Стивен Хокинг - Великий замысел Страница 21

Инфляция объясняет взрыв в Большом взрыве, по крайней мере в том смысле, что расширение, которое она представляет, было намного более значительным, чем расширение, предсказанное традиционной теорией Большого взрыва в теории общей относительности в течение временного интервала, в котором произошла инфляция. Проблема в том, что для того, чтобы наши теоретические модели инфляции работали, начальное состояние Вселенной должно было быть устроено очень специфическим и очень невероятным способом. Таким образом, традиционная теория инфляции решает одни проблемы, но создает другие — потребность в очень специфическом начальном состоянии. Эта проблема нулевого времени устранена в теории создания Вселенной, которую мы собираемся описать.

Так как мы не можем описать создание, используя теорию общей относительности Эйнштейна, и если мы хотим описать происхождение Вселенной, общая теория относительности должна быть заменена более совершенной теорией. И все же необходимо иметь более совершенную теорию, ведь даже если бы общая теория относительности не потерпела неудачу, потому что она не принимает во внимание некоторые вопросы, которыми занимается квантовая теория. Мы упоминали в Главе 4, что для большинства практических вопросов квантовая теория не подходит для исследования крупномасштабных структур Вселенной, потому что квантовая теория применяется для описания природы на микроскопическом уровне. Но если Вы рассматриваете достаточно далекое время, когда Вселенная была столь же маленькой, как размер Планка, одна миллиард-триллион-триллионная часть сантиметра, который является масштабом, в котором действительно должна быть принята во внимание квантовая теория. Так, хотя у нас еще нет полной квантовой теории гравитации, мы действительно знаем, что происхождение Вселенной было квантовым случаем. И в результате, как мы объединили квантовую теорию и общую теорию относительности — по крайней мере условно — чтобы вывести теорию инфляции, то если мы хотим вернуться еще дальше во времени и понять происхождение Вселенной, мы должны объединить то, что мы знаем об общей теории относительности, с квантовой теорией.

Чтобы видеть, как это работает, мы должны понять принцип, что гравитация деформирует пространство и время. Искривление пространства легче визуализировать, чем искривление времени. Представьте, что Вселенная — поверхность плоского бильярдного стола. Поверхность стола — плоское место, по крайней мере в двух измерениях. Если Вы будете катить шар по столу, то он будет двигаться по прямой линии. Но если стол станет деформированным или вдавленным в местах, как на иллюстрации ниже, то шар будет двигаться по кривой.

Легко понять, как бильярдный стол деформирован в этом примере, потому что он изгибается во внешнее третье измерение, которое мы можем видеть. Так как мы не можем вознестись вне нашего собственного пространства-времени, чтобы рассмотреть его искривление, пространственно-временное искривление в нашей Вселенной более сложно представить. Но искривление может быть обнаружено, даже если Вы не можете подняться и рассмотреть его с другой перспективы. Это можно обнаружить изнутри самого пространства. Вообразите микромуравья, ограниченного поверхностью стола. Даже без способности подняться над столом, муравей мог бы обнаружить искривление, тщательно фиксируя расстояния. Например, расстояние вокруг круга в плоском месте — всегда немного больше чем в три раза расстояния через его диаметр (фактическое кратное числу — пи). Но если бы муравей перемещался по окружности, охватывающий лунку в столе, изображенном выше, он определил бы, что расстояние по лунке напрямик больше чем вокруг лунки. Фактически, если бы лунка была достаточно глубокой, то муравей определил бы, что расстояние по окружности короче, чем расстояние через лунку. То же самое верно для искривления в нашей Вселенной — оно удлиняет или сокращает расстояние между точками пространства, изменяя его геометрию или форму, и это можно измерить изнутри Вселенной. Деформация отрезков времени или сжатие временных интервалов подобного рода.

Вооруженные этими идеями, давайте возвратимся к проблеме начала Вселенной. Мы можем говорить отдельно о пространстве и времени, которые мы рассматриваем, в ситуациях с низкими скоростями и слабой гравитацией. Вообще, однако, время и пространство могут стать взаимосвязанными, и, таким образом, их растяжение и сжатие также влекут определенного рода взаимодействия. Это взаимодействие важно в ранней Вселенной, и является ключом к пониманию начала времени.

Проблема начала времени немного походит на проблему края мира. Когда люди думали, что мир был плоским, возможно, задавались вопросом, лилось ли море через его край. Это было проверено экспериментально: Любой может пропутешествовать вокруг земли и не упасть с нее. Проблема того, что случается на краю мира, была решена, когда люди поняли, что мир был не плоской пластиной, а кривой поверхностью. Время, однако, казалось, походило на модель железнодорожного полотна. Если оно имело начало, должно быть, был кто-то (то есть, Бог), чтобы организовать движение поездов. Хотя общая теория относительности Эйнштейна объединила время и пространство как пространство-время и определила взаимосвязь между пространством и временем, время все еще отличалось от пространства, и либо имело начало и конец, либо иначе продолжалось всегда. Однако, как только мы добавляем результаты квантовой теории к теории относительности, в крайних случаях искривление может произойти до такой большой степени, что время ведет себя как другое пространственное измерение.

В ранней Вселенной — когда Вселенная была достаточно маленькой, чтобы подчиняться законам и общей теории относительности и квантовой теории — было, фактически, четыре пространственных измерения и ни одного временного. Это означает, что, когда мы говорим о «начале» Вселенной, мы выделяем тонкий аспект, что, поскольку мы рассматриваем очень раннюю Вселенную, время, как мы уже знаем, не существует! Мы должны признать, что наши обычные представления о пространстве и времени не относятся к очень ранней Вселенной. Это вне нашего опыта, но не вне нашего воображения, или нашей математики. Если в ранней Вселенной все четыре измерения ведут себя как пространственные, то как возникло время?

Осознание того, что время может вести себя как другое измерение пространства, означает, что можно избавиться от проблемы времени, имея начало, подобным способом, которым мы избавились от края мира. Представьте, что начало Вселенной походило на Южный полюс земли, с градусами широты, играющими роль времени. При продвижении на север, круги постоянной широты, представляющие размер Вселенной, расширились бы. Вселенная началась бы как точка на Южном полюсе, но Южный полюс очень похож на любую другую точку. Спрашивать, что было перед началом Вселенной, станет бессмысленно, потому что нет ничего к югу от Южного полюса. В этой модели у пространства-времени нет никакой границы — те же самые законы природы выполняются как на Южном полюсе, так в других местах. Другими словами, когда мы объединяем общую теорию относительности с квантовой теорией, вопрос «что происходило до начала Вселенной?» теряет смысл. Эту идею, что события должны были быть закрыты поверхностями без границы, называют неграничным условием.

Долгое время многие, включая Аристотеля, полагали, что Вселенная, должно быть, всегда существовала, чтобы избежать проблемы того, как она возникла. Другие полагали, что Вселенная имела начало, и использовала это как аргумент за существование Бога. Осмысление, что время ведет себя как место, представляет новую альтернативу. Это устраняет старое возражение, что Вселенная имеет начало, но также и означает, что возникновение Вселенной соответствует научным законам, и нет необходимости использовать понятие Бога.

Если начало Вселенной было квантовым событием, оно могло бы быть точно описано совокупностью событий Фейнмана. Применять квантовую теорию ко всей Вселенной, где наблюдатели — часть наблюдаемой системы, является сложным, как бы то ни было. В Главе 4 мы видели, как материальные частицы направлялись в экран с двумя прорезями в нем, что могло быть доказательством принципа интерференции, как и у частиц волны воды. Фейнман показал, что это возникает, потому что у частицы нет однозначно определенных событий. Таким образом, поскольку частица перемещается от своей отправной точки А к некоторой конечной точке B, она не выбирает один определенный путь, а скорее одновременно выбирает каждый возможный путь, соединяющий два пункта. С этой точки зрения, интерференция не удивительна, потому что, например, частица может переместиться через обе прорези в то же самое время и пересечься сама с собой. Применяя к движению частицы, метод Фейнмана говорит нам, что, чтобы вычислить вероятность любой отдельной конечной точки, мы должны рассмотреть все возможные события, которые могли произойти, когда частица следовала из своей отправной точки к той конечной точке. Можно также использовать методы Фейнмана, чтобы вычислить квантовые вероятности для наблюдений за Вселенной. Если они применены к Вселенной в целом, не существует точки A, таким образом, мы складываем все события, которые удовлетворяют неграничному условию и оканчиваются во Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.