Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

Хотя нам кажется, что мы знаем подходящие законы, которым подчиняется Вселенная, вряд ли мы в состоянии пользоваться ими для предсказания будущего. Все дело в том, что в решениях уравнений физики проявляется такое свойство, как хаос. Это означает, что решения могут быть нестабильными: если внести небольшое изменение в систему, то все ее дальнейшее поведение весьма скоро может стать совершенно иным. Например, если вы слегка измените вращение колеса рулетки, цифры окажутся другими. Практически невозможно предсказать, какое число выпадет; в противном случае физики зарабатывали бы бешеные деньги в казино.

В нестабильных и хаотических системах всегда существует шкала времени, на которой небольшое изменение, внесенное в начальное состояние, вырастет в два раза. В земной атмосфере эта шкала времени соответствует примерно пяти дням; в течение этого времени воздушные массы облетают вокруг земного шара. Поэтому можно делать относительно точные прогнозы погоды на пять дней. Но предсказывать погоду на более длительный срок – неблагодарный труд, потому что он требует очень точного знания текущего состояния атмосферы и невероятно сложных вычислений. Не существует способа предсказания погоды на полгода вперед. Можно только привести средние данные сезонных наблюдений за несколько лет.

Мы также знаем основные законы химии и биологии, так что в принципе мы можем понять, как работает мозг. Но уравнения, описывающие деятельность мозга, почти наверняка ведут себя хаотически, в том смысле, что очень маленькое изменение первоначального состояния может привести к совершенно неожиданным результатам. Таким образом, на практике мы не можем предсказать поведение человека, даже если мы знаем уравнения, которые этим поведением управляют. Наука не способна предсказать будущее человеческого общества и имеется ли это будущее вообще. Опасность заключается в том, что силы, имеющиеся в нашем распоряжении, с помощью которых мы можем нанести ущерб окружающей среде или друг другу, умножаются куда быстрее, чем наши мудрость и дальновидность.

Вселенную будет мало заботить любой исход событий на нашей планете. В течение длительного времени движение планет по орбитам вокруг Солнца будет меняться. Это означает, что ошибки в предсказаниях будут становиться грубее с течением времени. Спустя какое-то время станет невозможно предсказывать детали движения. Мы можем быть совершенно уверены, что в обозримом будущем Земля не столкнется с Венерой. Но мы не можем знать наверняка, что небольшие возмущения орбит не приведут к такому столкновению, например, через миллиард лет. Движение Солнца и других звезд вокруг центра Галактики и Галактики в местной группе галактик также не поддается точному прогнозу. Мы наблюдаем, что другие галактики удаляются от нас, и чем дальше, тем быстрее. Это означает, что Вселенная в ближайших окрестностях расширяется: расстояния между разными галактиками со временем растут.

Наблюдения космического фона микроволнового излучения показывают, что это расширение гладкое и не хаотичное. Вы сами можете зафиксировать это излучение, настроив телевизионный приемник на пустой канал. Вы увидите на экране мелькание маленьких штрихов. Это и есть микроволновое излучение, приходящее из-за пределов Солнечной системы. Такое же излучение, только гораздо более сильное, возникает, когда вы включаете микроволновку. Космический микроволновой фон способен разогреть вашу еду всего лишь до 2,7 градуса выше абсолютного нуля, т. е. разогреть заказанную в ресторане пиццу с его помощью не получится. Полагают, что это излучение блуждает во Вселенной с тех пор, как закончилась ее ранняя горячая стадия. Самое удивительное то, что излучение это практически однородно во всех направлениях. Космическая обсерватория COBE[51] очень точно измерила микроволновой фон. На основании измерений фона была составлена карта неба, показывающая, как меняется температура излучения, приходящего с разных направлений. Изменения температуры оказались очень малы: они составляют не более одной стотысячной от некоторой средней величины. Различия в микроволновом фоне на разных направлениях понятны, ведь Вселенная не является совершенно гладкой. Имеются локальные неоднородности: звезды, галактики, скопления галактик. Но эти вариации микроволнового излучения минимальны, они соответствуют незначительным неоднородностям в виде отдельных космических тел, возникших на фоне космической пустоты. Подумать только, 99 тысяч из 100 – именно это число выражает степень однородности микроволнового фона.

В древние времена люди полагали, что Земля находится в центре Вселенной. Они бы не удивились, узнав, что фон везде одинаковый. Усилиями Коперника мы и наш дом были разжалованы до заурядной планетки, вращающейся вокруг весьма средней звезды на краю типичной галактики – одной из сотен миллиардов галактик, которые мы наблюдаем на небе. Наше положение настолько скромно, что мы не можем претендовать на какое-либо особое место во Вселенной. Поэтому нам остается признать, что фон также одинаков в любом направлении рядом с любой галактикой. Это возможно только в том случае, если средняя плотность Вселенной и скорость ее расширения одинаковы везде. Любое отклонение в средней плотности или скорости расширения привело бы к различиям микроволнового фона, наблюдаемого на разных направлениях. Это означает, что в очень больших масштабах поведение Вселенной является достаточно простым и совсем не хаотическим. Следовательно, его можно предсказать на длительный срок вперед.

Так как расширение Вселенной такое однородное, его можно описать с помощью одного параметра, а именно расстояния между двумя галактиками. В настоящее время оно увеличивается, но можно ожидать, что гравитационное притяжение между разными галактиками будет замедлять скорость расширения. Если плотность Вселенной превышает определенную критическую величину, гравитационное притяжение в конце концов остановит расширение и заставит Вселенную снова сжиматься. Вселенная схлопнется с Большим хрустом…[52] Это будет нечто подобное Большому взрыву, с которого началась Вселенная. Большой хруст ознаменует то, что называется сингулярностью, т. е. такое состояние бесконечной плотности, в котором законы физики работать не будут. Даже если произойдут какие-либо события после этого Большого хлопка, предсказать их будет невозможно. Но если отсутствует причинно-следственная связь между событиями, то бессмысленно говорить о том, какое из них произошло раньше. С таким же успехом можно сказать, что наша Вселенная закончит свое существование при Большом хлопке, а любые события, которые произойдут далее, будут событиями другой, отдельной вселенной. Это чем-то напоминает реинкарнацию. Какой смысл говорить, что новорожденный младенец появился вместо кого-то, ранее жившего, если ребенок не унаследовал качества характера и память из своей предыдущей жизни? Вполне можно сказать, что это совсем другой индивидуум.

Если средняя плотность Вселенной меньше критической величины, Вселенная не будет схлопываться, а будет расширяться вечно. Пройдет какое-то время, и плотность станет настолько малой, что гравитационное притяжение не будет оказывать существенного влияния на замедление расширения[53]. Галактики продолжат разбегаться с постоянной скоростью.

Таким образом, ключевой вопрос для будущего Вселенной таков: какова ее средняя плотность? Если она меньше критической, Вселенная будет расширяться вечно. Но если