Стивен Хокинг. Непобедимый разум
Шрифт:
Задернув занавес на горизонте событий, звезда погружается в полную изоляцию, поскольку излучаемый ею свет, ее образ, который можно было бы наблюдать из другой точки вселенной, не выпускается за эту границу. Пенроуз хотел понять, продолжится ли коллапс звезды и что будет происходить с ней дальше. Он убедился, что в результате описанного выше коллапса вся материя звезды оказывается внутри ее поверхности, в плену нарастающей силы тяжести, и даже если съеживание не происходит вполне гладко, с сохранением идеальной сферической поверхности, коллапс звезды продолжается. В конце концов поверхность достигает нулевого размера, а материя все так же остается внутри. Огромная звезда с десятикратной солярной массой оказывается пленницей не только
Общая теория относительности предвидела существование сингулярных точек, но в начале 1960-х мало кто принимал эту идею всерьез. Физики предполагали, что звезда с достаточно большой массой, подвергшись гравитационному коллапсу, возможно, превращается в сингулярную точку. Пенроуз доказал: если вселенная подчиняется общему закону относительности, то не “возможно”, а непременно.
Глава 6
В прошлом у нас – сингулярная точка
Хокинг вдохновился идеей Пенроуза: звезда с достаточно большой массой во время гравитационного коллапса превращается в сингулярную точку. Вместе с Пенроузом и Робертом Джерочем он начал применять понятие сингулярной точки к другим физическим и математическим задачам [96] . Он был уверен, что эта теория сможет многое объяснить и в происхождении вселенной. То была радостная работа, “со счастливой уверенностью, что все это поприще принадлежит только нам” [97] . Хокинг понял: если повернуть время вспять, чтобы коллапс обратился в расширение, гипотеза Пенроуза по-прежнему будет верна. Раз, согласно общей теории относительности, на определенном этапе коллапс непременно превращает звезду в черную дыру, то расширяющаяся вселенная должна была начаться с сингулярной точки. Это будет верно в том случае, если вселенная соответствует так называемой “модели Фридмана”. Что представляет собой модель Фридмана?
96
Larsen, p. 54.
97
Hawking S. Sixty Years in a Nutshell, p. 111.
Выбор Вселенных
Пока Хаббл не доказал, что вселенная расширяется, вера в статическую вселенную (вселенную с неизменными размерами) была настолько прочна, что Эйнштейн, создав к 1915 году общую теорию относительности, предполагавшую в числе прочего нестатичность вселенной, предпочел внести изменения в свою теорию, до такой степени он был убежден в неизменности размеров вселенной. Великий физик дополнил свое уравнение “космологической константой”, уравновешивающей гравитацию. Без космологической константы общая теория относительности утверждала то самое, что мы теперь принимаем за истину: размеры вселенной меняются.
Российский физик Александр Фридман решил принять теорию Эйнштейна в ее первозданном виде, без космологической константы, и на основании этой теории предсказал то, что подтвердит в 1929 году Хаббл: вселенная расширяется.
Фридман исходил из двух предпосылок: 1) вселенная кажется одинаковой, в какую сторону ни глянь, и исключение составляют лишь близкие к нам объекты – очертания галактики Млечного Пути, наша
Первую предпосылку Фридмана принять нетрудно, а вот со второй нелегко смириться. Мы не располагаем доказательствами ни за ни против. Как говорит Хокинг, “мы соглашаемся с этим утверждением лишь из скромности: странно было бы, если б вселенная выглядела одинаковой во всех направлениях только с Земли, но не из других точек наблюдения”. Странно, однако ведь не вовсе невозможно. Скромность – ничуть не более убедительный аргумент, чем гордыня. И все же физики в большинстве своем согласны с Фридманом.
В модели Фридмана все галактики движутся прочь друг от друга, и чем дальше они друг от друга, тем быстрее расходятся. Это совпадает с наблюдениями Хаббла. По мнению Фридмана, путешествуя во вселенной, мы все так же будем видеть, как вселенные убегают от нас. Вообразите себе муравья, ползущего по воздушному шарику, на поверхности которого нарисованы на равном расстоянии точки. И пусть муравей не воспринимает то измерение, которое позволило бы ему выглянуть “за пределы” поверхности шарика. О внутренней стороне шарика он также не имеет понятия. Вселенная муравьишки сводится к поверхности шарика. Она кажется одинаковой во всех направлениях. И куда бы муравей ни пополз, впереди столько же точек, сколько позади. Если шарик начнет раздуваться, муравей из любой точки поверхности увидит, как точки отдаляются от него. Вселенная в виде надувающегося шарика соответствует обоим предположениям Фридмана: она выглядит одинаково, куда ни погляди, и она выглядит одинаково из любой точки наблюдения.
Что еще можно сказать о вселенной – воздушном шарике? Ее размеры не бесконечны. У поверхности “шарика” имеются определенные параметры, которые мы можем измерить, как и поверхность Земли. Никто ведь не утверждает, будто поверхность Земли бесконечна. Но вместе с тем у поверхности Земли нет границ, и в этом смысле она беспредельна. Муравей, ползущий по воздушному шарику, никогда не наткнется на непреодолимое препятствие, поверхность нигде не кончается, он не свалится с нее: если будет ползти достаточно упорно, вернется когда-нибудь в исходную точку.
В первоначальной модели Фридмана пространство выглядит именно так: оно обладает не двумя, а тремя измерениями, но гравитация загибает пространство на самое себя. В таком случае вселенная отнюдь не бесконечна по размеру, но и не имеет предела, то есть границы. Ни один космический корабль никогда не долетит до того места, где вселенная кончается. Понять это непросто, ведь мы привыкли отождествлять понятия “бесконечный” и “беспредельный”. Однако это не одно и то же.
Хокинг напоминает: хотя затея облететь вселенную и вернуться в исходный пункт могла бы послужить прекрасным сюжетом для научной фантастики, на деле она неосуществима, по крайней мере, в этой модели Фридмана. Чтобы облететь вселенную прежде, чем вселенная перестанет существовать, понадобилась бы скорость, превышающая лимит для этой вселенной (то есть скорость света), а это невозможно. Наш шарик очень велик, а мы – совсем маленькие муравьишки.
Время в этой модели Фридмана тоже не бесконечно. Его можно измерить, и, в отличие от пространства, у времени есть границы, есть начало и конец. Посмотрите на рисунок 6.1а. В начале времени расстояние между двумя галактиками равно нулю. Они расходятся – расходятся медленно, и масса вселенной достаточно велика, так что постепенно силы притяжения останавливают это движение и вынуждают вселенную, наоборот, сжиматься. Галактики начинают вновь сближаться. В конце времен расстояние между ними опять равно нулю. Возможно, именно так устроена наша вселенная.