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

в конечном счете не существует фундаментальной дихотомии между микро- и макромиром. Просто-напросто для макроскопических объектов микроскопические вибрации усредняются в нечто определенное и детерминистское, и это «нечто» и есть траектория движения в классическом понимании. Классический детерминизм, таким образом, вырастает из коллективного развития случайных микроскопических квантовых историй. И наоборот, стоит начать погружаться в микроскопический мир, и случайные пересечения отдельных траекторий станут приобретать все большее значение.

Все эти прозрения, вкупе с ошеломляющими успехами квантовой теории, означали одно – классическое мировоззрение уходит со сцены. Многие физики начали верить в то, что квантовая теория, начинавшаяся как теория субатомных частиц, приложима ко всем объектам и масштабам. В 1960-х Уилер и его «банда» пришли к представлению о пространстве-времени как о «квантовой пене», в которой кипят и пузырятся новорожденные вселенные, возникают и снова рассасываются кротовые норы, но которая каким-то образом усредняется на макроскопических масштабах, создавая устойчивую и ощутимую ткань, описываемую классической общей теорией относительности.

Стивен тоже пытался перенести фейнмановское «суммирование по историям» в сферу гравитационных явлений. Со схемой Фейнмана его познакомил Джим Хартл, который в бытность магистрантом в Калтехе овладел этим методом под руководством самого Фейнмана. Магистратура Калтеха была в то время чем-то вроде морской пехоты в армии – элитным академическим подразделением. Джим учился там у Фейнмана, ассистируя ему во время лекционных демонстраций – в том числе знаменитой демонстрации с шаром для боулинга[102] – и помогая редактировать «Фейнмановские лекции по физике», самый прославленный учебник физики всех времен, блестящий образец ясной и стройной подачи материала, хотя и не очень часто используемый студентами.

В 1976 году, когда Джим и Стивен сумели описать испускаемое черной дырой излучение Хокинга в виде частиц, «протекающих наружу» через горизонт событий, они сделали это в духе Фейнмана – суммированием всех возможных путей, которые частицы могут выбирать, ускользая из черной дыры[103]. Вдохновленные этим результатом, Джим и Стивен обратились к более сложной и запутанной проблеме сингулярности Большого взрыва – космического аналога точки A на рис. 21. Для частицы квантовая неопределенность означает, что ее положение и скорость известны несколько неточно. Однако в применении к пространству-времени квантовая неопределенность значит, что сами пространство и время несколько размыты: квантовые «дрожания» размывают точки в пространстве и моменты времени. Почти во всем объеме наблюдаемой Вселенной такая расплывчатость пространства-времени будет крайне ограниченной и ее можно полностью не принимать во внимание; но если вернуться к самым ранним стадиям существования Вселенной, когда плотность вещества и кривизна пространства-времени росли беспредельно, квантовая неопределенность могла иметь колоссальную важность. Рассуждая таким образом, Стивен представил, что в очень ранней Вселенной квантовые эффекты могли размыть само различие между пространством и временем. Это приводило к тому, что пространство и время, так сказать, испытывали кризис идентичности: интервалы времени иногда вели себя как пространственные и наоборот. Более того, Джим и Стивен дерзко предположили, что можно выполнить фейнмановское суммирование всей этой безумной пространственно-временной размытости и что полученную в результате этой процедуры волновую функцию можно выразить в изящном геометрическом виде.

Чтобы получить представление об их волновой функции Вселенной, взгляните на рис. 23. Это тот же схематический набросок расширяющейся Вселенной, который я приводил на рис. 14 в главе 2, но на этот раз я запустил фильм об этой Вселенной в обратном направлении, против хода времени. Рис. 23 (a) напоминает нам, что произойдет, если мы будем слепо доверять классической теории относительности Эйнштейна: пространство по мере движения в прошлое будет сжиматься и в некоторой точке окажется в состоянии сингулярности с бесконечными плотностью и кривизной, а время исчезнет.

Рис. 23. Классическая и квантовая эволюция расширяющейся Вселенной, представленной здесь одномерной окружностью. Слева (a): в классической теории тяготения Эйнштейна Вселенная рождается в точке сингулярности, в вершине конуса, где кривизна бесконечна и законы физики перестают работать. Справа (b): в квантовой теории Хартла и Хокинга сингулярность замещается гладкой и закругленной чашеобразной поверхностью, в любой точке которой законы физики выполняются.

Но Джим и Стивен утверждали, что в действительности этого не происходит. В их схеме, когда мы переводим часы настолько далеко назад, квантовомеханические эффекты кардинально меняют ход эволюции. Учет этих эффектов должен приводить к тому, что размывание пространства и времени вызовет вращение вертикального направления времени и его частичный переход в дополнительное горизонтальное направление пространства. А это открывает совершенно новую возможность сценария происхождения Вселенной: два пространственных измерения могут в комбинации сформировать гладкую двумерную сферическую поверхность, что-то вроде поверхности земного шара. Такая квантовая эволюция показана на рис. 23 (b). Мы видим, что сингулярность на дне классической Вселенной, беспричинное событие, которое как будто выводит вопрос о начале Вселенной за рамки науки, здесь замещается гладкой закругленной поверхностью: то есть в случае квантового происхождения Вселенной законы физики в момент ее рождения повсюду выполняются.

Идея была в высшей степени оригинальной. Ключевой момент предложения Джима и Стивена заключался в том, что у расширяющейся Вселенной в прошлом не было сингулярности – временное измерение на пути назад, к самому началу, растворяется в квантовой расплывчатости. В основании чаши на рис. 23 (b) время стало пространством. Cтало быть, вопрос о том, что могло быть до этого, теряет смысл. «Спрашивать, что было до Большого взрыва, было бы все равно, что спрашивать, что находится к югу от Южного полюса», – суммировал смысл своей теории Хокинг; говоря о своей квантовой космогонии, он называл эту идею «предложением об отсутствии границы»[104].

В рамках гипотезы об отсутствии границы смешиваются два с виду противоречащих друг другу свойства. С одной стороны, прошлое должно быть конечно – время не простирается в обратную сторону без конца. С другой стороны, начала тоже нет – нет первого момента, в который время каким-то образом «включается». Если бы вы были муравьем, ползущим по поверхности, изображенной на рис. 23 (b), в поисках точки происхождения Вселенной – вы не нашли бы ее. Сферическое основание чаши представляет предел времени в прошлом, но оно не отмечает мига творения. В теории отсутствия границы любая попытка наметить точку истинного начала Вселенной обречена на неудачу – эта точка теряется в квантовой неопределенности.

С эстетической точки зрения есть, конечно, что-то привлекательное в том, как гипотеза об отсутствии границы обходит загадку нулевого отсчета времени. Чаша на дне пространства-времени очень смахивает на геометрическую версию «первичного атома» Леметра. Вслед за Гамлетом, который сказал «заключите меня в скорлупу ореха, и я буду чувствовать себя повелителем бесконечности»[105], Хокинг увидел новорожденную Вселенную ядром орешка у себя в руке.

В июле 1983 года Джим и Стивен представили свою рукопись «Волновая функция Вселенной» для публикации в журнале Physical Review. Но судьба работы