НашепредставлениеоВселенной

Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр

 

 

СтивенХокингКРАТКАЯИСТОРИЯВРЕМЕНИОТБОЛЬШОГОВЗРЫВАДОЧЕРНЫХДЫР

 

 

Библиотека сайта ***Знания‐сила***https://znaniya‐sila.narod.ru

 

Stephen W. Hawking. A Brief History of Time From the Big Bang to Black Holes

 

Оглавление

Благодарности

Предисловие

1. НашепредставлениеоВселенной

2. Пространствоивремя

3. РасширяющаясяВселенная

4. Принципнеопределенности

5. Элементарныечастицыисилывприроде

6. Черныедыры

7. Черныедырынетакужчерны

8. РождениеигибельВселенной

9. Стрелавремени

10. Объединениефизики

11. ЗаключениеАльбертЭйнштейнГалилеоГалилейИсаакНьютон

СловарьтерминовПослесловие

 

Благодарности

 

КнигапосвящаетсяДжейн

Ярешилпопробоватьнаписатьпопулярнуюкнигуопространствеивременипослетого, какпрочиталв 1982 г. курсЛёбовскихлекцийвГарварде. Тогдаужебылонемалокниг, посвященныхраннейВселеннойичернымдырам, какоченьхороших, напримеркнигаСтивенаВайнберга «Первыетриминуты», такиоченьплохих, которыездесьнезачемназывать. Номнеказалось, чтониводнойизнихфактическинезатрагиваютсятевопросы, которыепобудилименязанятьсяизучениемкосмологиииквантовойтеории: откудавзяласьВселенная? какипочемуонавозникла? придетлиейконец, аеслипридет, токак? Этивопросыинтересуютвсехнас. Носовременнаянаукаоченьнасыщенаматематикой, илишьнемногочисленныеспециалистыдостаточновладеютпоследней, чтобыразобратьсявэтом. ОднакоосновныепредставленияорожденииидальнейшейсудьбеВселеннойможноизложитьибезпомощиматематикитак, чтоонистанутпонятныдажелюдям, неполучившимнаучногообразования. Этояипыталсясделатьвмоейкниге. Читателюсудитьотом, насколькояпреуспел.

Мнесказали, чтокаждаявключеннаявкнигуформулавдвоеуменьшитчислопокупателей. Тогдаярешилвообщеобходитьсябезформул. Правда, вконцеявсе-такинаписалодноуравнение – знаменитоеуравнениеЭйнштейнаЕ=mc^2. Надеюсь, ононеотпугнетполовинумоихпотенциальныхчитателей.

 

Еслинесчитатьтого, чтоязаболелбоковымамиотрофическимсклерозом, топочтивовсемостальноммнесопутствовалаудача. Помощьиподдержка, которыемнеоказывалимояженаДжейнидетиРоберт, ЛюсииТимоти, обеспечилимневозможностьвестидовольно-такинормальныйобразжизниидобитьсяуспеховвработе. Мнеповезлоивтом, чтоявыбралтеоретическуюфизику, ибоонавсявмещаетсявголове. Поэтомумояфизическаянемощьнесталасерьезнымминусом. Моинаучныеколлеги, всебезисключения, оказывалимневсегдамаксимальноесодействие.

Напервом, «классическом» этапемоейработымоимиближайшимипомощникамиисотрудникамибылиРоджерПенроуз, РобертГерок, БрендонКартериДжорджЭллис. Яблагодаренимзапомощьизасовместнуюработу. Этотэтапзавершилсяизданиемкниги «Крупномасштабнаяструктурапространства-времени», которуюмысЭллисомнаписалив

1973 г. (ХокингС., ЭллисДж. Крупномасштабнаяструктурапpoстранства-времени. M.: Мир, 1976).

Ябынесоветовалчитающимследующиедалеестраницыобращатьсякнейзадополнительнойинформацией: онаперегруженаматематикойитяжеладлячтения. Надеюсь, чтостехпорянаучилсяписатьболеедоступно.

Навтором, «квантовом» этапемоейработы, начавшемсяв 1974 г., явосновномработалсГариГиббонсом, ДономПэйджемиДжимомХартлом. Яоченьмногимимобязан, какисвоимаспирантам, которыеоказывалимнеогромнуюпомощьив «физическом», ив «теоретическом» смыслеэтогослова. Необходимостьнеотставатьотаспирантовбылачрезвычайноважнымстимуломи, какмнекажется, непозволяламнезастрятьвболоте.

ВработенадкнигоймнеоченьмногопомогалБрайенУитт, одинизмоихстудентов. В

Библиотека сайта ***Знания‐сила***

1985 г., набросавпервый, примерныйпланкниги, язаболелвоспалениемлегких. Пришлосьлечьнаоперацию, ипослетрахеотомиияпересталговорить, атемсамымпочтилишилсявозможностиобщаться. Ядумал, чтонесмогузакончитькнигу. НоБрайеннстолькопомогмнееепереработать, ноинаучилпользоватьсякомпьютернойпрограммойобщения Living Center, которуюмнеподарилУолтУолтош, сотрудникфирмы Words Plus, Inc., Саннивейл (шт. Калифорния). Сеепомощьюямогуписатькнигиистатьи, атакжеразговариватьслюдьмипосредствомсинтезатораречи, подаренногомнедругойсаннивейлскойфирмой Speech Plus. ДэвидМэйсонустановилнамоемкресле-коляскеэтотсинтезаторинебольшойперсональныйкомпьютер. Такаясистемавсеизменила: мнесталодажелегчеобщаться, чемдотогокакяпотерялголос.

Многимизтех, ктоознакомилсяспредварительнымивариантамикниги, яблагодарензасоветы, касающиесятого, какееможнобылобыулучшить. Так, ПетерГаззарди, мойредакториздательства Bantam Books, слалмнеписьмозаписьмомсзамечаниямиивопросамипотемместам, которые, поегомнению, былиплохообъяснены. Признаться, ябылсильнораздражен, получивогромныйсписокрекомендуемыхисправлений, ноГаззардиоказалсясовершенноправ. Яуверен, книгасталалучшеблагодарятому, чтоГаззардитыкалменяносомвошибки.

ЯвыражаюглубокуюблагодарностьмоимпомощникамКолинуУилльямсу, ДэвидуТомасуиРэймондуЛэфлемму, моимсекретарямДжудиФелле, ЭннРальф, ШерилБиллингтониСьюМэйсиимоиммедсестрам. Ябыничегонесмогдостичь, еслибывсерасходынанаучныеисследованияинеобходимуюмедицинскуюпомощьневзялинасебяГонвилл-энд-Кайюс-колледж, СоветпонаучнымитехническимисследованиямифондыЛеверхулма, Мак-Артура, НуффилдаиРальфаСмита. Всемимяоченьблагодарен.

 

 

СтивенХокинг. 20 октября 1987 г.

 

Предисловие

 

Мыживем, почтиничегонепонимаявустройствемира. Незадумываемсянадтем, какоймеханизмпорождаетсолнечныйсвет, которыйобеспечиваетнашесуществование, недумаемогравитации, котораяудерживаетнаснаЗемле, недаваяейсброситьнасвпространство. Наснеинтересуютатомы, изкоторыхмысостоимиотустойчивостикоторыхмысамисущественнымобразомзависим. Заисключениемдетей (которыеещеслишкоммалознают, чтобынезадаватьтакиесерьезныевопросы), малоктоломаетголовунадтем, почемуприродатакова, каковаонаесть, откудапоявилсякосмосинесуществоваллионвсегда? неможетливремяоднаждыповернутьвспять, такчтоследствиебудетпредшествоватьпричине? естьлинепреодолимыйпределчеловеческогопознания? Бываютдажетакиедети (яихвстречал), которымхочетсязнать, каквыглядитчернаядыра, каковасамаямаленькаячастичкавещества? почемумыпомнимпрошлоеинепомнимбудущее? еслираньшеиправдабылхаос, токакполучилось, чтотеперьустановилсявидимыйпорядок? ипочемуВселеннаявообщесуществует?

Внашемобществепринято, чтородителииучителявответнаэтивопросыбольшейчастьюпожимаютплечамиилипризываютнапомощьсмутносохранившиесявпамятиссылкинарелигиозныелегенды. Некоторымненравятсятакиетемы, потомучтовнихживообнаруживаетсяузостьчеловеческогопонимания.

Норазвитиефилософиииестественныхнаукпродвигалосьвпередвосновномблагодаряподобнымвопросам. Всебольшевзрослыхлюдейпроявляюткниминтерес, иответыиногдабываютсовершеннонеожиданнымидляних. Отличаясьпомасштабамкакотатомов, такиотзвезд, мыраздвигаемгоризонтыисследований, чтобыохватитькакоченьмаленькие, такиоченьбольшиеобъекты.

Весной 1974 г., примернозадвагодадотого, каккосмическийаппарат «Викинг» достигповерхностиМарса, ябылвАнглиинаконференции, организованнойЛондонскимкоролевскимобществомипосвященнойвозможностямпоискавнеземныхцивилизаций. Вовремяперерыванакофеяобратилвниманиенагораздоболеемноголюдноесобрание, проходившеевсоседнемзале, иизлюбопытствавошелтуда. Такясталсвидетелемдавнегоритуала – приемановыхчленоввКоролевскоеобщество, котороеявляетсяоднимизстарейшихнапланетеобъединенийученых. Впередимолодойчеловек, сидевшийвинвалидномкресле, оченьмедленновыводилсвоеимявкниге, предыдущиестраницыкоторойхранилиподписьИсаакаНьютона. Когдаон, наконец, кончилрасписываться, залразразилсяовацией. СтивенХокингужетогдабыллегендой.

 

 

СейчасХокингвКембриджскомуниверситетезанимаеткафедруматематики, которуюкогда-тозанималНьютон, апозжеП. А. М. Дирак – двазнаменитыхисследователя, изучавшиеодин – самоебольшое, адругой – самоемаленькое. Хокинг – ихдостойныйпреемник. ЭтаперваяпопулярнаякнигаХокингасодержитмассуполезныхвещейдляширокойаудитории. Книгаинтереснанетолькоширотойсвоегосодержания, онапозволяетувидеть, какработаетмысльееавтора. Вынайдетевнейясныеоткровенияограницах

Библиотека сайта ***Знания‐сила***

физики, астрономии, космологииимужества.

НоэтотакжекнигаоБоге… аможетбыть, оботсутствииБога. Слово «Бог» частопоявляетсянаеёстраницах. ХокинготправляетсянапоискиответаназнаменитыйвопросЭйнштейнаотом, быллиуБогакакой-нибудьвыбор, когдаонсоздавалВселенную. Хокингпытается, каконсампишет, разгадатьзамыселБога. Темболеенеожиданнымоказываетсявывод (поменьшеймеревременный), ккоторомуприводятэтипоиски: Вселеннаябезкраявпространстве, безначалаиконцавовремени, безкаких-либоделдляСоздателя. КарлСаган, Корнеллскийуниверситет, Итака, шт. Нью-Йорк.

 

НашепредставлениеоВселенной

 

Как-тоодинизвестныйученый (говорят, этобылБертранРассел) читалпубличнуюлекциюобастрономии. Онрассказывал, какЗемляобращаетсявокругСолнца, аСолнце, всвоюочередь, обращаетсявокругцентраогромногоскоплениязвезд, котороеназываютнашейГалактикой. Когдалекцияподошлакконцу, изпоследнихрядовзалаподняласьмаленькаяпожилаяледиисказала: «Все, чтовынамговорили, – чепуха. Насамомделенашмир – этоплоскаятарелка, котораястоитпаспинегигантскойчерепахи». Снисходительноулыбнувшись, ученыйспросил: «Аначемдержитсячерепаха?» – «Выоченьумны, молодойчеловек, – ответилапожилаяледи. – Черепаха – надругойчерепахе, та – тоженачерепахе, итаквсенижеиниже».

ТакоепредставлениеоВселеннойкакобесконечнойбашнеизчерепахбольшинствуизнаспокажетсясмешным, нопочемумыдумаем, чтосамизнаемлучше? ЧтонамизвестнооВселенной, икакмыэтоузнали? ОткудавзяласьВселенная, ичтоснейстанется? БылолиуВселеннойначало, аеслибыло, точтопроисходилодоначала? Каковасущностьвремени? Кончитсялионокогда-нибудь? Достиженияфизикипоследнихлет, которымимычастичнообязаныфантастическойновойтехнике, позволяютнаконецполучитьответыхотябынаотдельныеизтакихдавнопоставленныхвопросов. Пройдетвремя, иэтиответы, можетбыть, станутстольжеочевидными, както, чтоЗемлявращаетсявокругСолнца, аможетбыть, стольженелепыми, какбашняизчерепах. Тольковремя (чембыононибыло) решитэто.

Ещев 340 г. дон. э. греческийфилософАристотельвсвоейкниге «Онебе» привелдвавескихдоводавпользутого, чтоЗемлянеплоскаятарелка, акруглыйшар. Во-первых, Аристотельдогадался, чтолунныезатменияпроисходяттогда, когдаЗемляоказываетсямеждуЛунойиСолнцем. ЗемлявсегдаотбрасываетнаЛунукруглуютень, аэтоможетбытьлишьвтомслучае, еслиЗемляимеетформушара. БудьЗемляплоскимдиском, еетеньимелабыформувытянутогоэллипса, еслитолькозатмениенепроисходитвсегдаименновтотмомент, когдаСолнценаходитсяточнонаосидиска. Во-вторых, поопытусвоихпутешествийгрекизнали, чтовюжныхрайонахПолярнаязвездананеберасполагаетсяниже, чемвсеверных. (ПосколькуПолярнаязвезданаходитсянадСевернымполюсом, онабудетпрямонадголовойнаблюдателя, стоящегонаСеверномполюсе, ачеловекунаэкваторепокажется, чтоонаналиниигоризонта). ЗнаяразницувкажущемсяположенииПолярнойзвездывЕгиптеиГреции, Аристотельсумелдажевычислить, чтодлинаэкватораравна 400 000 стадиев. Чтотакоестадий, точнонеизвестно, ноонблизокк 200 метрам, и, сталобыть, оценкаАристотеляпримернов 2 разабольшезначения, принятогосейчас. УгрековбылещеитретийдоводвпользушарообразнойформыЗемли: еслиЗемлянекруглая, топочемужемысначалавидимпарусакорабля, поднимающиесянадгоризонтом, итолькопотомсамкорабль?

Аристотельдумал, чтоЗемлянеподвижна, аСолнце, Луна, планетыизвездыобращаютсявокругнеепокруговыморбитам. Онтакполагал, ибовсоответствиисосвоимимистическимивоззрениямиЗемлюсчиталцентромВселенной, акруговоедвижение – самымсовершенным. Птолемейво II векеразвилидеюАристотелявполнуюкосмологическуюмодель. Землястоитвцентре, окруженнаявосемьюсферами, несущиминасебеЛуну, Солнцеипятьизвестныхтогдапланет: Меркурий, Венеру, Марс, ЮпитериСатурн (рис. 1.1). Самипланеты, считалПтолемей, движутсяпоменьшимкругам, скрепленнымссоответствующимисферами. Этообъяснялототвесьмасложныйпуть, который, какмывидим, совершаютпланеты. Насамойпоследнейсферерасполагаютсянеподвижныезвезды, которые, оставаясьводномитомжеположениидруготносительнодруга, движутсяпонебувсевместекакединоецелое. Чтолежитзапоследнейсферой, необъяснялось, нововсякомслучаеэтоуженебылочастьютойВселенной, которуюнаблюдаетчеловечество.

 

 

МодельПтолемеяпозволяланеплохопредсказыватьположениенебесныхтелнанебосводе, нодляточногопредсказанияемупришлосьпринять, чтотраекторияЛуныводнихместахподходиткЗемлев 2 разаближе, чемвдругих! Этоозначает, чтоводномположенииЛунадолжнаказатьсяв 2 разабольшей, чемвдругом! Птолемейзналобэтомнедостатке, нотемнеменеееготеориябылапризнана, хотяиневезде. ХристианскаяЦерковьпринялаПтолемеевумодельВселеннойкакнепротиворечащуюБиблии, ибоэтамодельбылаоченьхорошатем, чтооставлялазапределамисферынеподвижныхзвездмногоместадляадаирая. Однаков 1514 г. польскийсвященникНиколайКоперникпредложилещеболеепростуюмодель. (Вначале, опасаясь, наверное, того, чтоЦерковьобъявитегоеретиком, Коперникпропагандировалсвоюмодельанонимно). Егоидеясостоялавтом, чтоСолнцестоитнеподвижновцентре, аЗемляидругиепланетыобращаютсявокругнегопокруговыморбитам. Прошлопочтистолетие, преждечемидеюКоперникавоспринялисерьезно. Дваастронома – немецИоганнКеплериитальянецГалилеоГалилей – публичновыступиливподдержкутеорииКоперника, несмотрянаточтопредсказанныеКоперникоморбитынесовсемсовпадалиснаблюдаемыми. ТеорииАристотеля– Птолемеяпришелконецв 1609 г., когдаГалилейначалнаблюдатьночноенебоспомощьютолькочтоизобретенноготелескопа. НаправивтелескопнапланетуЮпитер, Галилейобнаружилнесколькомаленькихспутников, илилун, которыеобращаютсявокругЮпитера. Этоозначало, чтоневсенебесныетеладолжныобязательнообращатьсянепосредственновокругЗемли, каксчиталиАристотельиПтолемей. (Разумеется, можнобылопо-прежнемусчитать, чтоЗемляпокоитсявцентреВселенной, алуныЮпитерадвижутсяпооченьсложномупутивокругЗемли, такчтолишькажется, будтоониобращаютсявокругЮпитера. ОднакотеорияКоперникабылазначительнопроще.) ВтожевремяИоганнКеплермодифицировалтеориюКоперника, исходяизпредположения, чтопланетыдвижутсянепоокружностям, апоэллипсам (эллипс

Библиотека сайта ***Знания‐сила***

– этовытянутаяокружность). Наконец-тотеперьпредсказаниясовпалисрезультатаминаблюдений.

ЧтокасаетсяКеплера, тоегоэллиптическиеорбитыбылиискусственной (ad hoc) гипотезой, ипритом «неизящной», таккакэллипсгораздоменеесовершеннаяфигура, чемкруг. Почтислучайнообнаружив, чтоэллиптическиеорбитыхорошосогласуютсяснаблюдениями, Кеплертакинесумелпримиритьэтотфактсосвоейидеейотом, чтопланетыобращаютсявокругСолнцаподдействиеммагнитныхсил. Объяснениепришлолишьгораздопозднее, в 1687 г., когдаИсаакНьютонопубликовалсвоюкнигу «Математическиеначаланатуральнойфилософии».Ньютонвнейнетольковыдвинултеориюдвиженияматериальныхтелвовремениипространстве, ноиразработалсложныематематическиеметоды, необходимыедляанализадвижениянебесныхтел. Крометого, Ньютонпостулировалзаконвсемирноготяготения, согласнокоторомувсякоетеловоВселеннойпритягиваетсяклюбомудругомутелустембольшейсилой, чембольшемассыэтихтеличемменьшерасстояниемеждуними. Этотасамаясила, котораязаставляеттелападатьназемлю. (Рассказотом, чтоНьютонавдохновилояблоко, упавшееемунаголову, почтинаверняканедостоверен. СамНьютонсказалобэтомлишьто, чтомысльотяготениипришла, когдаонсиделв «созерцательномнастроении», и «поводомбылопадениеяблока»). ДалееНьютонпоказал, что, согласноегозакону, ЛунаподдействиемгравитационныхсилдвижетсяпоэллиптическойорбитевокругЗемли, аЗемляипланетывращаютсяпоэллиптическиморбитамвокругСолнца.

МодельКоперникапомоглаизбавитьсяотПтолемеевыхнебесныхсфер, азаодноиотпредставленияотом, чтоВселеннаяимееткакую-тоестественнуюграницу. Поскольку «неподвижныезвезды» неизменяютсвоегоположениянанебе, еслинесчитатьихкруговогодвижения, связанногосвращениемЗемливокругсвоейоси, естественнобылопредположить, чтонеподвижныезвезды – этообъекты, подобныенашемуСолнцу, толькогораздоболееудаленные.

Ньютонпонимал, чтопоеготеориитяготениязвездыдолжныпритягиватьсядругкдругуипоэтому, казалосьбы, немогутоставатьсясовсемнеподвижными. Недолжнылиониупастьдругнадруга, сблизившисьвкакой-тоточке? В 1691 г. вписьмеРичардуБентли, ещеодномувыдающемусямыслителютоговремени, Ньютонговорил, чтотакдействительнодолжнобылобыпроизойти, еслибыунасбылолишьконечноечислозвездвконечнойобластипространства. Но, рассуждалНьютон, есличислозвездбесконечноиониболееилименееравномернораспределеныпобесконечномупространству, тоэтогоникогданепроизойдет, таккакнетцентральнойточки, кудаимнужнобылобыпадать.

Этирассуждения – примертого, каклегкопопастьвпросак, ведяразговорыобесконечности. ВбесконечнойВселеннойлюбуюточкуможносчитатьцентром, таккакпообестороныотнеечислозвездбесконечно. Лишьгораздопозжепоняли, чтоболееправильныйподход – взятьконечнуюсистему, вкоторойвсезвездыпадаютдругнадруга, стремяськцентру, ипосмотреть, какиебудутизменения, еслидобавлятьещеиещезвезд, распределенныхприблизительноравномерновнерассматриваемойобласти. ПозаконуНьютонадополнительныезвездывсреднемникакнеповлияютнапервоначальные, т. е. звездыбудутстойжескоростьюпадатьвцентрвыделеннойобласти. Сколькобызвездмынидобавили, онивсегдабудутстремитьсякцентру. Внашевремяизвестно, чтобесконечнаястатическаямодельВселеннойневозможна, еслигравитационныесилывсегдаостаютсясиламивзаимногопритяжения.

Интересно, какимбылообщеесостояниенаучноймыслидоначала XX в.: никомуивголовунепришло, чтоВселеннаяможетрасширятьсяилисжиматься. Всесчитали, чтоВселеннаялибосуществовалавсегдавнеизменномсостоянии, либобыласотворенавкакой-томоментвременивпрошломпримернотакой, каковаонасейчас. Отчастиэто, можетбыть, объясняетсясклонностьюлюдейверитьввечныеистины, атакжеособойпритягательностьютоймысли, что, пустьсамионисостарятсяиумрут, Вселеннаяостанется

вечнойинеизменной.

Дажетемученым, которыепоняли, чтоньютоновскаятеориятяготенияделает невозможнойстатическуюВселенную, неприходилавголовугипотезарасширяющейсяВселенной. Онипопыталисьмодифицироватьтеорию, сделавгравитационнуюсилуотталкивающейнаоченьбольшихрасстояниях. Этопрактическинеменялопредсказываемогодвиженияпланет, нозатопозволялобесконечномураспределениюзвездоставатьсявравновесии, таккакпритяжениеблизкихзвездкомпенсировалосьотталкиваниемотдалеких. Носейчасмысчитаем, чтотакоеравновесиеоказалосьбынеустойчивым. Всамомделе, есливкакой-тообластизвездычуть-чутьсблизятся, тосилыпритяжениямеждунимивозрастутистанутбольшесилотталкивания, такчтозвездыбудутидальшесближаться. Еслижерасстояниемеждузвездамичуть-чутьувеличится, топеревесятсилыотталкиванияирасстояниебудетнарастать.

ЕщеодновозражениепротивмоделибесконечнойстатическойВселеннойобычноприписываетсянемецкомуфилософуГенрихуОлберсу, которыйв 1823 г. опубликовалработу, посвященнуюэтоймодели. НасамомделемногиесовременникиНьютоназанималисьтойжезадачей, истатьяОлберсабыладаженепервойсредиработ, вкоторыхвысказывалисьсерьезныевозражения. Еелишьпервойсталиширокоцитировать. Возражениетаково: вбесконечнойстатическойВселеннойлюбойлучзрениядолженупиратьсявкакую-нибудьзвезду. Нотогданебодаженочьюдолжнояркосветиться, какСолнце. КонтраргументОлберсасостоялвтом, чтосвет, идущийкнамотдалекихзвезд, долженослаблятьсяиз-запоглощениявнаходящемсянаегопутивеществе.

Новтакомслучаесамоэтовеществодолжнонагретьсяияркосветиться, какзвезды. Единственнаявозможностьизбежатьвыводаоярко, какСолнце, светящемсяночномнебе – предположить, чтозвездысиялиневсегда, азагорелисьвкакой-тоопределенныймоментвременивпрошлом. Тогдапоглощающеевещество, возможно, ещенеуспелоразогретьсяилижесветдалекихзвездещенедошелдонас. Новозникаетвопрос: почемузажглисьзвезды?

Конечно, проблемавозникновенияВселеннойзанималаумылюдейужеоченьдавно. Согласнорядураннихкосмогонииииудейско-христианско-мусульманскиммифам, нашаВселеннаявозниклавкакой-тоопределенныйинеоченьотдаленныймоментвременивпрошлом. Однимизоснованийтакихверованийбылапотребностьнайти «первопричину» существованияВселенной. ЛюбоесобытиевоВселеннойобъясняют, указываяегопричину, т. е. другоесобытие, произошедшеераньше; подобноеобъяснениесуществованиясамойВселеннойвозможнолишьвтомслучае, еслиунеебылоначало. ДругоеоснованиевыдвинулБлаженныйАвгустин (православнаяЦерковьсчитаетАвгустинаблаженным, аКатолическая – святым. – прим. ред.). вкниге «ГрадБожий». Онуказалнато, чтоцивилизацияпрогрессирует, амыпомним, ктосовершилтоилииноедеяниеикточтоизобрел. Поэтомучеловечество, азначит, вероятно, иВселенная, врядлиоченьдолгосуществуют. БлаженныйАвгустинсчиталприемлемойдатусотворенияВселенной, соответствующуюкниге «Бытия»: приблизительно 5000 годдонашейэры. (Интересно, чтоэтадатанетакуждалекаотконцапоследнеголедниковогопериода – 10 000 летдон. э., которыйархеологисчитаютначаломцивилизации).

АристотелюжеибольшинствудругихгреческихфилософовненравиласьидеясотворенияВселенной, таккаконасвязываласьсбожественнымвмешательством. Поэтомуонисчитали, чтолюдииокружающийихмирсуществовалиибудутсуществоватьвечно. Доводотносительнопрогрессацивилизацииученыедревностирассматривалиирешили, чтовмирепериодическипроисходилипотопыидругиекатаклизмы, которыевсевремявозвращаличеловечествокисходнойточкецивилизации.

Вопросыотом, возниклалиВселеннаявкакой-тоначальныймоментвременииограниченалионавпространстве, позднеевесьмапристальнорассматривалфилософИммануилКантвсвоеммонументальном (иоченьтемном) труде «Критикачистогоразума», которыйбылизданв 1781 г. Онназвалэтивопросыантиномиями (т. е. противоречиями) чистогоразума, таккаквидел, чтовравноймеренельзянидоказать, ниопровергнутьнитезисонеобходимостиначалаВселенной, ниантитезисоеевечномсуществовании. ТезисКантаргументировалтем, чтоеслибыуВселеннойнебылоначала, товсякомусобытиюпредшествовалбыбесконечныйпериодвремени, аэтоКантсчиталабсурдом. ВподдержкуантитезисаКантговорил, чтоеслибыВселеннаяимеланачало, тоемупредшествовалбыбесконечныйпериодвремени, атогдаспрашивается, почемуВселеннаявдругвозниклавтот, анедругоймоментвремени? НасамомделеаргументыКантафактическиодинаковыидлятезиса, идляантитезиса. Онисходитизмолчаливогопредположения, чтовремябесконечновпрошломнезависимооттого, существовалаилинесуществовалавечноВселенная. Какмыувидимниже, довозникновенияВселеннойпонятиевременилишеносмысла. НаэтовпервыеуказалБлаженныйАвгустин. Когдаегоспрашивали, чемзанималсяБогдотого, каксоздалВселенную, Августинникогданеотвечалвтомдухе, что, мол, Богготовиладдлятех, ктозадаетподобныевопросы. Нет, онговорил, чтовремя – неотъемлемоесвойствосозданнойБогомВселеннойипоэтомудовозникновенияВселеннойвременинебыло.

КогдабольшинстволюдейвериловстатическуюинеизменнуюВселенную, вопросотом, имелаонаначалоилинет, относился, всущности, кобластиметафизикиитеологии. Всенаблюдаемыеявленияможнобылообъяснитькакспомощьютеории, вкоторойВселеннаясуществуетвечно, такиспомощьютеории, согласнокоторойВселеннуюсотвориливкакой-тоопределенныймоментвременитакимобразом, чтобывсевыглядело, какеслибыонасуществовалавечно. Нов 1929 г. ЭдвинХабблсделалэпохальноеоткрытие: оказалось, чтовкакойбычастинебанивестинаблюдения, вседалекиегалактикибыстроудаляютсяотнас. Инымисловами, Вселеннаярасширяется. Этоозначает, чтовболееранниевременавсеобъектыбылиближедругкдругу, чемсейчас. Значит, было, по-видимому, время, околодесятиилидвадцатитысячмиллионовлетназад, когдаонивсенаходилисьводномместе, такчтоплотностьВселеннойбылабесконечнобольшой. СделанноеХаббломоткрытиеперевеловопросотом, каквозниклаВселенная, вобластькомпетенциинауки.

НаблюденияХабблаговорилиотом, чтобыловремя – такназываемыйбольшойвзрыв, когдаВселеннаябылабесконечномалойибесконечноплотной. Притакихусловияхвсезаконынаукитеряютсмыслинепозволяютпредсказыватьбудущее. Есливещеболееранниевременаипроисходиликакие-либособытия, онивсеравноникакнесмоглибыповлиятьнато, чтопроисходитсейчас. Из-заотсутствияженаблюдаемыхследствийимиможнопростопренебречь. Большойвзрывможносчитатьначаломотсчетавременивтомсмысле, чтоболееранниевременабылибыпростонеопределены. Подчеркнем, чтотакоеначалоотсчетавремениоченьсильноотличаетсяотвсеготого, чтопредлагалосьдоХаббла. НачаловременивнеизменяющейсяВселеннойестьнечто, чтодолжноопределятьсячем-то, существующимвнеВселенной; дляначалаВселеннойнетфизическойнеобходимости. СотворениеБогомВселеннойможновсвоемпредставленииотноситьклюбомумоментувременивпрошлом. ЕслижеВселеннаярасширяется, томогутсуществоватьфизическиепричиныдлятого, чтобыонаимеланачало. Можнопо-прежнемупредставлятьсебе, чтоименноБогсоздалВселенную – вмоментбольшоговзрываилидажепозднее (нотак, какеслибыпроизошелбольшойвзрыв). Однакобылобыабсурдноутверждать, чтоВселеннаявозниклараньшебольшоговзрыва. ПредставлениеорасширяющейсяВселеннойнеисключаетсоздателя, ноналагаетограничениянавозможнуюдатуеготрудов!

ЧтобыможнобылоговоритьосущностиВселеннойиотом, былолиунееначалоибудетликонец, нужнохорошопредставлятьсебе, чтотакоенаучнаятеориявообще. Ябудупридерживатьсяпростейшейточкизрения: теория – этотеоретическаямодельВселеннойиликакой-нибудьеечасти, дополненнаянаборомправил, связывающихтеоретическиевеличиныснашиминаблюдениями. Этамодельсуществуетлишьунасвголовеинеимеетдругойреальности (какойбысмыслмынивкладываливэтослово). Теориясчитаетсяхорошей, еслионаудовлетворяетдвумтребованиям: во-первых, онадолжнаточноописыватьширокийкласснаблюденийврамкахмодели, содержащейлишьнесколько произвольныхэлементов, и, во-вторых, теориядолжнадаватьвполнеопределенные предсказанияотносительнорезультатовбудущихнаблюдений. Например, теорияАристотеля, согласнокоторойвсесостоитизчетырехэлементов – земли, воздуха, огняиводы, – быладостаточнопростой, чтобыназыватьсятеорией, носеепомощьюнельзябылополучитьникакихопределенныхпредсказаний. ТеорияжетяготенияНьютонаисходилаизещеболеепростоймодели, вкоторойтелапритягиваютсядругкдругуссилой, пропорциональнойнекоторойвеличине, называемойихмассой, иобратнопропорциональнойквадратурасстояниямеждуними. НотеорияНьютонавесьматочнопредсказываетдвижениеСолнца, Луныипланет.

Любаяфизическаятеориявсегданоситвременныйхарактервтомсмысле, чтоявляетсявсеголишьгипотезой, которуюнельзядоказать. Сколькобыразниконстатировалосьсогласиетеориисэкспериментальнымиданными, нельзябытьувереннымвтом, чтовследующийразэкспериментневойдетвпротиворечиестеорией. Втожевремялюбуютеориюможноопровергнуть, сославшисьнаодно-единственноенаблюдение, котороенесогласуетсясеепредсказаниями. КакуказывалфилософКарлПоппер, специалиствобластифилософиинауки, необходимымпризнакомхорошейтеорииявляетсято, чтоонапозволяетсделатьпредсказания, которыевпринципемогутбытьэкспериментальноопровергнуты. Всякийраз, когдановыеэкспериментыподтверждаютпредсказаниятеории, теориядемонстрируетсвоюжизненность, инашаверавнеекрепнет. Ноеслихотьодноновоенаблюдениенесогласуетсястеорией, намприходитсялибоотказатьсяотнее, либопеределать. Таковапокрайнеймерелогика, хотя, конечно, вывсегдавправеусомнитьсявкомпетентноститого, ктопроводилнаблюдения.

Напрактикечастооказывается, чтоноваятеориянасамомделеявляетсярасширениемпредыдущейтеории. Например, чрезвычайноточныенаблюдениязапланетойМеркурийвыявилинебольшиерасхождениямеждуеедвижениемипредсказанияминьютоновскойтеориитяготения. СогласнообщейтеорииотносительностиЭйнштейна, Меркурийдолжендвигатьсянемногоиначе, чемполучаетсявтеорииНьютона. Тотфакт, чтопредсказанияЭйнштейнасовпадаютсрезультатаминаблюдений, апредсказанияНьютонанесовпадают, сталоднимизрешающихподтвержденийновойтеории. Правда, напрактикемыдосихпорпользуемсятеориейНьютона, таккаквтехслучаях, скоторымимыобычносталкиваемся, еепредсказанияоченьмалоотличаютсяотпредсказанийобщейтеорииотносительности. (ТеорияНьютонаимеетещеитоогромноепреимущество, чтоснейгораздопрощеработать, чемстеориейЭйнштейна).

Конечнойцельюнаукиявляетсясозданиеединойтеории, котораяописывалабывсюВселенную. Решаяэтузадачу, большинствоученыхделятеенадвечасти. Перваячасть – этозаконы, которыедаютнамвозможностьузнать, какВселеннаяизменяетсясовременем. (Зная, каквыглядитВселеннаявкакой-тоодинмоментвремени, мыспомощьюэтихзаконовможемузнать, чтоснейпроизойдетвлюбойболеепоздниймоментвремени). Втораячасть – проблеманачальногосостоянияВселенной. Некоторыеполагают, чтонаукадолжназаниматьсятолькопервойчастью, авопросотом, чтобыловначале, считаютделомметафизикиирелигии. Сторонникитакогомненияговорят, что, посколькуБогвсемогущ, веговолебыло «запустить» Вселеннуюкакугодно. Еслиониправы, тоуБогабылавозможностьсделатьтак, чтобыВселеннаяразвиваласьсовершеннопроизвольно. Богже, по-видимому, предпочел, чтобыонаразвиваласьвесьмарегулярно, поопределеннымзаконам. Нотогдастольжелогичнопредположить, чтосуществуютещеизаконы, управляющиеначальнымсостояниемВселенной.

Оказывается, оченьтрудносразусоздаватьтеорию, котораяописывалабывсюВселенную. Вместоэтогомыделимзадачуначастиистроимчастныетеории. Каждаяизних описываетодинограниченныйкласснаблюденийиделаетотносительнонегопредсказания пренебрегаявлияниемвсехостальныхвеличин илипредставляяпоследниепростыми

наборамичисел. Возможно, чтотакойподходсовершенно неправилен. Есливсево Вселеннойфундаментальнымобразомзависитотвсегодругого, товозможно, что, исследуя отдельныечастизадачиизолированно, нельзяприблизитьсякполномуеерешению. Темнеменеевпрошломнашпрогрессшелименнотакимпутем. Классическимпримеромопятьможетслужитьньютоновскаятеориятяготения, согласнокоторойгравитационнаясила, действующаямеждудвумятелами, зависиттолькоотоднойхарактеристикикаждоготела, аименноотегомассы, нонезависитоттого, изкакоговеществасостояттела. Следовательно, длявычисленияорбит, покоторымдвижутсяСолнцеипланеты, ненужнатеорияихструктурыисостава.

СейчасестьдвеосновныечастныетеориидляописанияВселенной – общаятеорияотносительностииквантоваямеханика. Обеони – результатогромныхинтеллектуальныхусилийученыхпервойполовинынашеговека. ОбщаятеорияотносительностиописываетгравитационноевзаимодействиеикрупномасштабнуюструктуруВселенной, т. е. структурувмасштабеотнесколькихкилометровдомиллионамиллионамиллионамиллиона (единицасдвадцатьючетырьмяпулями) километров, илидоразмеровнаблюдаемойчастиВселенной. Квантоваямеханикажеимеетделосявлениямивкрайнемалыхмасштабах, таких, какоднамиллионнаяодноймиллионнойсантиметра. Иэтидветеории, ксожалению, несовместны – онинемогутбытьодновременноправильными. Однимизглавныхнаправленийисследованийвсовременнойфизикеиглавнойтемойэтойкнигиявляетсяпоискновойтеории, котораяобъединилабыдвепредыдущиеводну – вквантовуютеориюгравитации. Покатакойтеориинет, иее, можетбыть, ещепридетсядолгождать, номыужезнаеммногиеизтехсвойств, которымионадолжнаобладать. Вследующихглавахвыувидите, чтонамуженемалоизвестноотом, какиепредсказаниядолжнывытекатьизквантовойтеориигравитации.

Есливысчитаете, чтоВселеннаяразвиваетсянепроизвольнымобразом, аподчиняетсяопределеннымзаконам, товконцеконцоввампридетсяобъединитьвсечастныетеориивединуюполную, котораябудетописыватьвсевоВселенной. Правда, впоискитакойединойтеориизаложенодинфундаментальныйпарадокс. Всесказанноевышеонаучныхтеорияхпредполагает, чтомыявляемсяразумнымисуществами, можемпроизводитьвоВселеннойкакиеугоднонаблюденияинаосновеэтихнаблюденийделатьлогическиезаключения. Втакойсхемеестественнопредположить, чтовпринципемымоглибыещеближеподойтикпониманиюзаконов, которымподчиняетсянашаВселенная. Ноеслиединаятеориядействительносуществует, тоона, наверное, тожедолжнакаким-тообразомвлиятьнанашидействия. Итогдасаматеориядолжнаопределятьрезультатнашихпоисковееже! Апочемуонадолжназаранеепредопределять, чтомысделаемправильныевыводыизнаблюдений? Почемубыейстакимжеуспехомнепривестинаскневернымвыводам? илижевообщениккаким?

Ямогупредложитьвсеголишьодинответнаэтивопросы. Оноснованнадарвиновскомпринципеестественногоотбора. Мояидеясостоитвтом, чтовлюбойпопуляцииорганизмов, способныхксамовоспроизведению, неизбежныгенетическиевариациииразличияввоспитанииотдельныхиндивидуумов. Этозначит, чтонекоторыеиндивидуумыболеедругихспособныделатьправильныевыводыобокружающемихмиреипоступатьвсоответствиисэтимивыводами. Утакихиндивидуумовбудетбольшешансоввыжитьидатьпотомство, апотомуихобразмыслейиихповедениестанутдоминирующими. Впрошломинтеллектиспособностькнаучномуоткрытиюбезусловнообеспечивалипреимуществаввыживании. Правда, совсемнеочевидно, чтовсесказанноеверноисейчас: сделанныенаминаучныеоткрытиямогутнасжеипогубить, нодажееслиэтогонеслучится, полнаяединаятеорияврядлисильноповлияетнанашишансывыжить. Темнеменее, кольскороВселеннаяразвиваетсярегулярнымобразом, можнополагать, что способностикрассуждению, которыемыприобреливрезультатеискусственногоотбора проявятсявпоискахединойполнойтеорииипомогутизбежатьнеправильныхвыводов.

Посколькуужесуществующихчастныхтеорийвполне достаточно, чтобыделать точныепредсказаниявовсехситуациях, кромесамыхэкстремальных, поискокончательной теорииВселеннойнеотвечаеттребованиямпрактическойцелесообразности. (Заметим, однако, чтоаналогичныевозраженияможнобылобывыдвинутьпротивтеорииотносительностииквантовоймеханики, аведьименноэтитеориипроизвелиреволюциювядернойфизикеивмикроэлектронике!) Такимобразом, открытиеполнойединойтеории, можетбыть, небудетспособствоватьвыживаниюидаженикакнеповлияетнатечениенашейжизни. Ноуженазарецивилизациилюдямненравилисьнеобъяснимыеинесвязанныемеждусобойсобытия, ионистрастножелалипонятьтотпорядок, которыйлежитвосновенашегомира. Посейденьмымечтаемузнать, почемумыздесьоказалисьиоткудавзялись. Стремлениечеловечествакзнаниюявляетсядлянасдостаточнымоправданием, чтобыпродолжатьпоиск. Анашаконечнаяцель – никакнеменьше, чемполноеописаниеВселенной, вкотороймыобитаем.

 

Пространствоивремя

 

НашисовременныепредставленияозаконахдвижениятелвосходяткГалилеюиНьютону. ДонихбытовалаточказренияАристотеля, которыйсчитал, чтоестественнымсостояниемлюбоготелаявляетсясостояниепокояителоначинаетдвигатьсятолькоподдействиемсилыилиимпульса. Отсюдаследовало, чтотяжелоетелодолжнопадатьбыстрее, чемлегкое, потомучтоегосильнеетянеткземле.