Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

Землю, сопровождающее его излучение может убить все живое на нашей планете. Так, недавно было высказано предположение, что вымирание морских организмов, которое произошло около двух миллионов лет назад между плейстоценом и плиоценом, могло быть вызвано космическим излучением от сверхновой, вспыхнувшей в расположенном поблизости скоплении звезд под названием ассоциация Скорпиона-Центавра. Некоторые ученые считают, что высшие формы жизни могут возникнуть только в тех местах галактик, где не слишком много звезд, – в так называемых зонах жизни, потому что в областях с большей плотностью звезд такие явления, как вспышки сверхновых, происходят слишком часто, каждый раз сводя на нет результаты начавшейся эволюции. В среднем каждый день во Вселенной взрываются сотни тысяч сверхновых. В каждой конкретной галактике сверхновые взрываются в среднем раз в столетие. Но это в среднем. К сожалению – во всяком случае для астрономов – последний раз вспышку сверхновой в Млечном Пути наблюдали 1604 году, то есть еще до изобретения телескопа.

Главный кандидат на следующую вспышку сверхновой в нашей Галактике – звезда Ро Кассиопеи. К счастью, она находится на безопасном для нас расстоянии в десять тысяч световых лет. Ро Кассиопеи – так называемый голубой гипергигант – одна из семи известных звезд этого типа в нашей Галактике. Группа астрономов из разных стран начала исследовать эту звезду в 1993 году и на протяжении последующих нескольких лет наблюдала у нее периодические флуктуации температуры в пределах нескольких сотен градусов. Потом, летом 2000 года температура звезды внезапно упала примерно с 7000 до 4000°С. В это время астрономы обнаружили в атмосфере звезды оксид титана, который считается частью внешней оболочки, выброшенной исходившей от звезды мощной ударной волной.

При вспышке сверхновой часть тяжелых элементов, образовавшихся в конце жизни звезды, выбрасывается обратно в Галактику и обеспечивают сырье для следующего поколения звезд. Наше Солнце содержит около 2 % таких тяжелых элементов и является звездой второго или третьего поколения, которая образовалась примерно 5 миллиардов лет назад из вращающегося газового облака. Газ в основном пошел на образование Солнца или был выброшен в межзвездное пространство, но небольшая его часть собралась в сгустки, из которых образовались тела, что сейчас обращаются вокруг Солнца в виде планет, например нашей Земли. Золото драгоценностей и уран в ядерных реакторах – это все остатки взрывов сверхновых, которые произошли еще до рождения нашей Солнечной системы!

Только что сконденсировавшаяся Земля была горячей и не имела атмосферы. Со временем наша планета остыла, и в результате выхода на поверхность газов из горных пород у нее образовалась атмосфера. Мы бы не выжили в первичной атмосфере Земли. В ней не было кислорода и при этом было много других, ядовитых газов, таких как сероводород (именно им пахнут протухшие яйца). Правда, некоторые примитивные формы жизни могут вполне хорошо существовать при таких условиях. Считается, что они возникли и развились в океане – возможно, в результате случайных комбинаций атомов, из которых образовались большие структуры – так называемые макромолекулы, способные обеспечить дальнейшую сборку других атомов в океане в подобные же структуры. Таким образом, они стали воспроизводиться и размножаться. В некоторых случаях такое воспроизведение неизбежно сопровождалось ошибками. В большинстве случаев в результате ошибок макромолекула теряла способность самовоспроизводиться и рано или поздно оказывалась разрушенной, но в результате некоторых ошибок синтезировались новые макромолекулы, которые оказывались в состоянии еще лучше воспроизводить себя. Это давало им определенные преимущества, и они со временем пришли на смену исходным макромолекулам. Таким образом начался процесс эволюции, который привел к возникновению все более сложных самовоспроизводящихся организмов. Первые примитивные формы жизни питались разными веществами, включая сероводород, и выделяли кислород. В результате этого процесса состав атмосферы постепенно менялся, приближаясь к современному, при котором стало возможным развитие более высокоорганизованных форм жизни, таких как рыбы, пресмыкающиеся, млекопитающие, и, в конце концов, человек.

В XX веке наше представление о Вселенной изменилось: мы осознали, насколько незначительное место занимает наша родная планета в бескрайних просторах Вселенной, и открыли, что время и пространство неотделимы друг от друга, что Вселенная расширяется и что у нее было начало во времени.

Представление об исходно горячей Вселенной, которая потом остывала по мере своего расширения, основано на эйнштейновской теории тяготения, то есть общей теории относительности. Согласие этой теории со всеми имеющимися наблюдениями – грандиозный триумф теории. Но поскольку математика не может оперировать бесконечными числами[10], то сам вывод о рождении Вселенной в результате Большого взрыва, когда плотность и кривизна пространства-времени были бесконечными, означает, что общая теория относительности предсказывает существование точки во Вселенной, где сама эта теория уже не имеет силы. Это пример того, что математики называют сингулярностью. Возникновение в теории сингулярности вроде состояния бесконечной плотности и кривизны означает, что теория нуждается в корректировке. Общая теория относительности неполна, потому что не может сказать, как начиналась Вселенная.

В XX веке родилась еще одна частная теория природы – квантовая механика. Она имеет дело с явлениями, которые происходят на очень малых масштабах. Из нашей модели Большого взрыва следует, что в ранней Вселенной был момент, когда она была настолько малой, что даже исследование ее крупномасштабной структуры было невозможно без учета эффектов квантовой механики. Как будет видно в следующей главе, главные надежды на достижение абсолютного понимания Вселенной, от ее начала и до конца, связаны с объединением этих двух частных случаев в единую квантовую теорию гравитации, где обычные законы природы должны быть справедливы везде, в том числе и в начале времен, и где удастся избежать сингулярностей.

Глава 9. Квантовая гравитация

Под впечатлением от успеха научных теорий и в особенности от ньютоновской теории тяготения Маркиз де Лаплас в начале XIX века решил, что Вселенная полностью детерминирована. Лаплас считал, что существует набор научных законов, с помощью которых мы, во всяком случае в принципе, должны быть в состоянии предсказать все, что когда-либо будет происходить во Вселенной. Единственное, что требуется в дополнение к этим законам, – это полное описание состояния Вселенной на какой-то момент времени. Это называется начальными, или граничными условиями. (Граница может означать границу в пространстве или времени; граничные условия в пространстве – это состояние Вселенной на внешней границе, если таковая у нее есть.) Лаплас считал, что, имея полный набор законов природы и соответствующие начальные или граничные условия, мы должны быть в состоянии рассчитать полное состояние Вселенной на любой момент времени.

Обязательное знание начальных условий интуитивно понятно – разные современные состояния, очевидно, приводят к разным состояниям в будущем. Необходимость знания граничных условий в пространстве несколько более