы укрепить связь своей модели с астрономическими наблюдениями, которые показывали, что галактики от нас удаляются.


[Закрыть]. Сам Леметр потом вспоминал с присущей ему беспечностью: «Вышло так, что я был в большей степени математиком, чем большинство астрономов, и в большей степени астрономом, чем большинство математиков»[57]57
  Lambert, Atom of the Universe.


[Закрыть].

Рис. 13. Жорж Леметр читает лекцию в Католическом университете в Лёвене, в Бельгии.

Леметр понимал, что расширяющаяся Вселенная – совсем не то, что обычный взрыв. Взрыв происходит в определенной точке. Если вы наблюдаете взрывающуюся звезду с большого расстояния, пространство будет выглядеть очень по-разному в зависимости от того, смотрите ли вы в сторону звезды или в противоположную сторону. В расширяющейся Вселенной все обстоит иначе. В своем расширении Вселенная не имеет ни центра, ни края – растягивается само ее пространство. Если это и взрыв, то взрыв пространства как такового. «Туманности [галактики] похожи на микробов на поверхности воздушного шара, – пояснял Леметр. – Когда шар раздувается, каждый микроб видит, что все остальные удаляются от него, и у него складывается впечатление – но это только впечатление, – что он находится в центре». Выполненная в стиле комикса иллюстрация этой метафоры Леметра появилась в 1930 году в одной голландской газете (см. рис. 2 на вклейке).

Пока световые волны бегут от одного «микроба» до другого, они растягиваются вместе с расширяющимся пространством, и свет из-за этого краснеет. Это создает впечатление, будто далекие галактики устремляются прочь от Млечного Пути, хотя в действительности они не движутся. То есть «красное смещение» в спектрах туманностей – не доплеровский сдвиг, возникающий благодаря реальным движениям галактик, как думали Слайфер и Хаббл, а просто следствие раздувания самого пространства. Я попытался проиллюстрировать это на рис. 14. Так как лист бумаги имеет лишь два измерения, мне снова пришлось убрать два из трех измерений пространства, изобразив оставшееся третье в виде окружности. Внутренность этой окружности и пространство вне ее – просто средство визуализации. Итак, у нас есть одномерная расширяющаяся окружность: ее радиус увеличивается с течением времени. Мы видим, что это ведет к увеличению расстояний между галактиками.

Рис. 14. Схематическое представление одномерной Вселенной, имеющей форму окружности, расширяющейся с течением времени. Расширение пространства приводит к тому, что галактики отдаляются друг от друга, хотя в действительности они не движутся. Вследствие этого видимого движения наблюдаемый нами свет от галактик испытывает красное смещение.

Величина наблюдаемого нами красного смещения зависит от того, насколько давно – а значит, и насколько далеко от нас – воспринимаемый нами свет был испущен. Леметр подсчитал, что если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, то должно существовать линейное соотношение между скоростью видимого убегания галактики v и расстоянием от нас до нее r. В своей статье 1927 года он записал это соотношение в виде знаменитого итогового уравнения:

v = H r

Это соотношение говорит нам, что видимые скорости v, с которыми разбегаются галактики, должны быть пропорциональны их расстояниям r от нас. Коэффициент пропорциональности H в этом соотношении есть числовая характеристика скорости расширения Вселенной. В поисках наблюдательного подкрепления своего предсказания Леметр взял измеренные Слайфером красные смещения и выполненные Хабблом (с большой неопределенностью) измерения расстояний для 42 туманностей, и на этом основании сделал оценку: через каждые три миллиона световых лет расстояния скорость разбегания галактик растет примерно на 575 километров в секунду[58]58
  Из-за больших неопределенностей в измерении расстояний Леметр в выборке галактик, оценки расстояний до которых были опубликованы Хабблом, разделил среднее значение скоростей галактик на среднее значение расстояний до них – это помогло усреднить неопределенности каждого индивидуально измеренного расстояния.


[Закрыть].

Открытие расширения Вселенной ознаменовало собой крупнейший сдвиг космологической парадигмы со времен Ньютона. Однако в то время его почти никто не заметил, а те немногие отклики, которые дошли до Леметра, были не особенно вдохновляющими. Экземпляр своей статьи Леметр послал Эддингтону, но тот его потерял. А Эйнштейн, который только что употребил большие усилия на то, чтобы согласовать свою теорию с концепцией неподвижной и статичной Вселенной, отказался снова пересматривать этот вопрос. Во время их короткой и довольно нервной встречи в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса[59]59
  Стремясь продолжить разговор с Эйнштейном, Леметр сел в такси, на котором Эйнштейн поехал в лабораторию своего бывшего берлинского студента Огюста Пиккара. Во время поездки Леметр стал говорить о наблюдаемом удалении туманностей и о том, что оно могло свидетельствовать о расширении Вселенной. Однако, по его воспоминаниям, это ни к чему не привело: у него осталось впечатление, что Эйнштейн не только ничего не знал о последних астрономических наблюдениях, но и не проявлял к ним никакого интереса.


[Закрыть] Эйнштейн рассказал Леметру, что решения его уравнений, описывающие расширяющуюся Вселенную, были получены за четыре года до этого молодым математиком из Санкт-Петербурга Александром Александровичем Фридманом[60]60
  Интересы Фридмана были очень широки – они простирались от чисто математических аспектов теории относительности до сенсационных высотных полетов на аэростатах для исследования воздействия больших высот на организм человека. До 1925 года ему принадлежал мировой рекорд по высоте подъема на аэростате – 7400 метров, выше самой высокой горной вершины в России. Он умер несколько месяцев спустя, по-видимому, от сыпного тифа, в возрасте тридцати семи лет.


[Закрыть], вскоре после того скончавшимся. Самому Эйнштейну (да и Фридману) такие решения казались просто странными математическими особенностями теории относительности, не имеющими никакого значения для реального космоса. Статическая Вселенная казалась обоим намного более совершенной и эмоционально приятной. Так что, насколько мы можем судить – притом что Фридман умер, Эйнштейн не желал ничего слушать, а Эддингтон просто не обратил на открытия Леметра никакого внимания, – в конце 1920-х годов лишь один человек на планете постиг то, чему суждено было в конечном счете оказаться самым грандиозным следствием общей теории относительности.

Ничуть не смущенный этим, Леметр принялся за изучение хода расширения Вселенной. Работая у себя дома в Лёвене, на бывшей пивоварне, он стал прослеживать эволюцию размеров трехмерной гиперсферы[61]61
  Как и Эйнштейн, Леметр в силу своих философских позиций определенно был сторонником картины пространственно конечной Вселенной.


[Закрыть], заполненной различными количествами вещества и темной энергии. Рис. 1 на вклейке показывает разнообразие найденных им решений для различных вселенных, каждая из которых расширяется и эволюционирует в соответствии с общей теорией относительности. Это семейство графиков, рассчитанных Леметром и тщательно нанесенных им на миллиметровку в 1929 или 1930 году, представляет собой один из наиболее замечательных научных документов XX века. Поистине грандиозные по степени своего расхождения с господствовавшим тогда мировоззрением, они буквально изменили мир.

В РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ ВСЕ ОБСТОИТ ИНАЧЕ. В СВОЕМ РАСШИРЕНИИ ВСЕЛЕННАЯ НЕ ИМЕЕТ НИ ЦЕНТРА, НИ КРАЯ – РАСТЯГИВАЕТСЯ САМО ЕЕ ПРОСТРАНСТВО. ЕСЛИ ЭТО И ВЗРЫВ, ТО ВЗРЫВ ПРОСТРАНСТВА КАК ТАКОВОГО.

В 1929 году Хаббл, в чьем распоряжении по-прежнему был самый мощный в мире телескоп на Маунт-Вилсон, получил сильное эмпирическое подтверждение линейной зависимости между расстоянием до галактики и ее лучевой скоростью. Доказательство было настолько убедительным, что эта зависимость – уравнение (23) в статье Леметра 1927 года – даже была названа законом Хаббла[62]62
  В 2018 году Международный астрономический союз принял резолюцию о том, что это соотношение следует называть законом Хаббла – Леметра.


[Закрыть], невзирая на то, что Хаббл вообще не упоминал ни о каком расширении Вселенной и до самой смерти не верил в релятивистскую интерпретацию его наблюдений[63]63
  По закону Хаббла галактики удаляются от Земли со скоростью, пропорциональной их расстоянию. На основании усовершенствованных наблюдений двадцати четырех галактик Хаббл получил значение постоянного коэффициента пропорциональности H, равное 513 км/с на каждые три миллиона световых лет – что не очень отличалось от значения, полученного ранее Леметром. Хаббл и Хьюмасон интерпретировали свои наблюдения в терминах обычного доплеровского сдвига.


[Закрыть]. Тем не менее надо признать, что выполненная им работа была настоящим чудом наблюдательского мастерства. Хабблу помогал Милтон Хьюмасон, бывший погонщик мулов, один из последних астрономов, пришедших в профессию, не имея университетского диплома. Он прилагал поистине героические усилия, чтобы улавливать слабые потоки света от далеких туманностей и определять их красные смещения. Говорили, что на измерение спектра одной-единственной туманности у Хьюмасона уходило три полные ночи тщательнейших наблюдений.

Великолепные наблюдения галактик, выполненные Хабблом и Хьюмасоном, стали переломным моментом в релятивистской космологии. Эддингтон, которому напомнили о статье Леметра 1927 года, распорядился, чтобы английский перевод этой статьи был немедленно напечатан в «Ежемесячных известиях Королевского общества» (Monthly Notices of the Royal Society), и организовал заседание Королевского Общества для обсуждения вопроса. Перед лицом неопровержимых астрономических доказательств Эйнштейн тоже признал, что был неправ. Он резко изменил свою позицию и принял концепцию расширяющейся Вселенной. При этом ему пришлось устранить из уравнений λ-член, который он когда-то специально ввел для обеспечения стационарности Вселенной. Он говорил, что ему никогда не нравился этот член, казавшийся ему грубо нарушающим математическую красоту его теории. О новой, освобожденной от бремени λ-члена и усовершенствованной теории Эйнштейн писал американскому астроному Ричарду Толмэну: «Она действительно стала несравненно более удовлетворительной»[64]64
  Эйнштейн, письмо к Толмену, 1931. См.: Albert Einstein Archives, Archivnummer 23-030.


[Закрыть].

Как ни парадоксально, у Леметра было совершенно иное мнение: он считал, что λ-член Эйнштейна блестяще дополнял его теорию и нужен был, конечно, не для того, чтобы сконструировать статическую Вселенную (такой была мотивация Эйнштейна), а чтобы учитывать энергию, связанную с пустым пространством. В этом с Леметром соглашался Эддингтон, который как-то раз заявил: «Я бы скорее вернулся к теории Ньютона, чем отказался бы от космологической постоянной»[65]65
  Arthur Stanley Eddington, The Expanding Universe (Cambridge: Cambridge University Press, 1933), 24.


[Закрыть]. В то время как Эйнштейн добавлял λ-член к левой части своего уравнения, объясняя это геометрическими соображениями, Эддингтон и Леметр рассматривали его как элемент энергетического бюджета Вселенной, за который отвечала правая часть. Если пространство-время есть физическое поле, рассуждали они, разве не должны мы рассчитывать, что оно обладает своими собственными внутренне присущими ему свойствами? Именно это и делает космологическая постоянная: обеспечивает пространство-время энергией и давлением. Так же, как кружка молока содержит определенное количество энергии, измеряемой посредством температуры, λ-член наполняет оказавшееся бы в противном случае пустым пространство «темной энергией» и «темным давлением», количество которых и дается численным значением постоянной. «С λ-членом все обстоит так, как будто энергия вакуума отличалась бы от нуля», – писал Леметр[66]66
  Georges Lemaître, Evolution of the expanding universe // Proceedings of the National Academy of Sciences, 20, 12–17.


[Закрыть].

Антигравитационное действие космологической постоянной возникает из-за того, что давление, которым она наполняет пространство, отрицательно. В отрицательном давлении нет ничего особенно экзотического – это то, что мы часто называем натяжением, как у растянутой резиновой ленты. Отрицательное давление в эйнштейновской теории производит «отрицательное тяготение», или антигравитацию, которая ускоряет расширение пространства.

Когда пространство растягивается, его свойства не изменяются. Его просто становится больше. Поэтому, в отличие от энергии обычного вещества или излучения, темная энергия пространства-времени при расширении пространства не «разжижается» и на огромных пространственных масштабах может даже стать определяющим фактором эволюции Вселенной. В гиперсферических вселенных, соответствующих нижнему семейству кривых на классическом графике Леметра (см. рис. 1 на вклейке), это не так. В этих вселенных плотность темной энергии пространства мала. Вследствие этого гравитационное притяжение полностью доминирует, и то, как изменяется размер Вселенной, очень похоже на траекторию бейсбольного мяча в полете: сначала он начинает расти, затем достигает максимума, прежде чем успевает накопиться и вступить в игру темная энергия, и наконец снова коллапсирует – происходит Большое схлопывание. Но если бы значение космологической постоянной было выше, она смогла бы противодействовать гравитационному притяжению вещества и резко изменить течение космологической эволюции. При достаточном количестве ход расширения Вселенной переходит от «траектории бейсбольного мяча» к «взлетающей космической ракете». Этот тип поведения на диаграмме Леметра соответствует верхнему семейству кривых.

Вообще-то, кроме забот о свойствах пустого пространства, у Леметра была и другая, не менее интересная причина сохранить присутствие – я уже говорил о ней в главе 1. Эта причина имела прямое отношение к обитаемости Вселенной. Тщательно регулируя численное значение, Леметр мог теоретически сконструировать вселенную с большой продолжительностью эры очень медленного расширения, необходимой для того, чтобы в ней могли образоваться галактики, звезды и планеты. Такая «нерешительная» вселенная оказывается намного более благоприятной для жизни, чем многие другие ее версии, найденные Леметром. Она соответствует единственной почти горизонтальной траектории на рис. 1. (Однако если бы Леметр продолжил вычисления, он бы убедился, что даже эта вселенная в конце концов тоже начала бы ускоряться.)

Леметр и Эйнштейн продолжали ссориться из-за «маленькой лямбды» до конца жизни. Они так и не смогли прийти к согласию. Журналисты, выслеживавшие их во время прогулок по лужайкам Атенеума в Калтехе, писали о «маленькой овечке», которая бегает за ними повсюду, куда бы они ни пошли[67]67
  Атенеум – клуб преподавателей в кампусе Калифорнийского технологического института в Пасадене; «маленькая овечка» – непереводимый каламбур, основанный на сходстве слов «лямбда» и lamb («овечка») – Примеч. пер.


[Закрыть]. В более поздней переписке с Леметром на эту тему Эйнштейн признавался, что, если бы он «мог продемонстрировать, что действительно присутствует, это было бы очень важно»[68]68
  Эйнштейн, письмо к Леметру, 1947. См.: Archives Georges Lemaître, Université catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, A4006.


[Закрыть]. Это выглядело так, как будто Эйнштейн готов был пересмотреть роль пресловутого λ-члена. Пройдет больше восьмидесяти лет, и высокоточные астрономические наблюдения спектров взрывающихся звезд – сверхновых – подтвердят правоту Леметра: мы действительно живем в «нерешительной» Вселенной, хоть эпоха ее «нерешительности» и закончилась несколько миллиардов лет назад[69]69
  Наблюдения красного смещения, выполненные Хабблом и Хьюмасоном, позволили заглянуть в прошлое всего на несколько миллионов световых лет. Следовательно, их измерения определили скорость расширения в относительно недавние эпохи, но ничего не сказали о том, как эта скорость менялась на протяжении всей истории Вселенной. В «золотые 1990-е» спектральные наблюдения ярких вспышек сверхновых, которые можно наблюдать на расстояниях в миллиарды световых лет, позволили реконструировать ход расширения Вселенной на миллиарды лет назад. В результате оказалось, что около пяти миллиардов лет назад Вселенная перешла от замедляющегося расширения к ускоренному.


[Закрыть].

Может быть, самая поразительная подробность диаграммы Леметра, приведенной на рис. 1, прячется в ее левом нижнем углу, где он отметил точку нулевого отсчета времени: t = 0.

Дело в том, что в первоначальном варианте 1927 года расширяющаяся Вселенная Леметра не имела начала. Он предполагал тогда, что Вселенная медленно и постепенно эволюционировала от состояния, близкого к статическому, которое она имела в бесконечно далеком прошлом. Но к 1929 году Леметр понял, что и в далеком прошлом этот сценарий очень напоминал эйнштейновскую иголку, балансирующую на острие, – и отбросил его в пользу другого, в котором у Вселенной было реальное начало. Для Леметра факт расширения Вселенной означал, что она должна была иметь прошлое, непредставимо отличающееся от ее настоящего. «Мы нуждаемся в полном пересмотре нашей космогонии, – настаивал он, – в теории космической эволюции, подобной фейерверку»[70]70
  Georges Lemaître, Discussion sur l’évolution de l’univers (Paris: GauthierVillars, 1933), p 15–22.


[Закрыть].

Здесь Леметр зашел гораздо дальше, чем могла его завести даже теория Эйнштейна. Он увидел исток Вселенной в сверхтяжелом «первичном атоме», ослепительный распад которого привел к появлению того бескрайнего космоса, что мы сегодня видим. «Стоя на остывающем куске шлака, мы видим медленное угасание солнц и пытаемся восстановить в воображении исчезающий блеск рождения миров», – писал он в своей монографии «Гипотеза первичного атома» (L’Hypothèse de l’Atome Primitif). В поисках ископаемых остатков взрывного рождения Вселенной Леметр заинтересовался космическими лучами, в которых он видел нечто вроде ожидающих расшифровки иероглифов, хранящих рассеянную в пространстве информацию о древнем первичном огненном шаре. Уже в конце своей деятельности для более точных вычислений траекторий космических лучей Леметр купил на Всемирной выставке World Expo 1958 года в Брюсселе одну из первых электронных вычислительных машин, Burroughs E101. С помощью своих студентов он установил ее на чердаке физического факультета университета в Лёвене, основав тем самым первый в истории университетский вычислительный центр[71]71
  Леметр принадлежал к новой генерации математиков-астрономов, которые были убеждены, что в астрономии будущего сыграют огромную роль не только чисто математический подход, но и компьютерное программирование. Его собственные вычислительные исследования были очень тесно связаны с прогрессом в компьютерной технике. В начале 1920-х он помогал Вэннивару Бушу в MIT, пытаясь применить дифференциальный анализатор к решению задачи Штермера. Впоследствии в своих вычислениях траекторий космических лучей он перешел от таблиц логарифмов к ручным механическим арифмометрам, от них – к настольным электрическим калькуляторам и механическим автоматизированным счетным машинам, и, наконец, осуществил свою мечту, когда Дуглас Хартри предоставил ему доступ к вычислительной машине на электронных лампах, разрабатывавшейся в 1950-х в Кембриджском университете.


[Закрыть].

Однако хотя идея расширяющейся Вселенной получила широкое признание еще в начале 1930-х, любые разговоры о том, что Вселенная имела начало, встречались с огромным скепсисом. «Для меня представление о том, что нынешнее устройство Природы имело начало, выглядит просто отталкивающе, – заявлял Эддингтон. – Как ученый, я просто не верю, что Вселенная началась со взрыва. Как будто нечто неизвестное нам выделывает неизвестно что»[72]72
  Arthur S. Eddington, “The End of the World: from the Standpoint of Mathematical Physics” // Nature 127, no. 2130 (March 21, 1931): 447–53.


[Закрыть].

ЛЕМЕТР УВИДЕЛ ИСТОК ВСЕЛЕННОЙ В СВЕРХТЯЖЕЛОМ «ПЕРВИЧНОМ АТОМЕ», ОСЛЕПИТЕЛЬНЫЙ РАСПАД КОТОРОГО ПРИВЕЛ К ПОЯВЛЕНИЮ ТОГО БЕСКРАЙНЕГО КОСМОСА, ЧТО МЫ СЕГОДНЯ ВИДИМ.

Эйнштейн тоже сперва отвергал идею начала мира. О точке нулевого отсчета времени в модели расширяющихся вселенных Леметра он думал так же, как и о сингулярности в центре шварцшильдовской сферической черной дыры, – как о странной особенности идеально симметричного и однородного расширения этих вселенных. Поскольку реальная Вселенная вовсе не идеально однородна, при попытке обратить процесс расширения вспять воспроизвести те же конфигурации не удастся, рассуждал он; значит, начало надо заменить циклами сжатия и расширения. В философском смысле это казалось ему гораздо более приемлемым. В 1957 году Леметр вспоминал об их беседе так: «Я снова встретился с Эйнштейном в Калифорнии – в Атенеуме, в кампусе Пасадены. Говоря о своих сомнениях в отношении неизбежности – при определенных условиях – начала Вселенной, Эйнштейн предложил упрощенную модель несферической Вселенной, для которой я без труда рассчитал тензор энергии и показал, что лазейка, с помощью которой Эйнштейн надеялся [избежать необходимости начала], не работает»[73]73
  Lemaître, Revue des Questions scientifiques.


[Закрыть]. По всей видимости, Леметр разделял чувства Эйнштейна по поводу неизбежности начала мира, отметив, что «с эстетической точки зрения эта идея неудачна. Представление о Вселенной, которая раз за разом расширяется и сокращается, обладает неотразимым поэтическим очарованием, заставляя вспомнить о легендарной птице Феникс»[74]74
  Lemaître, “L’univers en expansion”.


[Закрыть].

Но Вселенная такова, какова она есть. Невзирая на философские и эстетические предпочтения своих первопроходцев, релятивистская космология недвусмысленно указывала – и упорно продолжает это делать, – что начало у Вселенной все же было. Не будем, однако же, забывать, что нулевой отсчет времени в космологии Леметра, «день, у которого не было “вчера”», вновь образует в общей теории относительности сингулярность, в которой кривизна пространства-времени становится бесконечной, и вследствие этого уравнение Эйнштейна перестает работать. Так что забавным образом Большой взрыв для релятивистской космологии остается в той же степени краеугольным камнем, в какой и ахиллесовой пятой – неизбежностью, лежащей за пределами понимания.

Такое положение вещей вызывает глубочайшее смущение. Если само понятие времени обрело смысл с Большим взрывом, тогда все вопросы о том, что было до этого момента, оказываются лишенными смысла. Даже умозрительные предположения о том, что вызвало Большой взрыв, тоже выглядят неуместными – ведь причина должна предшествовать следствию, а значит, сама постановка вопроса предполагает некоторое представление о времени. Этот видимый крах основной идеи причинности в точке возникновения времени и составлял суть выступлений Эддингтона и Эйнштейна против Леметра. Их неприятие представления о реальном начале Вселенной коренилось в ощущении, что такое начало требовало вмешательства в естественный ход эволюции какого-то сверхъестественного посредника. И это ощущение становилось еще острее по мере того, как за последнее столетие появлялось все больше и больше доказательств происхождения Вселенной путем, поразительно способствующим эволюции жизни. Так что, оглядываясь назад, мы можем понять и простить одолевавшие Эддингтона и Эйнштейна подозрения!

Взгляды Эйнштейна и Эддингтона на проблемы, связанные с идеей начала Вселенной, уходили корнями в старый детерминизм, восходящий еще к Ньютону, детерминизм, с которым согласуется и классическая теория общей относительности Эйнштейна. В этой схеме любое начало требует начальных условий, имеющих те же степени свободы, что и Вселенная, которая из этих условий развивается. Вселенная, которая в ходе своей эволюции достигает некоторой степени сложности, требует, чтобы в нее были заложены начальные условия того же уровня сложности. А Вселенная, которая оказывается приспособленной для зарождения жизни, требует начальных условий, в которых закодирован тот же уровень потенциальной благоприятности для жизни. Все выглядит так, как будто для «запуска» нашей тонко настроенной биофильной Вселенной потребовался некий «акт божественного творения».

Но Леметр сделал гигантский шаг вперед от детерминизма. Он предложил разорвать цепь причин и следствий, приняв квантовую точку зрения на происхождение Вселенной. Свою позицию он изложил в, возможно, самом визионерском из своих текстов, «Начало мира с точки зрения квантовой теории», опубликованном в журнале Nature в мае 1931 года[75]75
  Georges Lemaître, “The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory” // Nature 127, no. 2130 (May 9, 1931): 706.


[Закрыть]. Исполненное космической поэзии письмо Леметра – один из самых дерзких научных текстов XX столетия. В нем всего лишь 457 слов, но его можно считать настоящей хартией космологии Большого взрыва. В своем письме Леметр утверждает – насколько мне известно, впервые, – что революции, произведенные теорией относительности и квантовой механикой глубоко взаимосвязаны, что изучение начала Вселенной должно быть частью науки, что оно управлялось физическими законами, которые мы можем установить, но что эти гипотетические законы потребуют объединения квантовой теории с теорией гравитации. Мы должны сплавить воедино теорию относительности и квантовую теорию, писал Леметр, так как первая предполагает возникновение Большого взрыва там, где вторая становится критически важной. Именно это объединение, как провидел Леметр, обеспечит настолько мощный и глубокий синтез знаний, что он введет вопрос о происхождении Вселенной в рамки естественных наук. Эти мысли оказались провидческими: сегодня физики постоянно говорят, что Большой взрыв был высшей формой квантового эксперимента.

Квантовая теория пропитывает физику неизбежным элементом неопределенности и «размытости». Леметр предполагал, что в экстремальных условиях самых ранних стадий Вселенной даже пространство и время сделались бы неопределенно-размытыми. «Понятия пространства и времени в самом начале вообще не имели бы какого-либо значения, – писал он в своем “манифесте Большого взрыва”. – Пространство и время начали бы иметь какой-то реальный смысл только, когда исходный “квант” разделился бы на достаточное количество настоящих квантов». И загадочно добавлял: «Если это предположение верно, то начало мира случилось чуть раньше начала пространства и времени».

Но как же квантовый индетерминизм мог бы разрешить загадку причинности, которую ставит перед нами Большой взрыв? Леметр имел в виду, что сложная Вселенная могла появиться из простого первичного атома вследствие случайных квантовых скачков. И если бы оказалось, что сложность современной Вселенной есть результат бесчисленных «замороженных случайностей» в ее эмбриональном развитии, а не следует с необходимостью из идеально выверенных исходных условий, заложенных в самом начале, – разве это не могло бы сделать всю идею начала Вселенной более приемлемой? Размышляя над потенциальными следствиями сценария квантового происхождения Вселенной, Леметр заканчивал свое письмо в Nature такими словами: «Ясно, что первоначальный квант не мог содержать в себе весь последующий ход эволюции. Нет никакой необходимости в том, чтобы история мира была записана в первом кванте, как песенка на диске фонографа… Напротив, из одного и того же начала могли бы развиться очень разные вселенные».

Благодаря тому, что идея квантового происхождения казалась способной смягчить остроту проблемы происхождения времени, Леметр стал рассматривать эту идею как центральную опору его новой космологии, хотя он так и не записал ни единого уравнения первичного атома в обоснование своего дерзновенного видения. Интуитивная картина начала Вселенной, которую Леметр нарисовал в своем «манифесте Большого взрыва» отличается крайней простотой. В его представлении первичный атом был чем-то вроде абстрактного, неделимого, девственного космического яйца, что заставляет меня вспомнить «Начало мира», произведение румынского скульптора Константина Бранкузи (см. рис. 6 на вклейке).

Британский квантовый физик Поль Дирак, один из первых сторонников Леметра и его гипотезы первичного атома, пошел еще дальше и предположил, что квантовые скачки в ранней Вселенной могли полностью заменить собой необходимость в каких-либо начальных условиях. Могло ли случиться, что в момент квантового начала мира причинность исчезает, что тайна «первопричины» в квантовом мире – в нашем мире – просто испаряется?

Поль Дирак прибыл в Кембридж в качестве студента в 1923 году, в том же году, что и Леметр, и тоже надеялся изучать теорию относительности у Эддингтона. Но ему было суждено пойти по иному пути. Этот путь привел его в квантовую теорию частиц, где он достиг непревзойденной никем глубины понимания. Дирак вывел получившее его имя уравнение, объединившее эйнштейновскую частную теорию относительности с квантовой механикой, и предсказал существование антивещества, что принесло ему в 1933 году Нобелевскую премию. Впоследствии он стал даже пятнадцатым по счету Лукасовским профессором математики в Кембридже. При этом Дирак был весьма необычной личностью: он отличался известной всем застенчивостью и молчаливостью, и, как говорили некоторые его коллеги, иногда казался поистине невидимкой. Как-то раз в конце 1970-х Стивен и его жена Джейн субботним вечером пригласили Дирака с женой к чаю. Дон Пэйдж, в то время ассистент Стивена, живший у него и помогавший ему в быту, тоже задержался за столом, чтобы послушать, о чем будут говорить между собой два титана физики XX века. Но ни один из них так и не произнес ни слова.

В архиве Дирака в Таллахасси, штат Флорида, хранится прелестная карандашная зарисовка: портрет Леметра, набросанный одним из слушателей во время лекции Леметра в Клубе Капицы в Кембридже в 1930 году (см. рис. 15). Под наброском написано: «Но я не верю в Божий Перст, всколыхнувший эфир». Согласно воспоминаниям Дирака, которые он записал на сопровождающем этот рисунок листке в 1971 году, «во время лекции Леметра было много споров о роли квантовой неопределенности».

Рис. 15 (а). Этот набросок сделал слушатель доклада, который Жорж Леметр прочел в Кембриджском университете в 1930 году. Надпись внизу свидетельствует, что Леметр не видел никаких причин для участия Бога в Большом взрыве. Он считал, что гипотеза первичного атома – чисто научный вопрос, основанный на физической теории, и решаться он должен в конечном счете астрономическими наблюдениями. Через сорок лет Поль Дирак сделал к этому наброску приписку, приводимую здесь же.

Рис. 15 (b). «Году в 1930-м аббат Леметр приехал в Кембридж и прочел лекцию в Клубе Капицы. Было много споров о проблеме неопределенности в квантовой механике. Леметр упорно твердил, что не верит в то, что Бог непосредственно вмешивается в события в мире атомов.

Во время дискуссии кто-то из присутствующих сделал на память этот набросок. Не помню, кто это был. Леметр на рисунке получился довольно похоже. П. А. М. Дирак. 1 сентября 1971».

И Дирак, и Леметр видели в квантовой механике способ распутать причинный узел, созданный детерминистской перспективой начала Вселенной, – и сделать это, прослеживая корни сложности, приобретенной Вселенной в ходе ее существования, до случайных квантовых скачков на заре ее образования. Эти скачки в каком-то смысле сделали космологическую эволюцию истинно творческим процессом.

Подводя итоги бурного десятилетия открытий, Дирак снова упомянул леметровскую гипотезу первичного атома в 1939 году, в своей лекции при получении премии Вальтера Скотта в Королевском обществе в Эдинбурге: «Новая космология [связанная с расширением Вселенной] в философском смысле, вероятно, окажется даже более революционной, чем теория относительности или квантовая теория, хотя сейчас мы вряд ли можем осознать все таящиеся в ней последствия»[76]76
  П. А. М. Дирак в лекции «Отношения между математикой и физикой» (P. A. M. Dirac, “The Relation Between Mathematics and Physics,”), прочитанной им 6 февраля 1939 года на вручении премии им. Джеймса Скотта и опубликованной в Proceedings of the Royal Society of Edinburgh 59 (1938–39, Part II): 122–29.


[Закрыть]. Пройдет семьдесят лет, и мы со Стивеном в нашем научном странствии и вправду столкнемся с некоторыми из этих философских последствий.

В то время, однако, наблюдений, которые могли бы подтвердить гипотезу первичного атома или чего-то вроде него, выполнить не удавалось. После взлета в начале 1930-х космология постепенно сделалась тихой научной заводью: наблюдений в этой области почти не было, зато грандиозных умозрительных построений – хоть отбавляй. Ученые-космологи приобрели сомнительную репутацию тех, кто «часто ошибается, но никогда не сомневается».