Размазать скорость света?
Если вернуться вспять к началу вселенной, по мере того как пространство будет становиться все более плотным, все меньше будет вариантов местонахождения частицы в данный конкретный момент. А значит, как гласит принцип неопределенности, чем точнее мы будем знать позицию частицы, тем менее точно сможем измерять ее движение.
Для начала рассмотрим частицу света, фотон, при нормальных условиях. Фотоны движутся со скоростью 300 000 километров в секунду – это и есть скорость света. Но теперь я вынуждена сказать вам, что это может быть и не так (вы уже, наверное, привыкли к подобным парадоксам). Мы убедились, что вероятность найти электрон размазана в определенной области вокруг атомного ядра – одни расстояния от ядра представляются более вероятными, чем другие, но все размазано и нечетко. Принцип неопределенности не позволяет нам точно установить одновременно и положение, и движение электронов, и этот же принцип действует по отношению к фотонам.
Ричард Фейнман и другие физики пришли к выводу, что вероятность движения фотона со скоростью 300 000 км/с распределяется по некоторой “области” возле этой скорости. Иными словами, скорость фотона колеблется около той величины, которую мы называем скоростью света. На большом расстоянии вероятности уравновешиваются и средняя скорость фотона действительно равна 300 000 км/с. Но на малом расстоянии, на квантовом уровне, существенно, если фотон движется чуть быстрее или чуть медленнее. Напрямую эти флуктуации наблюдать невозможно, однако путь электронов на диаграмме пространства-времени будет выглядеть не как прямая линия под углом в 45 градусов к осям, а несколько размыто.
В ранний период существования вселенной эта линия становится очень размытой. Принцип неопределенности гласит: чем точнее мы знаем положение фотона, тем менее точно знаем его движение. Если в самом начале вещество вселенной было “упаковано” с почти бесконечной плотностью (пусть не сингулярность, но близко к тому), появляется возможность с большой точностью судить о положении частиц, в том числе фотонов, а раз появляется точное знание об их положении, во много раз вырастает неопределенность их движения. Чем ближе к бесконечной плотности, тем ближе к бесконечности число вероятностей различных скоростей фотона. Что теперь произойдет с нашим графиком пространства-времени? Посмотрите на рисунок 10.8. Мировая линия фотона, в нормальных обстоятельствах приближавшаяся к прямой под углом в 45 градусов к осям, теперь отчаянно колеблется, сплошные подъемы и спады.
Рис. 10.8. Действие принципа неопределенности в ранней вселенной.
Есть и другой подход к вопросу о том, что вызывает эти “колебания”, причем подход этот тесно связан с основными концепциями, которые мы рассматриваем в нашей книге. Возвращаясь вспять к самому началу вселенной, мы должны съежиться до бесконечно малых размеров и сможем увидеть то, что происходит на уровне бесконечно малых. Представьте себе это так: вот вы смотрите на эту страницу, и она кажется вам вполне гладкой. Можно свернуть уголок, но и в свернутом виде страница останется гладкой. Так и окружающее нас пространство-время кажется гладким, несмотря на кривизну. Однако положите эту же страницу под микроскоп, и вы увидите неровности, даже рытвины. И, рассматривая пространство-время на уровне бесконечно малых, в миллиарды миллиардов раз меньше размеров атома, мы обнаружим серьезные отклонения в геометрии пространства-времени (рис. 10.9). К этому вопросу мы еще вернемся в главе 12 и тогда познакомимся с одним из следствий – с “кротовыми норами”. Пока же важно, что такие мощные отклонения происходят на раннем этапе существования вселенной, когда все вещество стиснуто до предела.
Как понять этот неистовый хаос? Обратимся вновь к принципу неопределенности. В главе 6 мы видели, что принцип неопределенности также применяется к полям: электромагнитное или гравитационное поле не может одновременно обладать и определенным значением, и определенной скоростью перемен, а поскольку ноль – точная мера, поле такую меру иметь не может. Однако в пустом пространстве все поля сводятся к нулю. А раз ноль невозможен, невозможно и пустое пространство. Что же мы получаем вместо пустого пространства? Постоянное колебание значения всех полей, флуктуации по ту и по другую сторону от абсолютного нуля – в среднем будет ноль, но в реальности нуля не будет. Флуктуацию можно представить в виде парных частиц излучения Хокинга. Чем сильнее и чаще меняется кривая пространства-времени, тем больше появляется таких пар. Вот почему они в огромном количестве ожидаются на горизонте событий черной дыры.
Рис. 10.9. Квантовый вакуум, как представлял его себе Джон Уилер в 1957 году, становится все более хаотичным по мере того, как мы рассматриваем все меньшие участки пространства. В масштабе атомного ядра (верх) пространство все еще выглядит вполне гладким. Посмотрев пристальнее (середина), мы заметим некоторую шероховатость, а в масштабе в 1000 раз меньшем (низ) начнутся сильные флуктуации.
В самом начале вселенной кривая пространства-времени чрезвычайно велика и очень быстро меняется. Квантовые флуктуации во всех полях, включая гравитационное, очень сильны. Подобные возмущения в гравитационном поле означают не менее сильные колебания кривой пространства-времени. Возникают все время изменяющиеся складки, морщинки, завихрения. В подобном хаосе начинает чудить и мировая линия фотона. (Посмотрите снова на рис. 10.8 и 10.9.)
Какое бы из объяснений мы ни выбрали, суть в том, что стирается различие между вектором времени и векторами пространства. Время становится похожим на пространство, и мы лишаемся привычной картины, в которой вектор времени всегда лежит внутри 45-градусного угла, а направления пространства всегда вне этого угла.
Хокинг подытоживает: “В начале вселенной, когда пространство было тесно сжато, принцип неопределенности мог изменить фундаментальное отличие пространства от времени”. В этой ситуации уже неверно утверждение: “Если события отстоят друг от друга во времени больше, чем в пространстве, квадрат расстояния между ними в пространстве-времени (квадрат гипотенузы нашего прямоугольного треугольника) неизбежно окажется отрицательным числом”. “В определенных обстоятельствах квадрат расстояния может оказаться положительным числом. В таком случае уничтожается последнее различие между временем и пространством – можно сказать, время полностью становится пространственным, – и приходится говорить уже не о пространстве-времени, а о четырехмерном пространстве”
[196].
Когда время становится пространством
Как это выглядит? И каким образом непонятное четырехмерное пространство плавно переходит в знакомое нам пространство-время, где время течет, как это свойственно времени? Концепция мнимого времени позволяет нам вообразить четырехмерное пространство, в котором время в привычном нам виде не существует – оно свернулось и образовало сплошную поверхность, без краев и границ. Но если вы думаете, что сможете представить себе эту картину в четырехмерном пространстве, то либо обманываете самих себя, либо ваш мозг поднялся на новую ступень эволюции. Большинство людей вынуждены все же ограничиться меньшим количеством измерений. Когда измерений меньше, еще можно представить себе отсутствие границ и краев: поверхность мяча или Земли.
