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

По сути, в 1950-х теория Большого взрыва почти исчезла из поля зрения научной общественности. В 1949 году ярый оппонент теории Леметра британский астрофизик Фред Хойл в ходе взятого у него радиокомпанией BBC интервью пустил в обращение словосочетание «Большой взрыв». Он придавал этому выражению иронический оттенок, характеризуя обозначаемое явление как «иррациональный процесс, который не может быть описан на языке науки». Хойл не упустил случая представить космологию Большого взрыва как псевдонауку, упорно внедрявшуюся в общественное сознание согласованными усилиями. Вторя Эддингтону, Хойл констатировал: «У начала Вселенной не может быть никакого причинного объяснения, да и вообще никакого объяснения. Маниакальная страстность, с которой за космологию Большого взрыва хватается корпоративная научная братия, очевидным образом проистекает из глубоко укоренившегося пристрастия к первой странице Книги Бытия – перед нами религиозный фундаментализм во всем своем блеске»[77]77
  Fred Hoyle, “The Universe: Past and Present Reflections” // Annual Review of Astronomy and Astrophysics 20 (1982): 1–36.


[Закрыть]. И порекомендовал: «Как только вы услышите слово “происхождение” – не верьте ничему, что вам скажут дальше!»[78]78
  Fred Hoyle, The Origin of the Universe and the Origin of Religion (Wakefield, R.I.: Moyer Bell, 1993).


[Закрыть]

Вместе с Германом Бонди и Томасом Голдом Хойл предложил альтернативную модель: теорию стационарной Вселенной, которая в 1950-е годы составила Большому взрыву серьезную конкуренцию. Согласно этой теории, хотя Вселенная действительно всегда расширяется, ее средняя плотность остается постоянной: в ней непрерывно происходит образование вещества. Из него формируются новые галактики, которые заполняют образующиеся вследствие разбегания более старых галактик пустоты. В то время как в космологии Большого взрыва бо́льшая часть материи создается в первичном огне, в стационарной Вселенной творение материи – медленный, бесконечно длящийся процесс. У стационарной Вселенной Хойла нет ни начала, ни конца во времени – это какая-то мини-версия мультивселенной, только вместо постоянного образования новых вселенных образуются галактики.

Тем временем известный физик русского происхождения Георгий (Джордж) Гамов – друзья прозвали его Джи-Джи – подверг тщательному рассмотрению экзотическую среду, возникающую в ходе Большого взрыва. Гамов был колоритной фигурой: он обладал каким-то чудесным даром привлекать к себе самых разных людей – от Троцкого и Бухарина до Эйнштейна и Фрэнсиса Крика, причем часто при самых запоминающихся обстоятельствах[79]79
  Множество историй из яркой жизни Гамова можно найти в его автобиографии: My World Line: An Informal Autobiography (New York: Viking Press, 1970). Изд. на русском языке: Гамов Дж. Моя мировая линия: неформальная автобиография / Предисл. С. Улама; пер. с англ., коммент. и доп. материалы Ю. И. Лисневского. – М.: Наука: Изд. фирма «Физ. – мат. лит.», 1994.


[Закрыть]. Гамов вырос в украинском городе Одесса, а учился в Санкт-Петербурге (Ленинграде), где изучал общую теорию относительности у Александра Фридмана. Раздраженный растущим вмешательством коммунистического государства в интеллектуальную жизнь, Гамов вместе с женой попытался переплыть Черное море в лодке. Они отчалили с южной оконечности Крымского полуострова в сторону Турции, и сначала все шло хорошо, но через два дня они попали в шторм, который отнес их лодку обратно в Крым. Супруги, однако, не сдались: в 1933 году, когда Бор пригласил Гамова принять участие в Седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, они воспользовались этой возможностью и эмигрировали в Соединенные Штаты.

Гамов не был ни математиком, ни астрономом – он был физиком-ядерщиком и представлял Вселенную в первые минуты ее расширения как гигантский ядерный реактор. Вместе с Ральфом Алфером и Робертом Херманом Гамов пришел к выводу, что Большой взрыв был очень и очень горячим. Они задались вопросом, не образовались ли в этом первичном плавильном тигле Вселенной химические элементы, из которых состоим мы сами и все остальное вокруг нас. Гамов рассуждал так: если бы плотность и температура первичной Вселенной были так высоки, что даже атомные ядра не могли бы существовать, Периодическая таблица элементов изначально была бы пустой – в ней был бы только один самый первый элемент, водород, то есть, по сути дела, одни только протоны. Вселенная была бы заполнена сверхплотной горячей плазмой, которую Гамов назвал «Илем» – от греческого ύλη, «материя». Эта плазма состояла бы из свободно движущихся субатомных «строительных кирпичиков» – электронов, протонов и нейтронов, – погруженных в горячий океан излучения. Но когда Вселенная расширилась и остыла, нейтроны и протоны соединились бы и образовали составные атомные ядра. Первым из них был бы дейтерий, тяжелый водород, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона; ядра дейтерия сами стали бы присоединять к себе протоны и нейтроны, образуя гелий. Применяя законы ядерной физики в условиях расширения пространства, Гамов и его группа рассчитали, что окно для ядерного синтеза в первичной Вселенной должно было открыться примерно через сто секунд после Большого взрыва. Но спустя несколько минут вследствие расширения Вселенной температура упала бы до ста миллионов градусов, и космический ядерный реактор отключился бы. Однако этого короткого промежутка времени было бы достаточно, чтобы примерно четверть всех протонов во Вселенной оказалась внутри гелиевых ядер, да еще совсем небольшого количества более тяжелых элементов, вроде бериллия и лития. Относительное обилие легких элементов, предсказанное Гамовым и его группой, оказалось в прекрасном соответствии с выполненными позже астрономическими измерениями. И сегодня результаты этих вычислений считаются одним из главных подтверждений теории горячего Большого взрыва[80]80
  Более тяжелые химические элементы, такие как углерод, были синтезированы гораздо позже в процессе термоядерного горения в недрах звезд. Еще более тяжелые элементы, тяжелее железа, образовались еще позже – либо при взрывах сверхновых, либо в бурных процессах слияния нейтронных звезд. Эти и другие процессы и создали все химическое разнообразие сегодняшней Вселенной. Самые экзотические элементы синтезируются сейчас в физических лабораториях Земли (а может быть, и где-то еще).


[Закрыть].

Но в работе Гамова, как ни трудно это себе представить, крылось предсказание еще более капитальной важности. Алфер, Гамов и Херман поняли, что тепло, высвобожденное при синтезе атомных ядер, должно все еще существовать в современной Вселенной в виде заполняющего все пространство океана остаточного излучения. Да и куда же ему было деваться? Кроме Вселенной ничего не существует! Вычисления Гамова и его сотрудников показали, что миллиарды лет космического расширения должны были охладить это тепловое излучение до температуры около пяти кельвинов (К), или минус 267 градусов по Цельсию. Столь холодное излучение должно было бы наблюдаться преимущественно в микроволновых частотах электромагнитного спектра. И сегодняшняя Вселенная – все ее пространство – должно быть заполнено этими миллиметровыми волнами. Это было открытие огромной принципиальной важности: Гамов и его сотрудники предсказали существование реликтового остатка горячего Большого взрыва, который мы могли бы видеть, если бы наши глаза были способны воспринимать микроволновое излучение.

И мы увидели его! Нагретые тела должны излучать, и вся Вселенная не может быть исключением из этого правила. Реликтовый космический микроволновой фон, или сокращенно CMB (Cosmic microwave background), был зарегистрирован в 1965 году. Это был звездный час двух американских физиков, Арно Пензиаса и Роберта Уилсона. Ничего не зная о работе Гамова, Пензиас и Уилсон занимались калибровкой гигантской микроволновой рупорной антенны для лаборатории Bell Telephone в Холмделе, штат Нью-Джерси, – она была предназначена для отслеживания баллонных спутников связи «Эхо». В процессе калибровки у антенны обнаружился постоянный неустранимый шум, природа которого была совершенно непонятна. В какую бы точку неба ни направляли антенну, шумовой сигнал с длиной волны 7,35 см не исчезал ни днем, ни ночью. Поговорив с друзьями из местных космологов, Пензиас и Уилсон пришли к ошеломляющему выводу: постоянное «шипение» антенны вызывалось слабым реликтовым излучением горячего Большого взрыва – дошедшим до нас от начала времен посланием, которое провидел Леметр и предвычислил Гамов.

Рис. 16. В память о совместной с Ральфом Алфером статье 1948 года, посвященной синтезу атомных ядер в огне горячего Большого взрыва, Джордж Гамов наклеил на этикетку этой бутылки ликера «Куантро» слово YLEM. Термин «Илем» на средневековом английском обозначает первичную субстанцию, из которой был создан мир.

Открытие Пензиасом и Уилсоном реликтового микроволнового излучения прогремело на весь мир. До мирового научного сообщества наконец дошло, что космологическое расширение реально и оно означает, что прошлое Вселенной непредставимо отличалось от ее настоящего.

Осознание этого факта фундаментальным образом преобразовало ход дискуссии о происхождении Вселенной. Буквально за несколько дней первопричина расширения Вселенной, тайна, которая за тридцать лет до этого восстановила друг против друга Эйнштейна и Леметра, сделалась центральной проблемой теоретической космологии и осталась ею до сих пор.

Леметру рассказали об открытии CMB 17 июня 1966 года, в больнице, всего за три дня до его кончины. Новость о том, что «ископаемые остатки» первоначальной Вселенной, доказывающие правоту его теории, наконец найдены, принес ему близкий друг. Говорят, что на это Леметр сказал: «Я счастлив… теперь у нас есть доказательства»[81]81
  Lambert, Atom of the Universe.


[Закрыть].

Сейчас может показаться странным, что «отец Большого взрыва» был католическим священником. Но Леметр хорошо понимал, как лавировать между Эйнштейном и Папой. Он приложил много стараний, чтобы объяснить, почему не видит конфликта между «двумя путями к истине», которыми он решил идти, – наукой и учением о Спасении. В интервью, которое Леметр дал Дункану Эйкману для The New York Times, он, перефразируя известное изречение Галилея о противостоянии науки и религии[82]82
  В 1615 году Галилей написал свое знаменитое письмо об отношениях между наукой и религией, адресованное Кристине Лотарингской, Великой герцогине Тосканской. В нем ученый приводит слова одного из высших иерархов Церкви – по всей видимости, кардинала Цезаря Барония, директора Ватиканской библиотеки: «Ибо намерение Святого Духа – учить нас, как взойти на небо, но не как движутся небеса».


[Закрыть], сказал: «Как только вы осознаете, что Библия не претендует на роль научного справочника, а теория относительности не имеет никакого отношения к Спасению, старый конфликт между наукой и религией исчезает». И добавил: «Я слишком глубоко чту Бога, чтобы низводить Его до научной гипотезы»[83]83
  Quoted in Duncan Aikman, “Lemaitre Follows Two Paths to Truth” // The New York Times Magazine, February 19, 1933 (см. рис. 5 на вклейке).


[Закрыть] (см. рис. 5 на вклейке). Работы Леметра с предельной ясностью свидетельствуют, что он не только не видел ни малейшего противоречия между этими двумя сферами, но и позволял себе некоторое легкомыслие в этом отношении. «Оказывается, – сказал он однажды, – в поисках истины приходится разбираться в душах так же хорошо, как в космических спектрах».

В начале 1960-х Леметр – в то время монсиньор Леметр, президент Папской Академии наук – стремился к тому, чтобы целью академии были передовые научные исследования, но при этом сохранялись здоровые отношения с Церковью. А добиваться этого, по его мнению, следовало скрупулезным соблюдением различий между наукой и религией в методологии и в языке. Леметр был далек от конкордизма, стремившегося непременно привести научные открытия в соответствие с истинами вероучения; он настаивал, что и у науки, и у религии есть свое собственное независимое поле деятельности. В этой связи он говорил о своей гипотезе первичного атома: «Такая теория полностью находится вне любого метафизического или религиозного контекста. Она оставляет материалисту свободу отрицать любое трансцендентное Бытие… Для верующего же она устраняет любую возможность [достичь] фамильярности с Богом. Она созвучна словам Исайи о “Сокрытом Боге”, остающемся сокрытым даже в начале творения»[84]84
  Georges Lemaître, “The Primaeval Atom Hypothesis and the Problem of the Clusters of Galaxies,” в La structure et l’evolution de l’univers: onzieme conseil de physique tenu a l’Universite de Bruxelles du 9 au 13 juin 1958. Ed. R. Stoops (Bruxelles: Institut International de Physique Solvay, 1958): 1–30. Восходящее к пророку Исайе понятие Скрытого Бога (Deus Absconditus) было постоянным лейтмотивом в мышлении Леметра. Например, в рукописи его «манифеста Большого взрыва», опубликованного в журнале Nature в 1931 году, в конце помещен краткий параграф – вычеркнутый автором перед публикацией, – в котором он пишет: «Думаю, что каждый, кто верует в высшее существо, стоящее за любым бытием и любым действием, верует также, что Богу присуща скрытность и что он, возможно, радуется, видя, как современная физика заботится о покрове, скрывающем акт творения».


[Закрыть].

В более формальном смысле на позицию Леметра по этим вопросам, без сомнения, повлияли его штудии в неотомистской школе философии кардинала Мерсье в Лёвене, которые включали в себя вопросы современной науки, но отрицали ее онтологическое значение. В школе Мерсье Леметр научился видеть различие между двумя уровнями существования – между началом физического мира во временном, преходящем смысле и метафизическими вопросами существования: «Мы можем говорить об этом событии [расщеплении первичного атома] как о начале [Вселенной]. Я не говорю “о сотворении [мира]”. Физически все происходит так, как будто это действительно было началом, в том смысле, что, если что-то и происходило раньше, это не имеет никакого наблюдаемого влияния на поведение нашей Вселенной… Любое до-существование нашей Вселенной имеет чисто метафизический характер»[85]85
  Lemaître, “The Primaeval Atom Hypothesis and the Problem of the Clusters of Galaxies”.


[Закрыть].

Проведение этого различия и позволяло аббату Леметру рассматривать исследование физического происхождения Вселенной как удачную – и очевидную – возможность для развития естественных наук, в то время как Эйнштейн видел в этой проблеме угрозу физической теории. В основе их спора, таким образом, лежат различные философские позиции – они, по всей видимости, совершенно по-разному понимали, что же именно в конечном счете наука пытается сказать нам о мире. Леметр, как сейчас представляется, исключительно глубоко осознавал, что наша способность заниматься наукой на любом уровне ее абстрактности остается укорененной в наших отношениях со Вселенной. А его двойное призвание вдохновляло его тщательно разделять научную и духовную сферы. Результатом такого подхода была вера, свободная от догматизма, и наука, построенная на условиях человеческого существования. Как-то на устроенных в память Леметра торжествах в его родной деревне одна из его племянниц рассказала мне, что в семейном кругу молодежь часто поддразнивала Жоржа, добиваясь у него ответа, откуда же взялся его «первичный атом». «O, это все Бог», – отшучивался он.

Эйнштейн, наоборот, был идеалистом. Его открытие общей теории относительности представляет собой уникальный прорыв, который укрепил его убеждение в существовании окончательной «теории всего», неких вечных математических истин, определяющих свойства Вселенной и ожидающих своего открытия. Эту позицию отражает фундаментально причинное, детерминистское отношение Эйнштейна ко всем вопросам, имеющим отношение к происхождению Вселенной. Однако вытекающий из его собственной теории относительности ошеломляющий вывод, что Вселенная родилась из Большого взрыва, который также дал начало и времени, этой позиции кардинально противоречит.

В последующих главах я покажу, что взгляды Леметра в конечном счете оказались более надежным указателем направления движения к разгадке «тайны замысла». Антитеза «Эйнштейн против Леметра» отражает и дистанцию, которую спустя семьдесят лет пришлось преодолеть Хокингу. Ранний Хокинг был приверженцем позиции Эйнштейна – мы открываем в физике объективные истины, которые каким-то образом выводят нас за пределы физической Вселенной. Перейдя в истории наших странствий на более глубокий философский уровень, мы увидим, как и почему Стивен порвал с эйнштейновской позицией и пришел к принятию позиции Леметра. Мы узнаем, какие последствия это повлекло не только для нашей концепции Большого взрыва, но и для всей программы развития космологии.

Рис. 17. Когда мы только начали работать вместе, Стивен не знал о пионерской работе Леметра по квантовой космологии. Я отвез его в бывший кабинет Леметра в Премонстратенском колледже в Лёвене показал ему «Манифест Большого взрыва», опубликованный Леметром в 1931 году.

Глава 3
Космогенезис

Парсифаль

Далеко мы, – а я едва иду…

Гурнеманц

О да, мой сын; в пространстве время здесь!..

Рихард Вагнер, «Парсифаль»[86]86
  Либретто оперы, пер. В. Чешихина. – Примеч. пер.


[Закрыть]

В своих воспоминаниях Стивен пишет, что начал интересоваться космологией потому, что хотел достичь глубин ее понимания. Его ненасытное желание задавать все более глубокие вопросы привело его в Кембридж. Осенью 1962 года он приехал в Кембридж из Оксфорда, где прошел начальный курс физики. «В Оксфорде в то время царил дух презрения к работе, – рассказывал он. – Много работать, чтобы получить высокую оценку, считалось признаком “серости” – худшего эпитета в оксфордском словаре не существовало»[87]87
  Stephen Hawking, My Brief History (New York: Bantam Books, 2013), 29. Изд. на русском языке: Хокинг С. Моя краткая история / Пер. с английского О. Н. Арефьевой. – М.: АСТ, ОГИЗ, 2019.


[Закрыть]. Когда дело дошло до итоговых экзаменов, Стивен решил сосредоточиться на задачах теоретической физики – они не требовали знания большого количества фактов. Он получил балл, промежуточный между первым и вторым, и для того, чтобы определить, какой из них ему следует выставить, было назначено интервью с экзаменаторами. Стивен сказал им, что если он получит высший балл, то перейдет в Кембридж, а если второй – останется в Оксфорде. Ему поставили высший балл. В свете дальнейших достижений Стивена можно сказать, что для Оксфорда это было одно из худших решений за всю его 800-летнюю историю.

В Кембридже Стивена записали в студенты к Хойлу, создателю «стационарной Вселенной», хотя еще в начале 1960-х годов его теория подверглась серьезной критике[88]88
  Вот, например, одна из таких неувязок. Обзоры радиоисточников, впоследствии получивших название квазаров, показывали, что эти источники распределялись по небу довольно равномерно. Это значило, что они, по всей вероятности, находятся вне нашей Галактики. Однако выяснилось, что слабых источников такого типа слишком много – то есть их плотность в далеком прошлом была гораздо выше, чем сейчас, что совершенно не вязалось с неизменной стационарной картиной Вселенной.


[Закрыть]. Хойл, однако, в это время отсутствовал, и вместо него Стивен попал к Деннису Сиаме. Это оказалось огромным везением. Сиама, который и сам был когда-то студентом Поля Дирака, играл роль катализатора идей: он был выдающейся стимулирующей фигурой, превратившей Кембридж в Мекку релятивистской космологии. Находясь в курсе всех крупных достижений мировой физики, Сиама заботился о том, чтобы его студенты знакомились с самыми последними исследованиями. Как только где-нибудь публиковалась интересная статья, он поручал одному из студентов сделать о ней доклад. Когда в Лондоне предстояла чья-то интересная лекция, он посылал студентов на вокзал – пусть съездят послушать. В созданной Сиамой научной среде, полной живого взаимодействия, кипения идей и честолюбивых устремлений, Стивен расцвел. Впоследствии он стремился создать такую же благоприятную и стимулирующую среду для своих собственных студентов.

Когда Стивен появился в кембриджском Тринити Холле, Сиама тоже был приверженцем стационарной модели Вселенной. Он поручил Стивену поработать над ее вариантом, который Хойл предложил, пытаясь спастись от нарастающих теоретических трудностей. Стивен быстро обнаружил, что в новой версии теории Хойла появляются бесконечности, которые приводят к неопределенностям, на что и указал Хойлу на собрании Королевского общества в Лондоне в 1964 году. Когда Хойл спросил: «С чего вы это взяли?», Стивен, и не подумавший испугаться первого астрофизика Британии, ответил: «А я это рассчитал!» – рано продемонстрировав таким образом как свой независимый дух, так и склонность к драматическим ситуациям. Анализ теории стационарной Вселенной позже стал первой главой его докторской диссертации.

Последний гвоздь в гроб стационарной космологии был забит через несколько месяцев открытием космического микроволнового фонового излучения. Существование этого древнего тепла вне всяких сомнений доказывало, что Вселенная не стационарна, но когда-то фундаментально отличалась от своего нынешнего состояния – была очень горячей. Но значило ли это также, что она должна была иметь начало? Ясно, что теперь именно ЭТО стало центральным вопросом космологии Большого взрыва. И Стивен был готов нырнуть в ее глубины.

Сиама свел Стивена с Роджером Пенроузом, который тогда только что опубликовал свою трехстраничную революционную статью о том, что черные дыры встречаются во Вселенной повсеместно. Пенроуз доказал, что, если общая теория относительности верна, то гравитационный коллапс звезды достаточно большой массы приводит к образованию пространственно-временной сингулярности, скрытой от внешнего мира за горизонтом событий. Это черная дыра.

Стивен быстро понял, что, если он обратит направление времени в математических рассуждениях Пенроуза так, чтобы коллапс превратился в расширение, он сможет показать, что расширяющаяся Вселенная должна в прошлом иметь сингулярность[89]89
  Как и Пенроуз, Стивен идентифицировал «точку невозврата», а именно образование антиловушечной поверхности, с которой во всех направлениях расходятся световые лучи. Он показал, что если где-то однажды образовалась антиловушечная поверхность, то за какое-то время до этого там должна была находиться сингулярность.


[Закрыть]. Работая вместе с Пенроузом, он вывел ряд математических теорем, которые говорят, что, если мы проследим историю расширяющейся Вселенной вспять до эпохи, предшествовавшей рождению первых звезд и галактик и даже моменту образования CMB, мы в конечном счете придем к сингулярности, где пространство-время сворачивается в критическую точку. В этой начальной сингулярности обе части уравнения Эйнштейна обращаются в бесконечность – бесконечная кривизна пространства-времени «равна» бесконечной плотности материи, – и именно здесь теория теряет всю свою предсказательную силу. Это похоже на деление на ноль на вашем калькуляторе: вы получите бесконечность, и что бы вы при этом ни вычисляли, это не будет иметь никакого значения. Сингулярности – это поистине края пространства-времени, где общая теория относительности не дает никаких ответов на вопрос «что происходит». Даже само слово «происходит» в пространственно-временной сингулярности теряет смысл.

Ранее Пенроуз показал, что, согласно теории относительности, время внутри черной дыры должно кончаться. Обращенная во времени аргументация Стивена приводила к выводу, что в расширяющейся Вселенной время должно иметь начало. Не то чтобы все дело было в сингулярности Большого взрыва, которая, как космическое яйцо, ждала, пока из нее вылупится Вселенная, – сингулярность скорее сигнализировала о рождении времени. Теорема Стивена демонстрировала, что «точка нулевого времени» в идеально сферических вселенных Фридмана и Леметра была не артефактом, возникшим вследствие простоты этих моделей, но мощным универсальным предсказанием релятивистской космологии. Это и было центральным результатом его докторской диссертации 1966 года – впоследствии он вошел и в подводящую итог его биографии книгу The Theory of Everything («Теория всего»). В резюме своей диссертации Хокинг писал: «Проанализированы некоторые предпосылки и следствия расширения Вселенной… В главе 4 рассматривается появление сингулярностей в космологических моделях. Показано, что, если удовлетворяются определенные условия весьма общего вида, сингулярность неизбежна».

СИНГУЛЯРНОСТИ – ЭТО ПОИСТИНЕ КРАЯ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ, ГДЕ ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ НЕ ДАЕТ НИКАКИХ ОТВЕТОВ НА ВОПРОС «ЧТО ПРОИСХОДИТ».

Это поразительный результат. Прогуливаясь по поверхности Земли в местах вроде Большого каньона, можно найти камни возрастом в несколько миллиардов лет. Простейшие формы бактериальной жизни на Земле существуют около 3,5 миллиарда лет, да и сама наша планета ненамного старше – ей примерно 4,6 миллиарда лет. Теорема о сингулярности Большого взрыва говорит, что, если бы мы отошли назад во времени всего втрое дальше – на 13,8 миллиарда лет, – там не было бы ни времени, ни пространства, ничего вообще. Если подумать, мы довольно недалеко ушли от начала мира.

Проживи Стивен еще 54 года после этого, и он, по всей вероятности, разделил бы с Пенроузом Нобелевскую премию по физике 2020 года за их исключительной важности совместную работу о начале и конце времени. Из докторской диссертации Стивена следует, что наше прошлое изображается грушевидной областью пространства-времени вроде той, что мы видим на рис. 18. Этот замечательный набросок сделал Джордж Эллис[90]90
  George F.R. Ellis, “Relativistic Cosmology,” in Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi,” Course 47: General Relativity and Cosmology. Ed. R. K. Sachs (New York and London: Academic Press, 1971), 104–82.


[Закрыть], один из студентов Сиамы, однокурсник Стивена, работавший с ним над теоремами сингулярности в середине 1960-х. Мы находимся на самой верхушке этой «груши». Грушевидная поверхность сформирована световыми лучами, доходящими до нас с различных направлений на небе. Диаграмма изображает воздействие материи Вселенной на форму нашего светового конуса прошлого. Мы видим, что масса вещества внутри области заставляет световые лучи отклоняться от прямых линий; если мы продолжим их траектории в прошлое, они там сойдутся. Вследствие этого прямые световые конусы на рис. 8 и 9 – на этих рисунках гравитационная фокусировка веществом не учитывается – в реальной Вселенной деформируются и прогибаются внутрь, и наш световой конус прошлого образует грушевидную поверхность. Внутренняя часть этой «груши», конечная область пространства-времени, которая может оказывать на нас воздействие, отделяется этой поверхностью от остальной части Вселенной, которая повлиять на нас не может. Ключевой момент доказанной Стивеном теоремы сингулярности в том, что если материя заставляет световые конусы прошлого сходиться таким манером, то историю невозможно расширять до бесконечности. На самом дне прошлого мы достигнем «края времени», границы, за которой пространства и времени во Вселенной больше нет.

Рис. 18. Сделанный в 1972 году Джорджем Эллисом набросок наблюдаемой Вселенной и ее частей (мелкая штриховка), которые мы можем наблюдать в некоторых подробностях. Мы находимся в верхней точке: «здесь и сейчас». Присутствие вещества заставляет световые лучи сходиться в некоторой точке прошлого, выгибая наш световой конус прошлого внутрь и очерчивая грушевидную область: наше прошлое. Поскольку свет устанавливает космический предел скорости, эта область – единственная часть Вселенной, которая в принципе наблюдаема для нас. Согласно теореме Стивена Хокинга, фокусировка световых лучей в прошлом означает, что прошлое должно заканчиваться в исходной сингулярности. Однако мы не можем заглянуть в прошлое на всю его глубину, до самой сингулярности: фотоны, частицы света, постоянно рассеиваются на всех частицах горячей ионизованной плазмы, заполняющей Вселенную на ранних этапах ее существования, и ранняя Вселенная остается непрозрачной.

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

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

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

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

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

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

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