Черные дыры и молодые вселенные - Хокинг Стивен Уильям (книги бесплатно читать без txt) 📗
Однако в XIX веке стали накапливаться свидетельства, что Земля и остальная Вселенная в действительности со временем изменяются. Геологи поняли, что формации скал и окаменелости насчитывают сотни и тысячи миллионов лет. Это значительно превосходило расчеты сторонников сотворения мира. Дальнейшие свидетельства поступили от так называемого второго закона термодинамики, сформулированного немецким физиком Людвигом Больцманом. Этот закон утверждает, что общее количество беспорядка во Вселенной (эту величину называют энтропией) со временем только возрастает. Это, как и аргумент насчет прогресса человечества, предполагает, что Вселенная развивается лишь какое-то конечное время. Иначе она бы уже деградировала до состояния полного беспорядка, где все имело бы одну и ту же температуру-
Другая проблема в идее о статической Вселенной заключалась в том, что, согласно Ньютонову закону тяготения, каждая звезда во Вселенной должна притягиваться ко всем другим. А если так, как же они могут оставаться неподвижными, на постоянном расстоянии друг от друга? Не должны ли они собраться все вместе?
Ньютон осознавал эту проблему. В письме Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, он согласился, что конечное число звезд не может оставаться неподвижным, — они все притянулись бы к какой-то центральной точке. Однако, возразил он, бесконечное число звезд не собралось бы вместе, поскольку для них нет никакой центральной точки. Этот аргумент служит примером того, сколько ловушек можно встретить, говоря о бесконечных системах. Пробуя по-разному приложить к каждой звезде силы от бесконечного числа остальных звезд во Вселенной, можно получить разные ответы па вопрос, могут ли звезды оставаться па постоянном расстоянии друг от друга. Теперь мы знаем, что правильно будет рассмотреть случай конечной области звезд, а затем добавлять другие, распределенные приблизительно равномерно за пределами этой области. Конечное число звезд, согласно закону Ньютона, соберется вместе, и добавление других звезд за пределами области не остановит коллапса. Таким образом, бесконечное число звезд не может оставаться неподвижным. Если они хоть на мгновение остановятся относительно друг друга, взаимное притяжение заставит их начать падать друг на друга. Или же они могут двигаться друг от друга, и сила притяжения замедляет скорость их удаления.
Учитывая все проблемы в идее о статической и неизменной Вселенной, никто в XVII, XVIII, XIX и начале XX века не предполагал, что со временем она может получить свое развитие. И Ньютон и Эйнштейн упустили шанс предсказать, что Вселенная должна или сжиматься, пли расширяться. Ньютона нельзя в этом упрекнуть, поскольку он жил за 250 лет до того, как наблюдения обнаружили ее расширение, но Эйнштейну следовало бы это знать. Общая теория относительности, сформулированная им в 1915 году, предсказала, что Вселенная должна расширяться. Но он по-прежнему был так убежден в ее статичности, что добавил к своей теории элемент, примиряющий ее с теорией Ньютона и уравновешивающий гравитацию.
Открытое в 1929 году Эдвином Хабблом расширение Вселенной полностью изменило характер дискуссии о ее происхождении. Если взять современные сведения о галактиках и пустить время вспять, окажется, что где-то между десятью и двадцатью миллиардами лет назад они все были в куче. В это время, во время взрыва сингулярности, называемого Большим Взрывом, плотность Вселенной и искривление пространства-времени должны были быть бесконечными. В таких условиях все известные научные законы должны были нарушаться. Для науки это катастрофа. Это означало бы, что наука сама по себе не может предсказать, как возникла Вселенная. Наука могла бы сказать лишь, что «Вселенная такова, какова она есть, потому что она была такой, какой была». Но наука не могла бы сказать, почему сразу после Большого Взрыва Вселенная была такой, какой была.
Ничего удивительного, что многих ученых не устраивал такой вывод, и потому было предпринято несколько попыток избежать заключения, что произошел Большой Взрыв сингулярности и с него началось время. Одной из теорий была так называемая теория устойчивого состояния. Идея заключалась в том, что, когда галактики разлетались друг от друга, в пространстве между ними из постоянно создававшейся материи возникали новые галактики. Тогда Вселенная могла бы существовать вечно почти в том же состоянии, какова она сегодня.
Чтобы Вселенная продолжала расширяться и создавалась новая материя, теория устойчивого состояния требовала несколько изменить общую теорию относительности, но скорость создания материи, согласно ей, должна была быть очень низкой — примерно одна частица на кубический километр в год, что не противоречило наблюдениям. Теория также предсказывала, что средняя плотность галактик и схожих объектов должна быть постоянной и во времени, и в пространстве. Однако наблюдение источников радиоволн вне нашей Галактики, проведенное Мартином Райлом и его группой в Кембридже, показало, что слабых источников больше, чем сильных. В среднем можно было бы ожидать, что слабые источники — это более удаленные. Тут было две возможности: или мы находимся в области Вселенной, где сильные источники встречаются реже, чем в среднем но Вселенной, или плотность источников была выше в прошлом, когда свет отправился к нам из более удаленных источников. Ни одна из этих возможностей не стыковалась с предсказаниями теории устойчивого состояния, предполагавшей, что плотность радиоисточников должна быть постоянной в пространстве и времени. Окончательным ударом по этой теории стало открытие, сделанное в 1964 году Арно Пенциасом и Робертом Уилсоном относительно происхождения микроволнового излучения, исходящего из отдаленных областей вне нашей Галактики. Оно имело характерный спектр излучения, исходящего от горячего тела, хотя в данном случае термин «горячее» вряд ли уместен, поскольку речь идет о температуре 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Вселенная — холодное, темное место! В теории устойчивого состояния не было никакого осмысленного механизма для порождения микроволн с таким спектром. Поэтому от нее пришлось отказаться.
Другую идею, обходившуюся без Большого Взрыва сингулярности, предложили в 1963 году двое ученых из России — Евгений Лифшиц и Исаак Халатников. Они говорили, что состояние бесконечной плотности может иметь место, только если галактики движутся строго друг к другу или друг от друга — лишь в этом случае когда-то в прошлом они могли быть все вместе. Но галактики имеют и некоторую скорость в сторону, и это дает возможность предположить, что в прошлом была какая-то фаза сжатия Вселенной, когда галактики находились очень близко друг от друга, но каким-то образом сумели не столкнуться. В таком случае Вселенная могла начать расширение, миновав фазу бесконечной плотности.
Когда Лифшиц и Халатников сделали свое предположение, я был аспирантом и подыскивал тему для диссертации. Меня заинтересовало, произошел ли в прошлом Большой Взрыв сингулярности, поскольку этот вопрос был решающим для понимания происхождения Вселенной. Вместе с Роджером Пенроузом мы разработали ряд новых математических приемов, чтобы оперировать с этой и схожими проблемами. Мы показали, что, если общая теория относительности верна, любая осмысленная модель Вселенной должна начинаться с сингулярности, а значит, наука может сказать, что Вселенная должна была иметь начало, но не может сказать, как она должна была начаться, — для этого нужно обратиться к Богу.
Было интересно наблюдать изменение отношения к сингулярностям. Когда я учился на последнем курсе университета, почти никто не воспринимал их всерьез. Теперь, благодаря теоремам сингулярности, почти все верят, что Вселенная возникла из сингулярности, где физические законы нарушаются. Однако теперь уже я думаю, что, хотя сингулярности и сушествуют, физические законы все же могут определить, как возникла Вселенная.
Общая теория относительности — это так называемая классическая теория, то есть она не принимает в расчет тот факт, что частицы не имеют точно определенного положения и скорости, а «размазаны» по маленькой области пространства принципом неопределенности квантовой механики, который не позволяет одновременно измерить и положение, и скорость. В обычных ситуациях это не имеет большого значения, потому что радиус искривления пространства-времени очень велик по сравнению с неопределенностью положения частицы. Однако теоремы сингулярности показывают, что в начале настоящей фазы расширения Вселенной пространство-время было сильно деформировано, с малым радиусом искривления. В этой ситуации принцип неопределенности очень важен. Таким образом, общая теория относительности, предсказывая сингулярности, можно сказать, ведет к собственному. крушению. Чтобы обсуждать происхождение Вселенной, нам нужна теория, сочетающая общую теорию относительности и квантовую механику.
