Высший замысел

Хокинг Стивен Уильям

Сценарий с Большим взрывом нравится далеко не всем. И даже сам термин «Большой взрыв» придумал в 1949 году кембриджский астрофизик Фред Хойл (1915–2001), который считал, что Вселенная расширялась всегда, и использовал новый термин как иронический. Первые непосредственные наблюдения, подтверждающие эту идею, появились только в 1965 году, после обнаружения слабого микроволнового фонового излучения, исходившего от всего космоса. Это космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ, или реликтовое излучение) такое же, как в вашей микроволновке, но мощность его гораздо меньше. Вы можете наблюдать КМФИ, настроив телевизор на неработающий канал, — несколько процентов от увиденного на экране «снега» будет вызвано этим излучением. КМФИ было открыто случайно двумя американскими учеными из корпорации «Белл Лабз», пытавшимися устранить шум от своей микроволновой антенны. Сначала они думали, что этот шум вызван статическим электричеством, источником которого могли быть кучи птичьего

помета — от голубей, ночевавших внутри антенны, имеющей вид огромного раструба. Но оказалась, что у их проблемы более интересное происхождение: КМФИ — это излучение, оставшееся после очень горячей и плотной ранней Вселенной, которая существовала вскоре после Большого взрыва. По мере расширения она остывала, пока излучение не превратилось в тот слабый остаток, который мы наблюдаем сегодня. В настоящее время эти микроволны смогут разогреть вашу пищу только до — 270 °C, что лишь на три градуса выше абсолютного нуля и не очень подходит для приготовления попкорна.

Астрономы обнаружили также и другие свидетельства, подтверждающие связь Большого взрыва с горячей и крохотной ранней Вселенной. Так, примерно в течение одной минуты после взрыва температура Вселенной была выше, чем в центре типичной звезды. В это время вся Вселенная работала как термоядерный реактор. Реакции прекратились, когда Вселенная достаточно расширилась и остыла, но, согласно теории, к этому времени она должна была состоять в основном из водорода и на 23 % из гелия, с небольшой примесью лития и бериллия (все более тяжелые элементы появились позже внутри звезд). Расчеты хорошо согласуются с теми количествами гелия, водорода, лития и бериллия, которые мы наблюдаем.

Измерения содержания гелия и КМФИ стали убедительными свидетельствами в пользу сценария Большого взрыва как правдоподобного описания ранней Вселенной. Но не нужно воспринимать Большой взрыв буквально, то есть думать, что теория Эйнштейна дает истинную картину происхожденияВселенной. Потому что общая теория относительности предсказывает лишь, что должна была иметься точка во времени, когда температура, плотность и кривизна Вселенной были бесконечны, — ситуация, которую математики называют сингулярностью. Для физиков это означает, что в этой точке теория Эйнштейна перестает действовать и потому не может быть использована для предсказания того, как Вселенная началась. Эта теория пригодна только для рассмотрения последующего развития мира. Поэтому, хотя мы можем пользоваться уравнениями общей теории относительности и нашими наблюдениями неба, чтобы узнать, какой была Вселенная в ее раннем возрасте, было бы неверным распространять сценарий Большого взрыва на весь путь, вплоть до самого начала.

К вопросу о происхождении Вселенной мы вскоре вернемся, но прежде несколько слов о первой фазе ее расширения. Физики называют ее инфляцией. Если вы не живете в Зимбабве, где денежная инфляция недавно превысила 200 000 000 процентов, то этот термин не должен вас шокировать. Но даже по самым осторожным оценкам во время той космологической инфляции Вселенная расширилась в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз за 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 долю секунды. Это как если бы монетка диаметром 1 см мгновенно стала в десять миллионов раз шире нашей Галактики — Млечного Пути. Такое явление может показаться нарушением теории относительности, которая гласит, что скорость света не может быть превышена ничем, но это ограничение скорости неприменимо к расширению самого пространства.

Впервые предположение, что такой эпизод инфляции мог произойти, было выдвинуто в 1980 году на основе рассуждений, выходящих за рамки общей теории относительности Эйнштейна и с учетом аспектов квантовой теории. Поскольку у нас нет полной квантовой теории гравитации, детали все еще прорабатываются, и физики не имеют полной уверенности в том, как именно происходила инфляция. Но согласно теории, расширение, вызванное инфляцией, не было бы полностьюоднородным, как предсказано традиционной моделью Большого взрыва. Такие неоднородности привели бы к крошечным различиям в температуре КМФИ в различных направлениях. Эти отклонения слишком малы, поэтому их невозможно было заметить с помощью тех приборов, которыми пользовались в 1960-е годы. Впервые их обнаружили в 1992 году спутником СОВЕ, запущенным NASA, а позднее они были измерены пришедшим ему на смену в 2001 году спутником WMAP. В результате этого теперь мы уверены, что инфляция действительно была.

Хотя крохотные отклонения в КМФИ представляют собой доказательство инфляции, но, как ни странно, одна из причин того, что инфляция является важной концепцией, — это почти полная однородностьтемпературы КМФИ. Если вы нагреете одну часть объекта до температуры более высокой, чем его окружение, и подождете, то горячее пятно будет охлаждаться, а окружение нагреваться, пока температура не уравняется. Таким образом, можно ожидать, что в конце концов Вселенная примет однородную температуру. Но этот процесс требует времени, и если бы не произошло

инфляции, то в истории Вселенной не хватило бы времени, чтобы нагреть расположенные далеко друг от друга области до равной температуры, учитывая, что скорость такой передачи тепла ограничена скоростью света. Период очень быстрого расширения (гораздо быстрее скорости света) устраняет эту трудность, так как тогда имелось бы достаточно времени, чтобы произошло выравнивание температуры в пределах весьма крошечной доинфляционной ранней Вселенной.

Инфляция объясняет природу взрыва при Большом взрыве, по крайней мере в том смысле, почему расширение, коим он является, было гораздо интенсивнее, чем расширение, предсказанное традиционной теорией Большого взрыва с точки зрения общей теории относительности для того временного интервала, в котором произошла инфляция. Проблема в том, что, для того чтобы наши теоретические модели инфляции работали, начальное состояние Вселенной должно было быть установлено весьма специфическим путем, который почти невероятен. Так что традиционная теория инфляции решает одни вопросы, но ставит другие, а именно: необходимость весьма специфического начального состояния. Этот вопрос нулевого времени не устранен в теории создания Вселенной, которую мы сейчас опишем.

Поскольку мы не можем описать сотворение мира при помощи общей теории относительности Эйнштейна, то, если мы хотим описать происхождение Вселенной, общую теорию относительности надо заменить более полной теорией. Можно ожидать, что более полная теория все равно необходима, даже если бы общая теория относительности не рухнула, поскольку она не учитывает мелкомасштабные структуры материи, подчиняющиеся квантовой теории. В главе 4 мы упоминали, что для большинства практических нужд квантовая теория не имеет существенного значения при исследовании крупномасштабной структуры Вселенной, поскольку эта теория применяется для описания природы на микроуровнях. Но если вернуться в чрезвычайно далекое прошлое, то обнаружится, что размер Вселенной выражается в так называемых планковских единицах, применяющихся для сверхмалых величин. Поперечник Вселенной в то время составлял бы одну миллиардную триллионной триллионной доли сантиметра, а в этом масштабе квантовую теорию необходимо принимать во внимание. И хотя у нас еще нет полной квантовой теории гравитации, мы знаем, что начало Вселенной было квантовым событием. В результате, когда мы объединили квантовую теорию с общей теорией относительности (по крайней мере, временно), чтобы получить теорию инфляции, и хотим вернуться еще дальше, чтобы понять происхождение Вселенной, мы должны объединить все наши знания по общей теории относительности с квантовой теорией.

Искривление пространства. Материя и энергия искривляют пространство, изменяя траектории движения объектов.

Чтобы разобраться, как это работает, нам нужно понять принцип, по которому гравитация искривляет пространство и время. Наглядно изобразить искривление пространства проще, чем искривление времени. Представьте себе, что поверхность бильярдного стола — это Вселенная. Такая поверхность представляет собой плоское пространство, по крайней мере когда мы примем во внимание только два измерения. Если вы покатите по столу шар, он будет двигаться по прямой. Но если стол будет где-то искривлен или на нем будет впадина (как показано на иллюстрации), то траектория движения шара отклонится от прямой.

Можно легко заметить, как в этом примере искривляется бильярдный стол, потому что он изгибается внутрь или наружу в третьем измерении, которое мы можем видеть. Представить искривление пространства-времени в нашей Вселенной труднее, поскольку мы не можем выйти из нашего собственного пространства-времени, чтобы увидеть это искривление со стороны. Но искривление может быть выявлено, даже если вы и не в состоянии оказаться снаружи и взглянуть на него в масштабе более крупного пространства. Его можно обнаружить изнутри того же самого пространства. Представьте себе микроскопического муравья, для которого пространство ограничено поверхностью стола. Далее не имея возможности покинуть стол, муравей может выявить искривление путем точного определения расстояний. Например, длина окружности в плоском пространстве всегда чуть больше, чем троекратная длина его диаметра (точная величина получается умножением диаметра на л). Но если муравей пойдет напрямик с одной стороны окружности, очерчивающей впадину на столе (см. ил., с. 151), на другую ее сторону, то он обнаружит, что расстояние до дальнего края больше, чем ожидаемая одна треть длины окружности. В случае же, если впадина достаточно глубока, муравей может даже обнаружить, что путь вокруг короче,чем напрямик. То же самое справедливо и относительно искривления пространства в нашей Вселенной: это искривление вытягивает или сжимает расстояния между точками пространства, изменяя его геометрию или форму так, что это можно измерить изнутри Вселенной. Искривление времени растягивает или сжимает интервалы времени аналогичным образом.