Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

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], 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