Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

который ищет свой ключ под фонарным столбом: может, он и не там потерял его, но это единственное место, где он надеется его найти. Состояние Вселенной не обязано определяться суммой только несингулярных предысторий, но мы выбираем именно такое состояние, потому что только для него существует научное обоснование Вселенной.

В 1983 году мы с Джимом Хартлом предложили, чтобы состояние Вселенной задавалось суммой предысторий определенного класса. Этот класс состоял из искривленных пространств без сингулярностей, ограниченного размера, не имеющих границ или краев. Такие пространства напоминают поверхность Земли, но с двумя дополнительными измерениями. Поверхность Земли имеет ограниченную площадь, но на ней нет ни сингулярностей, ни границы, ни края. Я утверждаю это со знанием дела. Я объехал вокруг земного шара и нигде не свалился с него.

Предложение, которое выдвинули мы с Хартлом, можно перефразировать так: граничное условие для Вселенной заключается в том, что она не имеет границ. Только в том случае, если Вселенная находится в этом безграничном состоянии, научные законы смогут определять вероятности всех возможных предысторий. И только в этом случае известные нам законы будут определять поведение Вселенной. Если же Вселенная находится в любом другом состоянии, класс искривленных пространств в сумме предысторий будет включать пространства с сингулярностями. И для определения вероятностей таких сингулярных предысторий нам придется привлекать некий принцип, выходящий за пределы известных науке законов. Этот принцип определяется чем-то внешним по отношению к нашей Вселенной. Он не может быть выведен исходя из того, что существует внутри нее. С другой стороны, если Вселенная находится в безграничном состоянии (в том смысле, в котором мы говорили), мы можем, в принципе, полностью определить поведение Вселенной, вплоть до границ применения принципа неопределенности.

Конечно, с точки зрения науки было бы превосходно иметь Вселенную в таком безграничном состоянии, но как мы можем быть уверены в этом? Ответ заключается в том, что в условии об отсутствии границ содержатся некие следствия, предсказывающие, как должна вести себя Вселенная. Если эти предсказания не будут согласовываться с наблюдениями, мы сможем сделать вывод, что Вселенная не находится в безграничном состоянии. Таким образом, условие об отсутствии границ – это хорошее научное предположение в смысле подхода, сформулированного Карлом Поппером: оно может быть опровергнуто наблюдениями.

Если наблюдения не будут согласовываться с предсказаниями, мы узнаем, что класс возможных предысторий должен содержать сингулярности. Но это практически все, что мы сможем узнать. Мы не сможем рассчитать вероятности предысторий с сингулярностями; поэтому мы не сможем предсказывать события во Вселенной. Кто-то может сказать, что сингулярная непредсказуемость не так уж и важна, раз это касается только Большого взрыва; в конце концов, это было порядка десяти или двадцати миллиардов лет тому назад. Но если мы ничего не можем сказать о событиях, происшедших в очень сильных гравитационных полях при Большом взрыве, мы также не можем предсказывать события, происходящие при коллапсе звезд. Только в нашей галактике звезды могут коллапсировать по несколько раз в неделю. Даже наши предсказатели погоды порой справляются со своей работой лучше.

Опять-таки, кто-то может сказать: какое нам дело до того, что происходит на далеких звездах? Но все дело в том, что у квантовой теории есть одно свойство: все, что не запрещено, может произойти и когда-нибудь произойдет. Таким образом, если класс возможных предысторий включает в себя пространства с сингулярностями, эти сингулярности могут случиться где угодно, не только при Большом взрыве и не только в коллапсирующих звездах. И это будет означать, что мы вообще ничего не можем предсказать. И наоборот, тот факт, что мы обладаем способностью предсказывать события, является экспериментальным свидетельством того, что сингулярностей нет, а условие об отсутствии границ соблюдается.

Так что же означает для Вселенной соблюдение условия об отсутствии границ? Поскольку все возможные предыстории для Вселенной в этом случае ограничены по протяженности, любая величина, используемая для измерения времени, будет иметь наибольшую и наименьшую величину. Таким образом, Вселенная будет иметь начало и конец. Началом в реальном времени будет являться сингулярность Большого взрыва. Но в воображаемом времени начало вовсе не будет сингулярностью. Это будет нечто вроде Северного полюса для Земли. Можно провести аналогию и сказать, что земная поверхность начинается на Северном полюсе, потому что там широта равна нулю. Хотя Северный полюс – самая обычная точка на Земле. Там нет ничего особенного, и на Северном полюсе действуют те же законы, что и по всей Земле. Аналогично этому событие, которое мы можем окрестить «началом Вселенной в воображаемом времени», будет совершенно обыкновенной точкой пространства-времени, такой же, как и остальные. Научные законы будут действовать в «начале» так же, как и везде.

По аналогии с поверхностью Земли можно ожидать, что конец Вселенной будет похож на начало так же, как Северный полюс Земли похож на ее Южный полюс. Однако Северный полюс и Южный полюс соответствуют началу и концу Вселенной в воображаемом времени, но не в реальном времени, в котором мы живем. Если мы проэкстраполируем результаты суммирования по предысториям из воображаемого времени в реальное время, мы найдем, что начало Вселенной в реальном времени может сильно отличаться от конца.

Мы с Джонатаном Холлиуэллом выполнили приблизительные расчеты того, что подразумевает условие отсутствия границ. Мы рассмотрели Вселенную как совершенно гладкий и однородный фон с небольшими возмущениями плотности. В реальном времени показалось бы, что Вселенная начинает свое расширение с очень маленького радиуса. Вначале расширение напоминало бы инфляцию, т. е. Вселенная удваивалась бы в размерах каждую мельчайшую долю секунды, так же, как каждый год удваиваются цены в некоторых странах. Мировым рекордсменом экономической инфляции являлась, наверное, Германия после Первой мировой войны, когда цена буханки хлеба взлетела с нескольких пфеннигов до нескольких миллионов марок за несколько месяцев. Но даже это ничто по сравнению с инфляцией, которая, по-видимому, имела место в ранней Вселенной, которая за мельчайшую долю секунды составляла миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз. Конечно, это было до нынешнего правительства.

Инфляция оказалась хороша тем, что она привела к появлению Вселенной, гладкой и однородной на больших масштабах и расширяющейся с такой скоростью, чтобы избежать повторного сжатия. Инфляция была хороша еще тем, что она создала Вселенную со всем ее содержимым буквально из ничего. Когда Вселенная была точкой, как Северный полюс, в ней ничего не было. А теперь в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать, содержится по крайней мере 1080 частиц. Откуда взялись все эти частицы? Ответ заключается в том, что теория относительности и квантовая механика допускают рождение материи из энергии в виде пар частица-античастица. А откуда