Читать книгу "Высший замысел - Леонард Млодинов"

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.

Вооружившись этими идеями, давайте вернемся к вопросу о том, как начиналась Вселенная. Мы можем говорить о пространстве и времени раздельно (как мы уже и поступали в этом обсуждении), когда рассматриваем ситуации с низкими скоростями и слабой гравитацией. Вообще же время и пространство могут оказаться тесно переплетенными, и потому процессы их растягивания и сжатия тоже в какой-то степени смешиваются. Это смешивание играло важную роль в ранней Вселенной и является ключом к пониманию начала времени.

Искривление пространства-времени. Материя и энергия искривляют время, из-за чего временное измерение переплетается с пространственным.

Вопрос о начале времени отчасти напоминает вопрос о крае мира. Когда люди представляли себе мир плоским, они задумывались, не выльется ли море через край. Это было проверено на опыте, и оказалось, что можно обойти мир вокруг и никуда не упасть. Вопрос о том, что же происходит на краю мира, решился, когда люди поняли, что мир представляет собой не плоскость, а искривленную поверхность. Время, однако, выглядело похожим на образцовый железнодорожный путь. Если бы у него было начало, то должен был бы иметься некто (то есть Бог), кто запустил бы движение поездов. Хотя общая теория относительности Эйнштейна объединила время и пространство в виде пространства-времени и включила в рассмотрение определенное смешивание пространства и времени, время по-прежнему отличается от пространства и либо имеет начало и конец, либо длится вечно. Однако как только мы добавляем эффекты квантовой теории к теории относительности, в предельных случаях искривление может оказаться столь существенным, что время поведет себя как другое пространственное измерение.

В ранней Вселенной — когда она была столь малой, что ею могли управлять как общая теория относительности, так и квантовая теория, — фактически имелось четыре измерения в пространстве и ни одного во времени. Это означает, что когда мы говорим о начале Вселенной, то касаемся тонкого вопроса: ведь когда мы смотрим назад, на самую раннюю Вселенную, то времени в нашем обычном понимании там не существовало! Мы должны признать, что наши привычные представления о пространстве и времени неприменимы к самой ранней Вселенной. Это за пределами нашего обычного понимания, но не за пределами нашего воображения или нашей математики. Если в ранней Вселенной все четыре измерения вели себя как пространственные, то что же происходит с началом времени?

Осознание того, что время может вести себя как еще одно направление в пространстве, дает возможность избавиться от той проблемы, что у времени должно быть начало, подобно тому как мы избавились от представления о крае мира. Предположим, что начало Вселенной — это нечто вроде Южного полюса Земли, а градусы широты играют роль времени. Окружности с постоянной широтой (на географической карте они называются параллелями) будут изображать размер Вселенной. По мере движения от Южного полюса на север эти окружности расширяются. Вселенная началась как точка на Южном полюсе, но Южный полюс мало чем отличается от любой другой точки. Спрашивать, что было до начала Вселенной, станет бессмысленно, потому что южнее Южного полюса ничего нет. В этом примере пространство-время не имеет границы — на Южном полюсе законы природы такие же, как и в других местах. Аналогично этому, когда общую теорию относительности объединяют с квантовой теорией, вопрос о том, что произошло до начала Вселенной, выглядит бессмысленным. Это представление о том, что истории Вселенной должны иметь вид замкнутых поверхностей без границ, называется условием безграничности.