В квантовой теории гравитации рассматриваются все возможные истории развития Вселенной.
Иными словами, все возможные истории конечны по протяженности, но не имеют границ, краев или сингулярностей. Они напоминают поверхность Земли, но с двумя дополнительными измерениями. В этом случае начало времени должно быть обычной гладкой точкой пространства-времени. Это означает, что расширение Вселенной должно было начаться с очень гладкого и упорядоченного состояния. Оно не могло быть совершенно однородным, поскольку при этом нарушался бы принцип неопределенности квантовой механики. Должны были существовать небольшие отклонения плотности и скоростей частиц. Однако условие отсутствия границы предполагает, что эти флуктуации должны иметь минимальные возможные значения в соответствии с принципом неопределенности.
Развитие Вселенной могло начаться с периода экспоненциального (инфляционного) расширения. При этом Вселенная увеличилась бы в размерах во много раз. Во время такого расширения флуктуации плотности на первых порах, вероятно, оставались небольшими, но впоследствии начали расти. В областях, где плотность была чуть выше среднего значения, расширение замедлялось вследствие гравитационного притяжения, обусловленного дополнительной массой. Со временем такие области прекратили бы расширяться и начали коллапсировать, образуя галактики, звезды и существ, подобных нам.
Развитие Вселенной могло начаться с периода экспоненциального (инфляционного) расширения. При этом Вселенная увеличилась бы в размерах во много раз.
Вселенная могла находиться изначально в очень однородном и упорядоченном состоянии и со временем стать неоднородной и неупорядоченной. Это объяснило бы существование термодинамической стрелы времени. Развитие Вселенной могло начаться с высокоупорядоченного состояния, а с течением времени она становилась все более неупорядоченной. Как я показал ранее, психологическая стрела времени указывает в том же направлении, что и термодинамическая. Поэтому наше субъективное ощущение времени скорее имело бы то же направление, в котором Вселенная расширяется, нежели противоположное, в котором Вселенная сжимается.
Обратима ли стрела времени?
А что произойдет, если расширение Вселенной сменится сжатием? Изменится ли направление термодинамической стрелы на противоположное, начнет ли неупорядоченность уменьшаться с течением времени? Перед людьми, пережившими переход от расширения к сжатию, открылся бы целый спектр возможностей в духе научной фантастики. Увидят ли они, как разбитые чашки снова становятся целыми и оказываются на столе? Будут ли помнить завтрашний курс акций и смогут ли разбогатеть, играя на фондовой бирже?
Вопрос о том, что произойдет, когда Вселенная начнет обратно сжиматься, может показаться чисто теоретическим, поскольку этого не произойдет по крайней мере в ближайшие десять миллиардов лет. Но существует более быстрый способ узнать, что случится. Для этого можно прыгнуть в черную дыру. Коллапс звезды, приводящий к образованию черной дыры, во многом напоминает поздние этапы коллапса Вселенной. Так что если при сжатии Вселенной беспорядок уменьшается, можно ожидать, что он уменьшается и в черной дыре. Возможно, астронавт, падающий в черную дыру, сможет выиграть в рулетку, поскольку до того, как сделать ставку, будет помнить, куда попадет шарик. К сожалению, очень сильные гравитационные поля оставят ему совсем немного времени на игру, прежде чем превратят его в спагетти. Он также не сможет ни сообщить нам об изменении направления термодинамической стрелы времени на противоположное, ни положить свой выигрыш в банк, поскольку окажется в ловушке за горизонтом событий черной дыры.
Коллапс звезды, приводящий к образованию черной дыры, во многом напоминает поздние этапы коллапса Вселенной.
Сначала я верил в уменьшение беспорядка при обратном сжатии Вселенной, поскольку думал, что Вселенная должна вернуться в однородное и упорядоченное состояние, когда снова станет маленькой. Это означало бы, что фаза сжатия аналогична обращению времени для фазы расширения. Люди в фазе сжатия проживали бы жизнь в обратном направлении — от конца к началу. Они умирали бы раньше, чем рождались, и становились бы моложе по мере сжатия Вселенной. Эта идея — весьма привлекательна, так как означала бы симметрию фаз расширения и сжатия. Однако невозможно принять ее саму по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Встает вопрос: согласуется она или нет с условием отсутствия границы?
Как упоминалось выше, сначала я думал, что условие отсутствия границы действительно предполагает уменьшение беспорядка в фазе сжатия. К такому выводу привело изучение простой модели Вселенной, в которой фаза сжатия выглядела как фаза расширения с измененным на противоположное направлением течения времени. Однако мой коллега Дон Пейдж обратил внимание на то, что условие отсутствия границы не требует, чтобы фаза сжатия обязательно соответствовала бы обращению времени для фазы расширения. Впоследствии один из моих студентов Рэймонд Лафламм обнаружил, что в несколько более сложной модели коллапс Вселенной значительно отличается от расширения. Я понял, что совершил ошибку. На самом деле условие отсутствия границы предполагало, что во время сжатия беспорядок продолжит расти. Термодинамическая и психологическая стрелы времени не сменят направление на обратное при переходе к сжатию Вселенной или внутри черной дыры.
Условие отсутствия границы не требует, чтобы фаза сжатия обязательно соответствовала бы обращению времени для фазы расширения.
Что бы вы сделали, совершив такую ошибку? Некоторые люди, подобно Эддингтону, никогда не признают, что были неправы. Они продолжают искать новые, иногда взаимоисключающие, доводы в поддержку своей гипотезы. Другие утверждают, что никогда не поддерживали ошибочную точку зрения, а если и поддерживали, так только чтобы доказать ее несостоятельность. Я мог бы привести множество примеров такого поведения, но не стану этого делать, чтобы не вызвать недовольство окружающих. Мне кажется, что гораздо лучше и достойнее признать свою ошибку в печатном виде. Хорошим примером может служить Эйнштейн, который признал, что космологическая постоянная, введенная им при попытке построить стационарную модель Вселенной, была величайшей ошибкой в его жизни.
Лекция седьмая Теория всего
Создать полную единую теорию всего на свете с одной попытки было бы очень непросто. Поэтому мы продвигались вперед, создавая частные теории. Они описывают ограниченный диапазон явлений, пренебрегая другими эффектами или аппроксимируя их определенными величинами. Например, в химии мы можем рассчитать взаимодействия между атомами, не зная внутреннего строения атомного ядра. Однако в конечном итоге мы надеемся построить полную, непротиворечивую, единую теорию, включающую в себя все частные теории в виде приближений. Поиски такой теории называют «объединением физики».
На склоне лет Эйнштейн потратил много времени на безуспешные поиски единой теории, но тогда ее время еще не пришло: слишком мало было известно о ядерных силах. Более того, Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, хотя сыграл важную роль в ее развитии. Между тем принцип неопределенности, по-видимому, является фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому любая успешная единая теория непременно должна включать в себя этот принцип.
