Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Хокинг

Вы можете представлять обычное, реальное время горизонтальной линией, идущей слева направо. Ранние времена слева, поздние справа. Но вы можете представить другое направление времени – вверх и вниз. Это так называемое мнимое направление времени, под прямым углом к реальному времени.

Какова главная причина введения понятия мнимого времени? Почему бы не придерживаться обычного, реального времени, которое нам известно? Причина в том, как отмечалось ранее, что материя и энергия стремятся заставить пространство-время искривляться внутрь себя. В направлении реального времени это неизбежно ведет к сингулярностям – местам, где пространство-время приходит к своему концу. В сингулярностях физические законы не определены, поэтому нельзя предсказать, что произойдет. Но направление мнимого времени перпендикулярно реальному. Это означает, что оно ведет себя схоже по отношению к трем измерениям, соответствующим движению в пространстве. Искривление пространства-времени, вызванное материей Вселенной, может привести к тому, что три пространственных измерения и направление мнимого времени снова встретятся по другую сторону. Они образуют замкнутую поверхность, подобную поверхности Земли. Три направления пространства и одно мнимого времени образуют пространство-время, замкнутое в себе, без границ и краев. Оно не будет иметь точки, которую можно было бы назвать началом или концом, как не имеет начала и конца земная поверхность.

В 1983 году Джим Хартл и я предложили не брать сумму историй Вселенной в реальном времени, а складывать истории во мнимом времени, где они замыкаются наподобие земной поверхности. Поскольку эти истории не имеют никаких сингулярностей и у них нет начала и конца, происходящее в них будет полностью определяться физическими законами. Это означает, что все происшедшее во мнимом времени можно рассчитать. А если вы знаете историю Вселенной во мнимом времени, то можете рассчитать ее поведение и в реальном времени. Таким образом, есть надежда достичь завершенной полной теории, предсказывающей всё во Вселенной. Эйнштейн провел последние годы своей жизни в поисках такой теории, но не нашел ее, потому что не доверял квантовой механике. Он был не готов признать, что Вселенная может иметь много альтернативных историй. Мы до сих пор не знаем, как должным образом просуммировать все истории Вселенной, но мы можем быть в достаточной степени уверены, что суммирование возьмет на вооружение мнимое время и идею о том, что пространство-время замыкается в себе. Думаю, эти концепции приведут к тому, что новое поколение воспримет эту идею так же естественно, как идею о круглой Земле. В научной фантастике мнимое время уже стало общим местом. Но это не просто научная фантастика или математический трюк. Это – нечто формирующее Вселенную, в которой мы живем.

Вопрос о происхождении Вселенной немного схож с самой древней проблемой: что появилось сначала – курица или яйцо? Другими словами, какая сила создала Вселенную и что создало эту силу? Или, возможно, Вселенная или создавшая ее сила существовали всегда и не нуждались в создании? До недавнего времени ученые сторонились этих вопросов, чувствуя, что они относятся скорее к метафизике или религии, чем к науке. Однако в последние несколько лет получилось так, что научные законы могут охватить даже возникновение Вселенной. В таком случае Вселенная может быть самодостаточной и полностью определяться научными законами.

Споры о том, возникла ли Вселенная когда-то и как она возникла, проходят через всю зафиксированную историю. Существовало две основные школы мышления. Многие ранние традиции, а также иудейская, христианская и мусульманская религии утверждали, что Вселенная была создана в сравнительно недалеком прошлом (в XVII веке епископ Ашер вычислил дату создания Вселенной – 4004 г. до н. э.; он пришел к этой цифре путем сложения возраста персонажей Ветхого Завета). Одним из фактов, взятых им для обоснования идеи о недавнем происхождении Вселенной, было признание того, что человечество очевидно развивается в культуре и технике. Мы помним, кто первым выполнил такое-то действие или развил такой-то метод. Таким образом, утверждается, мы не могли активно развиваться все время, иначе мы бы уже продвинулись гораздо дальше, чем продвинулись на самом деле.

С другой стороны, были и такие люди, как греческий философ Аристотель, которым не нравилась мысль, что Вселенная когда-то возникла. Они чувствовали, что это подразумевает божественное вмешательство, и предпочитали верить, что Вселенная существовала всегда и будет существовать всегда. Существующее вечно совершеннее того, что пришлось создать. У них был ответ на приведенный выше аргумент о человеческом прогрессе: наводнения и другие природные катаклизмы периодически отбрасывали человечество назад, к началу.

Общим было то мнение, что со временем Вселенная существенно не меняется. Или она была создана в том виде, как есть сейчас, или просто всегда была такой. Так считать было естественно, поскольку человеческая жизнь коротка и между рождением и смертью Вселенная значительно не изменялась. В статической, неизменной Вселенной вопрос о том, существовала она всегда или была создана конечное время назад, важен для метафизики и религии – обе могут заняться такой Вселенной. В самом деле, в 1781 году философ Иммануил Кант написал монументальный и весьма туманный труд «Критика чистого разума», в котором заключил, что есть равно здравые аргументы как в пользу того, что Вселенная имеет начало, так и того, что начала у нее нет. Как предполагает название, его умозаключения основывались на «чистом разуме» – другими словами, никакие наблюдения Вселенной в расчет не принимались[17]. В конце концов, что наблюдать в неизменной Вселенной?

Однако в XIX веке стали накапливаться свидетельства, что Земля и остальная Вселенная в действительности со временем изменяются. Геологи поняли, что формации скал и окаменелости насчитывают сотни и тысячи миллионов лет. Это значительно превосходило расчеты сторонников сотворения мира. Дальнейшие свидетельства поступили от так называемого второго закона термодинамики, сформулированного немецким физиком Людвигом Больцманом. Этот закон утверждает, что общее количество беспорядка во Вселенной (эту величину называют энтропией) со временем только возрастает. Это, как и аргумент насчет прогресса человечества, предполагает, что Вселенная развивается лишь какое-то конечное время. Иначе она бы уже деградировала до состояния полного беспорядка, где все имело бы одну и ту же температуру.

Другая проблема в идее о статической Вселенной заключалась в том, что, согласно Ньютонову закону тяготения, каждая звезда во Вселенной должна притягиваться ко всем другим. А если так, как же они могут оставаться неподвижными, на постоянном расстоянии друг от друга? Не должны ли они собраться все вместе?

Ньютон осознавал эту проблему. В письме Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, он согласился, что конечное число звезд не может оставаться неподвижным, – они все притянулись бы к какой-то центральной точке. Однако, возразил он, бесконечное число звезд не собралось бы вместе, поскольку для них нет никакой центральной точки. Этот аргумент служит примером того, сколько ловушек можно встретить, говоря о бесконечных системах. Пробуя по-разному приложить к каждой звезде силы от бесконечного числа остальных звезд во Вселенной, можно получить разные ответы на вопрос, могут ли звезды оставаться на постоянном расстоянии друг от друга. Теперь мы знаем, что правильно будет рассмотреть случай конечной области звезд, а затем добавлять другие, распределенные приблизительно равномерно за пределами этой области. Конечное число звезд, согласно закону Ньютона, соберется вместе, и добавление других звезд за пределами области не остановит коллапса. Таким образом, бесконечное число звезд не может оставаться неподвижным. Если они хоть на мгновение остановятся относительно друг друга, взаимное притяжение заставит их начать падать друг на друга. Или же они могут двигаться друг от друга, и сила притяжения замедляет скорость их удаления.