Помоги проекту - поделись книгой:
Вы можете спросить, куда же девается разность расстояний, измеренных одним наблюдателем относительно другого. Просто исчезает? Не совсем. Она переходит в количество времени. Дело в том, что в эйнштейновской релятивистской Вселенной движение в пространстве смешивается с движением во времени. Когда я смотрю на припаркованное спортивное авто моей сестры, я вижу, что оно движется только во времени. Но когда сестра выезжает со стоянки, крохотная часть движения ее машины во времени переходит в движение в пространстве. И это замедляет движение машины во времени: часы сестры теперь идут чуть медленнее моих. Это, конечно, не делает ее похожей на героиню лимерика, которая, уехав сегодня, вернулась домой вчера[31], но все-таки, когда она снова приедет на стоянку, ее часы немного разойдутся с моими. Максимальная скорость достигается, когда движение во времени полностью обращается в движение в пространстве. Это скорость света – космический предел скорости. Грубо говоря, движение в пространстве со скоростью света не оставляет возможности двигаться во времени. Если бы у частицы света были наручные часы, они бы не тикали.
ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА РАЗРУШИЛА ГЛУБОКО УКОРЕНИВШИЙСЯ НЬЮТОНОВСКИЙ ВЗГЛЯД НА МИР, ГДЕ ПРОСТРАНСТВО БЫЛО ФИКСИРОВАННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СЦЕНОЙ, НА КОТОРОЙ РАЗЫГРЫВАЛИСЬ СОБЫТИЯ, А ВРЕМЯ – УНИВЕРСАЛЬНОЙ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ СТРЕЛОЙ, УСТОЙЧИВО И РАВНОМЕРНО ДВИГАЮЩЕЙСЯ ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО ПРОШЛОГО В БЕСКОНЕЧНОЕ БУДУЩЕЕ.
Вооруженная этими представлениями, теория Эйнштейна разрушила глубоко укоренившийся ньютоновский взгляд на мир, где пространство было фиксированной космической сценой, на которой разыгрывались события, а время – универсальной однонаправленной стрелой, устойчиво и равномерно двигающейся из бесконечного прошлого в бесконечное будущее. В системе представлений Ньютона ничто не могло повлиять на однородную природу пространства и линейное течение времени. Кроме того, время и пространство не были взаимосвязаны. По Ньютону, время было всегда и всегда будет, независимо от любого участка пространства, который может существовать, а может и не существовать.
Специальная теория относительности Эйнштейна бросила вызов этой картине мира, установив внутреннюю глубокую связь между пространством и временем. В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, когда-то бывший одним из преподавателей Эйнштейна в Цюрихской высшей технической школе, завершил начатую Эйнштейном смену концепций пространства и времени. Его знаменитая декларация гласит: «Отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность»[32]. Минковский сплавил три измерения пространства и одно измерение времени в единую четырехмерную сущность: пространство-время.
Чтобы визуализировать этот четырехмерный союз, мы обычно удаляем одно или два из трех пространственных измерений и показываем на рисунке остальные вместе с временной осью в виде «пространственно-временной диаграммы». Рис. 8 воспроизводит самую первую сделанную Минковским графическую визуализацию пространства-времени, в которой он сохранил только одно пространственное измерение, направленное горизонтально, и вертикальную временную ось. Эта схема иллюстрирует, как именно специальная теория относительности переопределяет наши отношения со Вселенной. Если мы наблюдаем из точки O, то сигналы, распространяющиеся со скоростью света, – как достигающие нас с противоположных направлений в прошлом, так и уходящие от нас в будущее, – прочерчивают в пространстве-времени две прямые линии, которые пересекаются в точке O и делят пространство-время на четыре непересекающихся части. Прошлое наблюдателя – это треугольная область пространства-времени, ограниченная траекториями световых лучей, приходящих в точку O. Она содержит все события, которые произошли и могут повлиять на действительность, видимую наблюдателем. Будущее наблюдателя – это область пространства-времени, ограниченная световыми лучами, вышедшими из O; в ней содержится все, на что наблюдатель может влиять. Позже нам встретятся пространственно-временные диаграммы, содержащие и второе пространственное измерение в горизонтальной плоскости. На таких диаграммах пути световых лучей в прошлом и в будущем в каждой точке образуют два конуса, касающихся своими вершинами в этой точке и раскрывающихся в противоположных направлениях. В структуре световых конусов, выходящих из каждой точки пространства-времени, и заключается вся суть релятивистской физики. Прежде люди верили, что прошлое и будущее как бы склеены друг с другом при помощи настоящего. Но специальная теория относительности показывает, что для вас – для наблюдателя – прошлое и будущее соприкасаются лишь в одной точке, отмечающей ваше конкретное положение во Вселенной.
Рис. 8. Первая диаграмма, объединяющая пространство и время в пространство-время, опубликованная Германом Минковским в его изданной в 1908 году книге Raum und Zeit («Пространство и время»). Время и одно измерение пространства обозначены штриховыми стрелками, или «векторами». Одна стрелка указывает направление времени (zeitartiger vector), а другая – направление в пространстве (raumartiger vector). Наблюдатель расположен в точке O. Область пространства-времени в его будущем (jenseits von O) ограничена надписью Nachkegel, а в его прошлом (diesseits von O) – Vorkegel. Это световые конусы наблюдателя в будущем и прошлом соответственно.
В ньютоновском мире отделенных друг от друга и абсолютных времени и пространства – и без космического предела скорости – все пространство считалось, по крайней мере в принципе, мгновенно достижимым для посылаемого сигнала. В релятивистском мире Эйнштейна мы начинаем понимать, какая малая часть его находится в пределах досягаемости. Наблюдаемая часть Вселенной ограничена как в пространстве, так и во времени областью, лежащей внутри нашего светового конуса прошлого. А так как с момента Большого взрыва прошло всего 13,8 миллиарда лет, это значит, что существует космологический горизонт, предельное расстояние, вне которого все, что происходит во Вселенной – или мультивселенной, – в принципе находится вне нашей досягаемости, как бы мы ни пытались увеличить силу наших телескопов.
Даже внутри нашего космологического горизонта мы можем собирать информацию лишь об ограниченных участках пространства-времени. На рис. 9 показаны те области внутри светового конуса прошлого, которые находятся в прямой досягаемости земного наблюдателя. Во-первых, астрономические наблюдения света от источников во Вселенной дают нам информацию о приповерхностной области светового конуса, тянущегося в прошлое более чем на 13 миллиардов лет. Во-вторых, наблюдения земных окаменелостей, космических лучей и других фрагментов космического вещества позволяют нам заглянуть в локальную внутренность нашего светового конуса прошлого на глубину примерно в 4,6 миллиарда лет. Но между этими двумя областями лежат огромные зоны (на рис. 9 они заштрихованы редко), прямого доступа к которым у нас нет.
Рис. 9. Наш световой конус прошлого. Густо заштрихованы области в прошлом, к которым у нас есть прямой доступ.
В 1907 году Эйнштейн решил переосмыслить ньютоновский закон всемирного тяготения, чтобы привести описание гравитации в соответствие со своим новым релятивистским видением пространства-времени. Это грандиозное по трудности предприятие вылилось в настоящую математическую одиссею. Впоследствии сам Эйнштейн описывал его так: «…долгие и одинокие странствия по пустыне, во тьме, в поисках истины, которую мы чувствуем, но не можем выразить»[33]. Но все оправдалось. В ноябре 1915 года, в мрачные дни Первой мировой войны, Эйнштейн смог наконец опубликовать свою общую теорию относительности, новую теорию тяготения, совместимую со специальной теорией относительности – теорией пространства-времени. Ей суждено было стать самым грандиозным из научных достижений Эйнштейна.
В общей теории относительности гравитация описывается в терминах геометрии – по сути, геометрии самого пространства-времени[34]. Эта теория рассматривает тяготение как проявление кривизны пространства-времени, ткань которого изгибается под воздействием массы и энергии. Согласно этой теории, например, Земля движется вокруг Солнца не потому, что на нее на огромном расстоянии действует таинственная сила, каким-то образом притягивающая ее к Солнцу, а потому, что масса Солнца слегка изменяет форму пространства вокруг него, создавая в его окрестности что-то вроде углубления, – из-за чего Земля (и другие планеты) и движутся в этой долине по эллиптическим орбитам. Мы не можем увидеть этого углубления, но мы его чувствуем – это тяготение! Или другой пример – согласно Эйнштейну, вы стоите, упираясь ногами в землю, потому что масса планеты создает в окружающем ее пространстве что-то вроде вмятины, по стенкам которой ваше тело как бы соскальзывает вниз, что и заставляет ваши подошвы чувствовать направленное вверх давление почвы. Та же складка в ткани пространства удерживает на орбите вокруг нашей планеты искусственные спутники, МКС и Луну.
Искривляется не только пространство, но и время! Это явление эксплуатируют – нещадно при этом преувеличивая – постановщики таких фильмов, как «Интерстеллар». Когда Джозеф Купер и его экипаж возвращаются на борт своего космического корабля после короткого пребывания на планете Миллера, они обнаруживают, что Ромилли, член экипажа, дожидавшийся их на корабле, постарел больше, чем на двадцать три года. По-видимому, огромная масса черной дыры неподалеку от планеты Миллера замедлила ход времени для посетивших планету астронавтов.
Мощь эйнштейновской общей теории относительности воплощена в диалоге между веществом и энергией с одной стороны и формой пространства-времени с другой, и этот диалог имеет форму уравнения:
Прочесть это уравнение нетрудно. В правой части – все вещество и энергия в некоторой области пространства-времени, обозначенные Tµv. В левой – описание геометрии этой области. Магия содержится в знаке равенства (=) посредине: он с математической точностью показывает, как геометрия пространства-времени слева (Gµv) связана с данной конфигурацией вещества и энергии (Tµv) справа. Эта взаимосвязь, как говорит нам теория Эйнштейна, и есть то, что мы воспринимаем как тяготение. Получается, что тяготение не входит в теорию Эйнштейна как независимая сила, а возникает из взаимозависимости между материей и формой пространства-времени. Как выразился американский физик Джон Арчибальд Уилер, «вещество говорит пространству-времени, как ему искривляться; пространство-время говорит веществу, как ему двигаться»[35].
Короче, общая теория относительности вдохнула жизнь в пространство-время. Теория Эйнштейна преобразовала пространство-время: из ньютоновской вечной и неизменной «космической сцены», устройство которой недоступно нашему пониманию, оно превратилось в гибкое физическое поле. Интересно, что в физике понятие полей – невидимых субстанций, заполняющих пространство, – восходит к блестящему шотландскому экспериментатору XIX столетия Майклу Фарадею. Эту концепцию тут же подхватил Максвелл, чтобы сформулировать свою теорию электромагнетизма. Наверное, самый известный пример физического поля – это, конечно, магнитное поле, посредством которого действуют магниты. Сегодня физики пользуются понятием поля для описания не только сил, но и разновидностей частиц. Грубо говоря, мы представляем себе частицы как плотные комки или крупицы соответствующих полей, заполняющих пространство. Гений Эйнштейна сказался в том, что он идентифицировал само пространство-время как физическое поле тяготения.
Общая теория относительности сразу же встретила поддержку, которая стала быстро расти. Первое доказательство ее истинности было найдено в Солнечной системе – оно было связано с орбитой планеты Меркурий. Когда в середине XIX века Леверье указал астрономам положение планеты Нептун, он также подметил, что околосолнечная орбита Меркурия чуть отклоняется от пути, который ей предписывает ньютоновский закон всемирного тяготения. Леверье, что неудивительно, предположил, что траектория Меркурия может испытывать влияние другой планеты, находящейся еще ближе к Солнцу. Имя Вулкан таинственной планете дал французский физик Жак Бабинэ. Но Вулкан так и не удалось найти. Поэтому в 1915 году Эйнштейн решил перевычислить орбиту Меркурия на основании своей новой теории тяготения – и увидел, что теория полностью объясняет «аномалию Меркурия». Это открытие он называл самым сильным эмоциональным переживанием своей жизни – «будто со мной заговорила сама Природа»[36].
Но настоящий триумф общей теории относительности пришел в 1919 году, когда британский астроном сэр Артур Эддингтон отплыл к португальскому острову Принсипи, расположенному у побережья Западной Африки, чтобы измерить положения звезд во время полного солнечного затмения. Если Эйнштейн был прав и масса действительно искривляет пространство-время, то свет звезд, проходя мимо такого массивного объекта, как Солнце, должен не распространяться по прямой, а отклоняться от нее, что вызвало бы небольшое смещение положения этих звезд на небе. Именно это и увидели пораженные Эддингтон и его сотрудники: звезды сдвинулись со своих мест. Газета The New York Times сообщила о наблюдениях Эддингтона под сенсационным заголовком Lights all askew in the heavens, men of science more or less agog («Огни небес перекосились, научный мир в возбуждении»); Эйнштейн стал мировой знаменитостью – гений, потеснивший с трона самого Ньютона[37]. Законы Ньютона, считавшиеся истиной в последней инстанции, оказались временными и приблизительными. А то, что британский астроном подтвердил теорию немецкого физика, было воспринято и как акт примирения между странами, только что воевавшими друг против друга во время Первой мировой войны.
Световой луч искривляется в поле тяготения Солнца очень слабо – на пару угловых секунд, – потому что по астрономическим меркам гравитационное поле Солнца не очень сильное. Но почти ровно через сто лет, весной 2019 года, первые страницы всех новостных изданий мира украсило запоминающееся изображение, похожее на улыбающееся лицо: фиксация искривления света в его самой крайней форме. Современная версия экспедиции Эддингтона выглядела так: международный коллектив астрономов создал виртуальный телескоп размером с весь земной шар – «телескоп горизонта событий», состоявший из восьми разбросанных по всему миру, от Гренландии до Антарктиды, огромных радиоантенн в форме «тарелок». При их совместной работе достигалось пространственное разрешение, при котором теоретически можно было бы разглядеть теннисный мяч на поверхности Луны. Когда астрономы направили свой глобальный «телескоп горизонта событий» в самый центр Мессье 87 – большой галактики в скоплении Девы на расстоянии около 55 миллионов световых лет от нас – и реализовали всю его разрешающую силу, а затем численно свели воедино все полученные пиксельные изображения, на экранах их компьютеров появился черный диск, окруженный кольцом света. Это было изображение тени гигантской черной дыры, поглощающей окружающее вещество. Темный диск, который мы видим на рис. 10, свидетельствует о том, что в центральной области галактики пространство-время скручивается с чудовищной силой: световые лучи, блуждающие там, не просто отклоняются, но остаются внутри области, как в западне. Кольцо света, окружающее область, порождается нагретым веществом – газом, исчезающим в черной дыре. При этом дыра эта вращается таким образом, что свет, доходящий до нас из-под нижней части черного диска, получает импульс энергии, отчего нижняя часть светового ореола делается ярче. При массе в 6,5 миллиарда Солнц, сжатой внутри области размером примерно с Солнечную систему, эта черная дыра – одна из самых тяжелых в нашей области космоса.
Общая теория относительности предсказала, что черные дыры должны существовать. Всего через несколько месяцев после эпохальной публикации Эйнштейна немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел первое решение основных уравнений Эйнштейна, описывавших сильно искривленную геометрию пространства вокруг исключительно плотной идеально сферической массы M. Так как в то время шла Первая мировая война и Шварцшильд находился на Русском фронте, он записал свое решение на почтовой открытке и послал ее в Берлин Эйнштейну. Тот, естественно, пришел в восторг и с энтузиазмом представил полученный результат на заседании Прусской Академии наук.
Рис. 10. Это первое изображение черной дыры, полученное в 2019 году «Телескопом горизонта событий», потрясло мир. Размер центральной «тени» не больше размера Солнечной системы, но в нем заключена масса примерно 6,5 миллиарда Солнц. Объект расположен в центре ядра галактики Мессье 87, на расстоянии около 55 миллионов световых лет. Световое гало образовано излучением вещества, падающего в черную дыру, а тень обозначает границы области пространства, где его кривизна настолько велика, что весь излучаемый свет втягивается внутрь.
Геометрическое решение Шварцшильда описывало весьма необычную поверхность, расположенную на расстоянии 2GM/c2 от центра масс[38]. Оказалось, что на этой поверхности пространство и время меняются ролями. Много лет эта ситуация оставалась очень запутанной. Эйнштейну казалось, что это просто математическая странность предложенного решения, не имеющая никакого физического значения. Сам Шварцшильд думал, что на этой поверхности пространство и время каким-то образом заканчиваются.
Но в 1930-х годах[39] туман, окружавший геометрию поверхности Шварцшильда, начал рассеиваться. Стало понятно, что его решение описывает конечную форму пространства-времени после завершения гравитационного коллапса идеально сферической массивной звезды, когда она истощает свои запасы ядерного горючего и умирает[40]. Конечно, реальные звезды не идеально сферические, и поэтому большинство физиков оставались скептиками в вопросе о том, существуют ли «гравитационно сколлапсировавшие звезды» на самом деле. Только после вдохновленного работой Роджера Пенроуза ренессанса общей теории относительности в 1960-х физическая реальность таких звезд наконец начала осознаваться, и Уилер пустил для них в оборот термин «черные дыры».
Пенроуз, чистый математик, работавший в Бэркбекском колледже в Лондоне, разработал целый ряд новых остроумных методов описания сложных геометрических структур в общей теории относительности и доказал, что все достаточно массивные звезды, какими бы ни были их исходная форма или химический состав, коллапсируют в черные дыры в конце своей жизни. Это означало, что черные дыры не были эксцентричным математическим артефактом, а должны были составлять неотъемлемую часть космической экосистемы. В своей статье 1969 года Пенроуз писал: «Я только хотел бы призвать к тому, чтобы к черным дырам относились серьезно и исследовали бы во всех подробностях последствия их существования. Ибо кто решится заявить, что они не могут играть какую-то важную роль в картине наблюдаемых явлений?»[41] Это замечание оказалось пророческим. В течение нескольких последовавших десятилетий астрономические наблюдения давали все новые и новые свидетельства существования черных дыр. Кульминацией находок и стали первые неясные изображения этих загадочных объектов, полученные в 2019 году. И спустя пятьдесят пять лет после сделанного Пенроузом математического предсказания повсеместного распространения черных дыр во Вселенной за свое изначально чисто теоретическое открытие в 2020 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.
Опубликованная в 1965 году статья Пенроуза[42], которая в итоге принесла ему Нобелевскую премию, занимает всего три страницы и почти не содержит уравнений, но в ней помещен захватывающий, как рисунки да Винчи, набросок – схема гравитационного коллапса звезды в черную дыру (см. рис. 11). На пространственно-временной диаграмме Пенроуза показаны два пространственных измерения и дана схема их переплетения с измерением временным. Мы видим, что вдали от объекта световые конусы будущего открыты в обе стороны, а это означает, что пучки света могут быть направлены как к звезде, так и от нее – как мы и ожидаем. Вблизи коллапсирующей звезды, по мере развития коллапса, появляется особая поверхность, на которой конусы изгибаются так сильно, что даже световые лучи, направленные вовне, двигаясь со скоростью света, «зависают» на постоянном расстоянии от центра звезды. И так как ничто не может двигаться быстрее света, ничто не может каким-либо способом преодолеть это гравитационное притяжение.
Коллапсирующая звезда создала вокруг себя область пространства-времени, полностью изолированную от остальной Вселенной, – черную дыру.
Поверхность, отделяющая «безвыходную» зону внутри черной дыры от остальной Вселенной, и есть та необычная поверхность в геометрии Шварцшильда, которая вызвала такое замешательство в первые годы после появления общей теории относительности. Сегодня ее называют горизонтом событий черной дыры. Она приблизительно соответствует кромке черного диска на рис. 10. Поверхность горизонта событий действует как пропускающая в одну сторону мембрана, сквозь которую могут входить вещество, свет и информация, но выйти обратно не может ничего. Черная дыра – кошмарная форма клаустрофобии.
Рис. 2. Сделанный Роджером Пенроузом в 1965 году рисунок, иллюстрирующий коллапс звезды с образованием черной дыры. Когда звезда сжимается, в пустом пространстве вокруг нее возникает любопытная поверхность, отмеченная черным кольцом в центре рисунка. С этой поверхности даже свет не может покинуть звезду. На чисто математических основаниях Пенроуз продемонстрировал, что, независимо от ее формы, появление такой ловушки для света является признаком неизбежного образования черной дыры с сингулярностью в центре, окруженной цилиндрическим горизонтом событий. Внутри же черной дыры крайне сильный наклон световых конусов будущего означает, что движение к сингулярности должно продолжаться. Из-за этого наклона, однако, внешний наблюдатель не увидит даже последних стадий коллапса, не говоря уж о самой сингулярности внутри черной дыры.
Мало кто из физиков считает, что на горизонте событий большой черной дыры вообще возможно что-либо увидеть или почувствовать, но само его существование имеет огромное значение для причинной структуры черных дыр. Дело в том, что под горизонтом событий пространство и время в некотором смысле меняются ролями. Если отважный астронавт все же каким-то образом проникнет внутрь горизонта событий черной дыры, неуклонно растущий наклон световых конусов будет означать, что ему неизбежно придется продолжать двигаться по направлению к ее центру. То есть радиальное измерение пространства внутри горизонта приобретает свойства временного измерения – это движение в одном направлении, движение, которое невозможно остановить или обратить вспять, и остается только двигаться вперед. Пространственно-временная сингулярность бесконечной кривизны, которая поджидает нашего астронавта в центре дыры, по сути не является точкой в пространстве, но скорее моментом времени – последним моментом.
ПОВЕРХНОСТЬ ГОРИЗОНТА СОБЫТИЙ ДЕЙСТВУЕТ КАК ПРОПУСКАЮЩАЯ В ОДНУ СТОРОНУ МЕМБРАНА, СКВОЗЬ КОТОРУЮ МОГУТ ВХОДИТЬ ВЕЩЕСТВО, СВЕТ И ИНФОРМАЦИЯ, НО ВЫЙТИ ОБРАТНО НЕ МОЖЕТ НИЧЕГО. ЧЕРНАЯ ДЫРА – КОШМАРНАЯ ФОРМА КЛАУСТРОФОБИИ.
Сингулярность с ее бесконечным скручиванием – это там, где (или когда) уравнение Эйнштейна теряет свою предсказательную силу. В пространственно-временных сингулярностях общая теория относительности работать отказывается. И это озадачивает. Как мог Пенроуз доказать, что гравитационный коллапс массивной звезды приводит к образованию сингулярности, если теоретическая база, на которую он опирался, несовместима с сингулярностью? Оригинальность стратегии Пенроуза проявилась в том, чтобы идентифицировать точку невозврата в гравитационном коллапсе, образование того, что он назвал «ловушечной поверхностью» – которую даже свет звезды не может покинуть. Пенроуз показал, что, как только образуется ловушечная поверхность, дальнейший коллапс в сингулярность неизбежен. Его математические приемы были так искусны, что с их помощью он сумел предсказать исход коллапса, несмотря на то что проследить его развитие вплоть до завершения в реальной звезде оказалось невозможно.
Что же происходит, когда две черные дыры входят в сферы влияния друг друга и начинают вращаться друг вокруг друга? Общая теория относительности предсказывает, что их взаимодействие будет генерировать гравитационные волны – волнообразные возмущения пространства-времени, которые распространяются по Вселенной со скоростью света. Так работают уравнения Эйнштейна: две черные дыры, обращающиеся друг вокруг друга, образуют периодически изменяющуюся конфигурацию масс, на что, как следует из уравнений, пространство-время откликается своими собственными периодическими возмущениями. Эта рябь пространства-времени и есть гравитационные волны.
Геометрическая рябь гравитационных волн уносит огромное количество энергии. Отток энергии из системы обращающихся друг вокруг друга черных дыр приводит к тому, что они по спирали сближаются друг с другом и в конце концов сливаются, образуя черную дыру большего размера. По энергии, которая при этом выделяется, слияния черных дыр оставляют далеко позади все остальные взрывные события во Вселенной. Одно столкновение двух черных дыр может вызвать всплеск гравитационных волн более мощный, чем общая мощность всего света, излучаемого всеми звездами во всей наблюдаемой Вселенной. И тем не менее размер геометрических волн, возбуждаемых такими столкновениями, крайне мал, потому что ткань пространства-времени чрезвычайно жесткая[43]. Вот почему, несмотря на их невероятную мощь, всплески гравитационных волн очень трудно регистрировать.
Более того, так как гравитационные волны не несут никаких частиц, их всплеск, проходя через нашу планету, остается невидимым и неощутимым – если не считать того, что, прежде чем он бесследно уйдет дальше в космос, все измерительные линейки на Земле на протяжении очень короткого времени на микроскопическую величину растянутся и сократятся, а часы чуть ускорятся и снова замедлятся. Чтобы зарегистрировать эти изменения, понадобятся линейки длиной в несколько миль, способные измерять изменения расстояния с точностью, значительно более высокой, чем размер протона. Это кажется невозможным. Однако, совершив настоящее инженерное чудо, две группы ученых, коллаборации LIGO в Соединенных Штатах и VIRGO в Европе, сделали это. Используя лазеры и сложнейшую технику для контроля длины трех пар вакуумных трубок длиной в несколько миль каждая, образующих L-образные конфигурации в трех далеко отстоящих друг от друга местах на поверхности Земли, обе группы устроили хитроумные ловушки для гравитационных волн, проходящих через нашу планету. И вот 14 сентября 2015 года, после нескольких лет ожидания и вслушивания, L-образные ветви установки LIGO вдруг начали вибрировать, сначала невероятно слабо, но постепенно быстрее и сильнее. Спустя долю секунды вибрации угасли, но, пользуясь эйнштейновской теорией, по этой мгновенно исчезнувшей вибрационной картине физики сумели восстановить и отследить всплеск гравитационных волн, порожденный случившимся более миллиарда лет назад спиральным сближением и слиянием пары черных дыр, каждая массой около тридцати Солнц. Спустя пять лет таких гравитационно-волновых всплесков было зарегистрировано уже около сотни. Оказалось, что черные дыры действительно представляют собой неотъемлемую часть космической экосистемы – в точности, как и предсказывал Пенроуз.
Экспериментальное открытие гравитационных волн подтвердило последнее из великих предсказаний общей теории относительности. Во многих отношениях это событие отмечает вступление теории в пору зрелости – им ознаменовано как завершение одной эры, так и начало другой. Начавшись с абстрактных математических уравнений, описывающих пространство, время и тяготение, с открытием гравитационных волн эта теория превратилась в совершенно новый способ видения Вселенной. Больше чем через четыреста лет после того, как Галилей впервые направил телескоп на звезды, у астрономов как будто появился новый орган чувств, который позволяет им видеть темную сторону Вселенной, – в ней доминируют черные дыры, темная материя и темная энергия. Работающие теперь в разных точках Земли гравитационно-волновые обсерватории исследуют космос, улавливая мельчайшие вибрации геометрии самого пространства-времени – поля, которое Эйнштейн впервые описал более столетия назад.
Еще на заре эры общей относительности Эйнштейн быстро понял, что его теория может дать радикально новое видение космоса как целого. В 1917 году он писал известному голландскому астроному из Лейдена Виллему де Ситтеру: «Я хочу решить вопрос о том, можно ли развить основную идею относительности до ее окончательного вывода и определить форму Вселенной как целого»[44].
Эйнштейн предложил считать глобальную форму пространства чем-то вроде трехмерной версии поверхности сферы – так называемой гиперсферой. Вообразить гиперсферу трудно – мы ведь обычно думаем об искривленных пространствах как о двумерных поверхностях, погруженных в обычное трехмерное Евклидово пространство. Но такое погружение поверхности в пространство с большим числом измерений – всего лишь уступка нашему зрительному опыту. Математики XIX века уже показали к тому времени, что все геометрические свойства искривленной поверхности – вроде прямых линий, углов и тому подобного – могут быть определены в пределах этой поверхности, без обращения к чему-то, что находится выше или ниже нее[45]. Подобным же образом описание искривленной формы трехмерной гиперсферы не нуждается ни в какой внешней опорной точке. Гиперсфера – это просто гиперсфера.
Как и у поверхности сферы, у трехмерной гиперсферы нет ни центра, ни границы. В какой бы точке гиперсферы вы ни находились, пространство выглядит одинаково. Однако общий объем пространства в эйнштейновской вселенной конечен. Это значит, что так же, как конечна поверхность Земли, ограниченно и количество различных мест в гиперсферической вселенной. Если в эйнштейновской вселенной вы будете двигаться по прямой, в конце концов вы вернетесь в точку отправления со стороны, противоположной той, в которую когда-то отправились, – точно так же, как, двигаясь всегда только прямо вперед, мы в конце концов обогнем Землю. Больше того, за время нашего путешествия ничего не изменится – эйнштейновская вселенная построена как неизменная во времени. Чтобы обеспечить такие ее свойства, Эйнштейн даже ввел в свои уравнения дополнительный член, названный им космологическим членом и обозначенный греческой буквой – сегодня мы называем его космологической постоянной[46].
Эйнштейновское видение космоса, которое позволяло описывать всю Вселенную единым уравнением, ясно показало, что общая теория относительности может привести нас туда, куда законам Ньютона путь был закрыт. В рамках статического гиперсферического пространства-времени общая форма и размеры Вселенной связаны с содержащимся в ней количеством материи и темной энергии. Это значило, что общая теория относительности действительно способна дать фантастические ответы на древние вопросы. Своей трактовкой Вселенной как целого Эйнштейн в некотором смысле прочно вписал «внешнюю сферу» моделей Вселенной древнего мира в рамки современной науки. И хотя модель Вселенной Эйнштейна оказалась и близко не соответствующей действительности, его пионерские исследования обозначили момент рождения современной релятивистской космологии.
Однако пройдет еще десять лет, прежде чем Леметр начнет понимать, насколько истинное космологическое значение теории относительности выходит за пределы первоначальных представлений Эйнштейна и всех остальных.
Леметр был интереснейшей и очень привлекательной фигурой[47]. Родился он в 1894 году в Шарлеруа на юге Бельгии. Из-за начавшейся Первой мировой войны ему пришлось бросить университет, где он получал инженерное образование. Когда в августе 1914 года немцы вторглись в Бельгию, юный Жорж пошел добровольцем в пехоту и в составе бельгийской армии участвовал в битве при Изере, вблизи границы с Францией. Противостояние тянулось два месяца, пока бельгийцы не открыли оросительные каналы, прорытые к морю, – этот потоп остановил немецкое наступление. Рассказывают, что в моменты затишья в окопах Леметр пытался читать классические труды по физике, в том числе Leçons sur les Hypothèses Cosmogoniques («Лекции о космогонических гипотезах») Анри Пуанкаре. Согласно семейной легенде, Жорж навлек на себя гнев капрала, когда осмелился указать на математическую ошибку в армейском руководстве по баллистике.
После войны, следуя ощущаемому им «двойному призванию», Леметр поступил в Католический университет в Лёвене[48], где стал изучать физику, и в семинарию в Малине, где получил специальное разрешение кардинала Мерсье на изучение новой теории относительности Эйнштейна. В 1923 году, уже в пасторской сутане, он пересек Ла-Манш, чтобы поработать с Эддингтоном в Кембриджской обсерватории.
Обладая глубокими познаниями не только в физике, но и в философии, Леметр вполне мог вдохновляться прозрениями шотландского мыслителя XVIII века Дэвида Юма, когда избрал в науке подход на пересечении математической теории и астрономических наблюдений. В своем главном труде «Исследования о человеческом разумении» Юм утверждал, что в основе наших знаний лежит опыт. Признавая силу математики, Юм предостерегал от абстрактных построений, изолированных от реального мира: «Если рассуждать a priori, что угодно может показаться способным произвести что угодно другое. Падение камня может, пожалуй, потушить Солнце, а желание человека – управлять обращением планет по их орбитам»[49]. Провозглашая опыт основой всех наших теорий, Юм тем самым помог заложить основы подхода к науке как к индуктивному процессу, уходящему корнями в эксперимент и в наши наблюдения Вселенной.
В подобном же духе Леметр подытожил свою собственную позицию: «Все идеи тем или иным путем приходят к нам из реального мира, в соответствии с принципом Nihil est in intellectu nisi prius fuerit in sensu[50]. Разумеется, идея, которая вырастает из факта, должна выходить за его пределы и следовать естественному течению мысли, фундаментальной функции интеллекта. И все же это, возможно, один из наиболее ценных уроков, которым учит нас странность физики: этим течением необходимо управлять, оно не должно терять связи с фактами, оно должно позволять себе быть обусловленным ими. Здесь, как и во многих других областях, мы должны найти удачный баланс между туманным идеализмом, который блуждает во тьме, и узким позитивизмом, который всегда остается стерильным[51].
Переехав из английского Кембриджа в Кембридж, что в штате Массачусетс, чтобы поработать в обсерватории Гарвардского колледжа, Леметр стал свидетелем «Великого спора», дебатов, состоявшихся в Вашингтоне в январе 1925 года. Обсуждаемый вопрос состоял в том, что представляют собой замеченные на небе еще в Средние века спиральные туманности – гигантские газовые облака в составе Млечного Пути, или отдельные далекие галактики. С помощью нового 100-дюймового телескопа Хукера на Маунт-Вилсон близ Пасадены, крупнейшего в мире телескопа тех времен, американский астроном Эдвин Хаббл и его коллеги разрешили участки двух таких туманностей (в Андромеде и в Треугольнике) на отдельные звезды, а затем использовали характерные свойства пульсирующих звезд – цефеид – в этих туманностях для оценки расстояний до них[52]. К их изумлению, расстояния оказались порядка миллиона световых лет – гораздо дальше границ нашего Млечного Пути. Это были галактики! Наблюдения Хаббла сразу сделали Вселенную в тысячи раз больше!
Но, что было еще поразительнее, оказалось, что большинство туманностей движутся прочь от нас. Еще в 1913 году талантливый астроном Весто Слайфер, работавший в Ловелловской обсерватории[53]вблизи Большого каньона, заметил в спектрах большинства спиральных туманностей явное смещение в сторону более длинных волн[54]. Такое смещение появляется, когда мы наблюдаем свет от удаляющихся от нас источников, – явление, известное под названием доплеровского сдвига. Мы все знакомы с доплеровским сдвигом звуковых волн – вспомните, как меняется звук сирены «скорой помощи», когда она проносится мимо вас. То же самое происходит и с волнами света – если источник света удаляется от вас, цвет такого света краснеет, что в космологии называется красным смещением. К середине 1920-х Слайфер измерил спектры не менее чем 42 спиральных туманностей и нашел, что только четыре из них приближались к Млечному Пути, в то время как 38 удалялись, и часто с огромными скоростями – до 1800 км/c, что намного превышало скорости любых небесных тел, известных в то время. Теперь мы знаем, что таблицы Слайфера, в которые были сведены измеренные скорости туманностей – пример такой таблицы показан на рис. 12, – были самым ранним свидетельством расширения Вселенной[55].
Вернувшись в Лёвен в 1925 году, Леметр осознал значение наблюдений Слайфера. Говорят, что к тому времени он понимал общую теорию относительности лучше всех, включая Эддингтона и самого Эйнштейна. Леметр видел, что построенная Эйнштейном статичная Вселенная была катастрофически неустойчивой. Она была космологическим эквивалентом иголки, балансирующей на острие; при малейшем толчке она начнет падать. Гениальное прозрение Леметра состояло в том, чтобы отказаться от глубоко укоренившейся идеи неизменной и вечной космической сцены и прочесть в общей теории относительности то, что она все время пыталась нам сказать:
Рис. 12. Первое свидетельство расширения Вселенной: лучевые скорости 25 спиральных туманностей (галактик), опубликованные Весто Слайфером в 1917 году. Отрицательные значения соответствуют галактикам, приближающимся к нам, а положительные скорости принадлежат удаляющимся галактикам.
что Вселенная расширяется. Связывая массу и энергию с формой пространства-времени, теория Эйнштейна с необходимостью приводит к тому, что пространство меняется во времени – и не только локально, но также и in extenso, в масштабах всей Вселенной. Проектируя статический мир, заключал Леметр, Эйнштейн ради своих философских предрассудков о том, каким космосу следует быть, проигнорировал самое драматическое предсказание, вытекавшее из его собственного уравнения. Опубликованная в 1927 году основополагающая статья Леметра, в которой он постулирует расширение пространства, как раз и устанавливает ту самую фундаментальную связь между общей теорией относительности и поведением физической Вселенной как целого[56]. Сам Леметр потом вспоминал с присущей ему беспечностью: «Вышло так, что я был в большей степени математиком, чем большинство астрономов, и в большей степени астрономом, чем большинство математиков»[57].
Рис. 13. Жорж Леметр читает лекцию в Католическом университете в Лёвене, в Бельгии.
Леметр понимал, что расширяющаяся Вселенная – совсем не то, что обычный взрыв. Взрыв происходит в определенной точке. Если вы наблюдаете взрывающуюся звезду с большого расстояния, пространство будет выглядеть очень по-разному в зависимости от того, смотрите ли вы в сторону звезды или в противоположную сторону. В расширяющейся Вселенной все обстоит иначе. В своем расширении Вселенная не имеет ни центра, ни края – растягивается само ее пространство. Если это и взрыв, то взрыв пространства как такового. «Туманности [галактики] похожи на микробов на поверхности воздушного шара, – пояснял Леметр. – Когда шар раздувается, каждый микроб видит, что все остальные удаляются от него, и у него складывается впечатление – но это только впечатление, – что он находится в центре». Выполненная в стиле комикса иллюстрация этой метафоры Леметра появилась в 1930 году в одной голландской газете (см. рис. 2 на вклейке).
Пока световые волны бегут от одного «микроба» до другого, они растягиваются вместе с расширяющимся пространством, и свет из-за этого краснеет. Это создает впечатление, будто далекие галактики устремляются прочь от Млечного Пути, хотя в действительности они не движутся. То есть «красное смещение» в спектрах туманностей – не доплеровский сдвиг, возникающий благодаря реальным движениям галактик, как думали Слайфер и Хаббл, а просто следствие раздувания самого пространства. Я попытался проиллюстрировать это на рис. 14. Так как лист бумаги имеет лишь два измерения, мне снова пришлось убрать два из трех измерений пространства, изобразив оставшееся третье в виде окружности. Внутренность этой окружности и пространство вне ее – просто средство визуализации. Итак, у нас есть одномерная расширяющаяся окружность: ее радиус увеличивается с течением времени. Мы видим, что это ведет к увеличению расстояний между галактиками.
Рис. 14. Схематическое представление одномерной Вселенной, имеющей форму окружности, расширяющейся с течением времени. Расширение пространства приводит к тому, что галактики отдаляются друг от друга, хотя в действительности они не движутся. Вследствие этого видимого движения наблюдаемый нами свет от галактик испытывает красное смещение.
Величина наблюдаемого нами красного смещения зависит от того, насколько давно – а значит, и насколько далеко от нас – воспринимаемый нами свет был испущен. Леметр подсчитал, что если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, то должно существовать линейное соотношение между скоростью видимого убегания галактики v и расстоянием от нас до нее r. В своей статье 1927 года он записал это соотношение в виде знаменитого итогового уравнения:
v = H r
Это соотношение говорит нам, что видимые скорости v, с которыми разбегаются галактики, должны быть пропорциональны их расстояниям r от нас. Коэффициент пропорциональности H в этом соотношении есть числовая характеристика скорости расширения Вселенной. В поисках наблюдательного подкрепления своего предсказания Леметр взял измеренные Слайфером красные смещения и выполненные Хабблом (с большой неопределенностью) измерения расстояний для 42 туманностей, и на этом основании сделал оценку: через каждые три миллиона световых лет расстояния скорость разбегания галактик растет примерно на 575 километров в секунду[58].
Открытие расширения Вселенной ознаменовало собой крупнейший сдвиг космологической парадигмы со времен Ньютона. Однако в то время его почти никто не заметил, а те немногие отклики, которые дошли до Леметра, были не особенно вдохновляющими. Экземпляр своей статьи Леметр послал Эддингтону, но тот его потерял. А Эйнштейн, который только что употребил большие усилия на то, чтобы согласовать свою теорию с концепцией неподвижной и статичной Вселенной, отказался снова пересматривать этот вопрос. Во время их короткой и довольно нервной встречи в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса[59] Эйнштейн рассказал Леметру, что решения его уравнений, описывающие расширяющуюся Вселенную, были получены за четыре года до этого молодым математиком из Санкт-Петербурга Александром Александровичем Фридманом[60], вскоре после того скончавшимся. Самому Эйнштейну (да и Фридману) такие решения казались просто странными математическими особенностями теории относительности, не имеющими никакого значения для реального космоса. Статическая Вселенная казалась обоим намного более совершенной и эмоционально приятной. Так что, насколько мы можем судить – притом что Фридман умер, Эйнштейн не желал ничего слушать, а Эддингтон просто не обратил на открытия Леметра никакого внимания, – в конце 1920-х годов лишь один человек на планете постиг то, чему суждено было в конечном счете оказаться самым грандиозным следствием общей теории относительности.
Ничуть не смущенный этим, Леметр принялся за изучение хода расширения Вселенной. Работая у себя дома в Лёвене, на бывшей пивоварне, он стал прослеживать эволюцию размеров трехмерной гиперсферы[61], заполненной различными количествами вещества и темной энергии. Рис. 1 на вклейке показывает разнообразие найденных им решений для различных вселенных, каждая из которых расширяется и эволюционирует в соответствии с общей теорией относительности. Это семейство графиков, рассчитанных Леметром и тщательно нанесенных им на миллиметровку в 1929 или 1930 году, представляет собой один из наиболее замечательных научных документов XX века. Поистине грандиозные по степени своего расхождения с господствовавшим тогда мировоззрением, они буквально изменили мир.
В РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ ВСЕ ОБСТОИТ ИНАЧЕ. В СВОЕМ РАСШИРЕНИИ ВСЕЛЕННАЯ НЕ ИМЕЕТ НИ ЦЕНТРА, НИ КРАЯ – РАСТЯГИВАЕТСЯ САМО ЕЕ ПРОСТРАНСТВО. ЕСЛИ ЭТО И ВЗРЫВ, ТО ВЗРЫВ ПРОСТРАНСТВА КАК ТАКОВОГО.
В 1929 году Хаббл, в чьем распоряжении по-прежнему был самый мощный в мире телескоп на Маунт-Вилсон, получил сильное эмпирическое подтверждение линейной зависимости между расстоянием до галактики и ее лучевой скоростью. Доказательство было настолько убедительным, что эта зависимость – уравнение (23) в статье Леметра 1927 года – даже была названа законом Хаббла[62], невзирая на то, что Хаббл вообще не упоминал ни о каком расширении Вселенной и до самой смерти не верил в релятивистскую интерпретацию его наблюдений[63]. Тем не менее надо признать, что выполненная им работа была настоящим чудом наблюдательского мастерства. Хабблу помогал Милтон Хьюмасон, бывший погонщик мулов, один из последних астрономов, пришедших в профессию, не имея университетского диплома. Он прилагал поистине героические усилия, чтобы улавливать слабые потоки света от далеких туманностей и определять их красные смещения. Говорили, что на измерение спектра одной-единственной туманности у Хьюмасона уходило три полные ночи тщательнейших наблюдений.
Великолепные наблюдения галактик, выполненные Хабблом и Хьюмасоном, стали переломным моментом в релятивистской космологии. Эддингтон, которому напомнили о статье Леметра 1927 года, распорядился, чтобы английский перевод этой статьи был немедленно напечатан в «Ежемесячных известиях Королевского общества» (Monthly Notices of the Royal Society), и организовал заседание Королевского Общества для обсуждения вопроса. Перед лицом неопровержимых астрономических доказательств Эйнштейн тоже признал, что был неправ. Он резко изменил свою позицию и принял концепцию расширяющейся Вселенной. При этом ему пришлось устранить из уравнений
Как ни парадоксально, у Леметра было совершенно иное мнение: он считал, что
Антигравитационное действие космологической постоянной возникает из-за того, что давление, которым она наполняет пространство, отрицательно. В отрицательном давлении нет ничего особенно экзотического – это то, что мы часто называем натяжением, как у растянутой резиновой ленты. Отрицательное давление в эйнштейновской теории производит «отрицательное тяготение», или антигравитацию, которая ускоряет расширение пространства.
Когда пространство растягивается, его свойства не изменяются. Его просто становится больше. Поэтому, в отличие от энергии обычного вещества или излучения, темная энергия пространства-времени при расширении пространства не «разжижается» и на огромных пространственных масштабах может даже стать определяющим фактором эволюции Вселенной. В гиперсферических вселенных, соответствующих нижнему семейству кривых на классическом графике Леметра (см. рис. 1 на вклейке), это не так. В этих вселенных плотность темной энергии пространства мала. Вследствие этого гравитационное притяжение полностью доминирует, и то, как изменяется размер Вселенной, очень похоже на траекторию бейсбольного мяча в полете: сначала он начинает расти, затем достигает максимума, прежде чем успевает накопиться и вступить в игру темная энергия, и наконец снова коллапсирует – происходит Большое схлопывание. Но если бы значение космологической постоянной было выше, она смогла бы противодействовать гравитационному притяжению вещества и резко изменить течение космологической эволюции. При достаточном количестве ход расширения Вселенной переходит от «траектории бейсбольного мяча» к «взлетающей космической ракете». Этот тип поведения на диаграмме Леметра соответствует верхнему семейству кривых.
Вообще-то, кроме забот о свойствах пустого пространства, у Леметра была и другая, не менее интересная причина сохранить присутствие – я уже говорил о ней в главе 1. Эта причина имела прямое отношение к обитаемости Вселенной. Тщательно регулируя численное значение, Леметр мог теоретически сконструировать вселенную с большой продолжительностью эры очень медленного расширения, необходимой для того, чтобы в ней могли образоваться галактики, звезды и планеты. Такая «нерешительная» вселенная оказывается намного более благоприятной для жизни, чем многие другие ее версии, найденные Леметром. Она соответствует единственной почти горизонтальной траектории на рис. 1. (Однако если бы Леметр продолжил вычисления, он бы убедился, что даже эта вселенная в конце концов тоже начала бы ускоряться.)
Леметр и Эйнштейн продолжали ссориться из-за «маленькой лямбды» до конца жизни. Они так и не смогли прийти к согласию. Журналисты, выслеживавшие их во время прогулок по лужайкам Атенеума в Калтехе, писали о «маленькой овечке», которая бегает за ними повсюду, куда бы они ни пошли[67]. В более поздней переписке с Леметром на эту тему Эйнштейн признавался, что, если бы он «мог продемонстрировать, что действительно присутствует, это было бы очень важно»[68]. Это выглядело так, как будто Эйнштейн готов был пересмотреть роль пресловутого
Может быть, самая поразительная подробность диаграммы Леметра, приведенной на рис. 1, прячется в ее левом нижнем углу, где он отметил точку нулевого отсчета времени: t = 0.
Дело в том, что в первоначальном варианте 1927 года расширяющаяся Вселенная Леметра не имела начала. Он предполагал тогда, что Вселенная медленно и постепенно эволюционировала от состояния, близкого к статическому, которое она имела в бесконечно далеком прошлом. Но к 1929 году Леметр понял, что и в далеком прошлом этот сценарий очень напоминал эйнштейновскую иголку, балансирующую на острие, – и отбросил его в пользу другого, в котором у Вселенной было реальное начало. Для Леметра факт расширения Вселенной означал, что она должна была иметь прошлое, непредставимо отличающееся от ее настоящего. «Мы нуждаемся в полном пересмотре нашей космогонии, – настаивал он, – в теории космической эволюции, подобной фейерверку»[70].
Здесь Леметр зашел гораздо дальше, чем могла его завести даже теория Эйнштейна. Он увидел исток Вселенной в сверхтяжелом «первичном атоме», ослепительный распад которого привел к появлению того бескрайнего космоса, что мы сегодня видим. «Стоя на остывающем куске шлака, мы видим медленное угасание солнц и пытаемся восстановить в воображении исчезающий блеск рождения миров», – писал он в своей монографии «Гипотеза первичного атома» (L’Hypothèse de l’Atome Primitif). В поисках ископаемых остатков взрывного рождения Вселенной Леметр заинтересовался космическими лучами, в которых он видел нечто вроде ожидающих расшифровки иероглифов, хранящих рассеянную в пространстве информацию о древнем первичном огненном шаре. Уже в конце своей деятельности для более точных вычислений траекторий космических лучей Леметр купил на Всемирной выставке World Expo 1958 года в Брюсселе одну из первых электронных вычислительных машин, Burroughs E101. С помощью своих студентов он установил ее на чердаке физического факультета университета в Лёвене, основав тем самым первый в истории университетский вычислительный центр[71].
Однако хотя идея расширяющейся Вселенной получила широкое признание еще в начале 1930-х, любые разговоры о том, что Вселенная имела начало, встречались с огромным скепсисом. «Для меня представление о том, что нынешнее устройство Природы имело начало, выглядит просто отталкивающе, – заявлял Эддингтон. – Как ученый, я просто не верю, что Вселенная началась со взрыва. Как будто нечто неизвестное нам выделывает неизвестно что»[72].
ЛЕМЕТР УВИДЕЛ ИСТОК ВСЕЛЕННОЙ В СВЕРХТЯЖЕЛОМ «ПЕРВИЧНОМ АТОМЕ», ОСЛЕПИТЕЛЬНЫЙ РАСПАД КОТОРОГО ПРИВЕЛ К ПОЯВЛЕНИЮ ТОГО БЕСКРАЙНЕГО КОСМОСА, ЧТО МЫ СЕГОДНЯ ВИДИМ.
Эйнштейн тоже сперва отвергал идею начала мира. О точке нулевого отсчета времени в модели расширяющихся вселенных Леметра он думал так же, как и о сингулярности в центре шварцшильдовской сферической черной дыры, – как о странной особенности идеально симметричного и однородного расширения этих вселенных. Поскольку реальная Вселенная вовсе не идеально однородна, при попытке обратить процесс расширения вспять воспроизвести те же конфигурации не удастся, рассуждал он; значит, начало надо заменить циклами сжатия и расширения. В философском смысле это казалось ему гораздо более приемлемым. В 1957 году Леметр вспоминал об их беседе так: «Я снова встретился с Эйнштейном в Калифорнии – в Атенеуме, в кампусе Пасадены. Говоря о своих сомнениях в отношении неизбежности – при определенных условиях – начала Вселенной, Эйнштейн предложил упрощенную модель несферической Вселенной, для которой я без труда рассчитал тензор энергии и показал, что лазейка, с помощью которой Эйнштейн надеялся [избежать необходимости начала], не работает»[73]. По всей видимости, Леметр разделял чувства Эйнштейна по поводу неизбежности начала мира, отметив, что «с эстетической точки зрения эта идея неудачна. Представление о Вселенной, которая раз за разом расширяется и сокращается, обладает неотразимым поэтическим очарованием, заставляя вспомнить о легендарной птице Феникс»[74].
Но Вселенная такова, какова она есть. Невзирая на философские и эстетические предпочтения своих первопроходцев, релятивистская космология недвусмысленно указывала – и упорно продолжает это делать, – что начало у Вселенной все же было. Не будем, однако же, забывать, что нулевой отсчет времени в космологии Леметра, «день, у которого не было “вчера”», вновь образует в общей теории относительности сингулярность, в которой кривизна пространства-времени становится бесконечной, и вследствие этого уравнение Эйнштейна перестает работать. Так что забавным образом Большой взрыв для релятивистской космологии остается в той же степени краеугольным камнем, в какой и ахиллесовой пятой – неизбежностью, лежащей за пределами понимания.
Такое положение вещей вызывает глубочайшее смущение. Если само понятие времени обрело смысл с Большим взрывом, тогда все вопросы о том, что было до этого момента, оказываются лишенными смысла. Даже умозрительные предположения о том, что вызвало Большой взрыв, тоже выглядят неуместными – ведь причина должна предшествовать следствию, а значит, сама постановка вопроса предполагает некоторое представление о времени. Этот видимый крах основной идеи причинности в точке возникновения времени и составлял суть выступлений Эддингтона и Эйнштейна против Леметра. Их неприятие представления о реальном начале Вселенной коренилось в ощущении, что такое начало требовало вмешательства в естественный ход эволюции какого-то сверхъестественного посредника. И это ощущение становилось еще острее по мере того, как за последнее столетие появлялось все больше и больше доказательств происхождения Вселенной путем, поразительно способствующим эволюции жизни. Так что, оглядываясь назад, мы можем понять и простить одолевавшие Эддингтона и Эйнштейна подозрения!
Взгляды Эйнштейна и Эддингтона на проблемы, связанные с идеей начала Вселенной, уходили корнями в старый детерминизм, восходящий еще к Ньютону, детерминизм, с которым согласуется и классическая теория общей относительности Эйнштейна. В этой схеме любое начало требует начальных условий, имеющих те же степени свободы, что и Вселенная, которая из этих условий развивается. Вселенная, которая в ходе своей эволюции достигает некоторой степени сложности, требует, чтобы в нее были заложены начальные условия того же уровня сложности. А Вселенная, которая оказывается приспособленной для зарождения жизни, требует начальных условий, в которых закодирован тот же уровень потенциальной благоприятности для жизни. Все выглядит так, как будто для «запуска» нашей тонко настроенной биофильной Вселенной потребовался некий «акт божественного творения».
Но Леметр сделал гигантский шаг вперед от детерминизма. Он предложил разорвать цепь причин и следствий, приняв квантовую точку зрения на происхождение Вселенной. Свою позицию он изложил в, возможно, самом визионерском из своих текстов, «Начало мира с точки зрения квантовой теории», опубликованном в журнале Nature в мае 1931 года[75]. Исполненное космической поэзии письмо Леметра – один из самых дерзких научных текстов XX столетия. В нем всего лишь 457 слов, но его можно считать настоящей хартией космологии Большого взрыва. В своем письме Леметр утверждает – насколько мне известно, впервые, – что революции, произведенные теорией относительности и квантовой механикой глубоко взаимосвязаны, что изучение начала Вселенной должно быть частью науки, что оно управлялось физическими законами, которые мы можем установить, но что эти гипотетические законы потребуют объединения квантовой теории с теорией гравитации. Мы должны сплавить воедино теорию относительности и квантовую теорию, писал Леметр, так как первая предполагает возникновение Большого взрыва там, где вторая становится критически важной. Именно это объединение, как провидел Леметр, обеспечит настолько мощный и глубокий синтез знаний, что он введет вопрос о происхождении Вселенной в рамки естественных наук. Эти мысли оказались провидческими: сегодня физики постоянно говорят, что Большой взрыв был высшей формой квантового эксперимента.
Квантовая теория пропитывает физику неизбежным элементом неопределенности и «размытости». Леметр предполагал, что в экстремальных условиях самых ранних стадий Вселенной даже пространство и время сделались бы неопределенно-размытыми. «Понятия пространства и времени в самом начале вообще не имели бы какого-либо значения, – писал он в своем “манифесте Большого взрыва”. – Пространство и время начали бы иметь какой-то реальный смысл только, когда исходный “квант” разделился бы на достаточное количество настоящих квантов». И загадочно добавлял: «Если это предположение верно, то начало мира случилось чуть раньше начала пространства и времени».
Поделиться книгой: