И вся история мира как целое все еще представлена в ОТО как математический объект. Пространство-время ОТО соответствует математическому объекту намного большей сложности, чем трехмерное евклидово пространство теории Ньютона. Но выглядит оно как монолитная вселенная, оно вечно и изначально, в нем нет разницы между будущим и прошлым, в нем наше осознание настоящего не играет роли и никак не отмечено.
* * *
ОТО сделало еще один удар, чтобы избавить время от фундаментальной роли в физике. В идее, что время реально и фундаментально, неявно содержится мысль, что время не может иметь начало. Для того, чтобы время имело начало, происхождение времени должно быть объяснимо в терминах чего-то, что временем не является. А если время объясняется в терминах чего-то вневременного, тогда время не фундаментально и есть нечто более фундаментальное, из чего происходит время. Но в любой правдоподобной модели вселенной, описываемой уравнениями ОТО, время всегда имеет начало.
В течение 1916 года, когда была опубликована ОТО, Эйнштейн применил ее к целой вселенной. Он сделал это в предположении, что вселенная конечна по размерам, но не имеет границ — вроде сферы. Это был глубокий этап; впервые вселенная рассматривалась как содержащая сама себя и конечная. Ее просто очень много, но нет способа выйти за ее пределы. Понятие «за пределами вселенной» вообще не имеет смысла.
Замыкая вселенную, Эйнштейн предполагал, что любые часы, используемые для измерения времени, находятся внутри системы. Он смог это сделать, поскольку уравнения его теории имели новое свойство, а именно, для них не важно, какие часы используются для измерения времени и какие приборы используются для измерения пространства. Время и пространство могли бы быть измерены настолько смешно и неряшливо, насколько возможно, и уравнения все еще работали бы. Так что теория больше не была связана с измерениями, сделанными специальными часами, идущими вне системы
[45]. Избавившись от необходимости выбирать часы за пределами системы, ОТО прошла некоторую дистанцию к реляционистской теории физики. Но она все еще базируется на Ньютоновской парадигме, поскольку может быть сформулирована в терминах вневременных законов, действующих во вневременном конфигурационном пространстве.
Во-первых, Эйнштейн искал модель вселенной, которая была бы не только конечной в пространстве, но и вечной и неизменной во времени. Воображение Эйнштейна, столь же оригинальное в его размышлениях, как и у любого известного нам ученого, тут его подвело, казалось, он мог представить вселенную какой угодно, но статичной и вечной. Но тут имелась проблема, что гравитационная сила универсально притягивает и всегда действует так, чтобы свести вещи вместе. Это означает, что гравитация действует на целую вселенную, чтобы побудить ее к сжатию. Если вселенная расширяется, гравитация будет замедлять это расширение. Так что Эйнштейн мог предсказать, что вселенная должна изменяться во времени — или расширяться или сжиматься. Вместо этого он изменил свою теорию в попытке удержать вселенную в статическом состоянии, и при этом сделал необыкновенное и непреднамеренное открытие, — которое не было подтверждено экспериментом до недавнего времени.
Эйнштейн модифицировал свои уравнения, добавив член, который противодействует гравитации, побуждая вселенную к расширению. Эта модификация пришла с новой константой природы, представляющей плотность энергии пустого пространства. Эйнштейн назвал ее космологической постоянной. Хорошим подтверждениям для нее является обнаруженное недавно ускорение расширяющейся вселенной. Более общее название для причины ускоренного расширения есть темная энергия, но если ее плотность постоянна в пространстве и времени, она может быть описана эйнштейновской космологической константой. До настоящего времени наблюдения соответствуют этому, но некоторые космологические сценарии требуют возможного изменения темной энергии.
Я не думаю, что Эйнштейн когда-либо представлял себе, что эта константа однажды будет измерена, но это произошло. Она имеет чрезвычайно малую величину — и, соответственно, гигантские следствия. Хотя она и мала, ее проявления суммируются по всей вселенной. Так что имеются две противоположные силы, действующие на вселенную. Гравитация от всей материи вызывает сжатие, тогда как космологическая константа ускоряет расширение.
Эйнштейн предполагал статическую вселенную, в которой эти силы точно сбалансированы. Но с этим тоже есть проблема — такой баланс нестабилен. Дернем вселенную только на йоту, и одна из тенденций победит, так что вселенная должна или всегда расширяться или всегда сжиматься. Вселенная полна движущихся звезд, черных дыр, гравитационных волн, которые обеспечивают достаточно дерганий, чтобы гарантировать, что она не могла бы долго находиться в равновесии.
Поразительное заключение состоит в том, что вселенная должна иметь историю. Она может расширяться, и она может сжиматься, но она не может оставаться той же самой. В 1920-х годах некоторые астрономы и физики нашли решения уравнений ОТО — решения, которые описывали расширяющуюся вселенную. Это было удачно, поскольку в 1927 астроном Эдвин Хаббл открыл подтверждение тому, что вселенная расширяется, — что предполагает, что она должна была иметь начало. И в самом деле, каждое из этих новых нестабильных решений имело начальный момент времени.
Такие решения связаны с именами Александра Фридмана, Х. П. Робертсона, Артура Уолкера и Жоржа Леметра; их по первым буквам фамилий авторов называют FRWL-вселенными. Это очень простые модели, в которых предполагается, что вселенная везде в пространстве одинакова. То есть повсюду достигается одинаковая плотность материи и радиации. В первый момент времени в FRWL-вселенной плотность материи и радиации и сила гравитационного поля становятся бесконечными и составляют начальную сингулярность. В этой точке ОТО перестает работать, поскольку уравнения больше не описывают эволюцию будущего из настоящего. Бесконечные величины вызывают разрушение теории.
Реакция многих физиков была такой, что уравнения разрушаются потому, что изучавшиеся модели были слишком просты. Они утверждали, что если ввести больше деталей, — таких, что вселенная могла бы иметь локальные особенности вроде звезд, галактик и гравитационных волн, — сингулярность могла бы быть ликвидирована и вы смогли бы продолжить экстраполировать время назад за пределы этой точки. Эта гипотеза была трудна для подтверждения, поскольку в эпоху до суперкомпьютеров было невозможно полностью изучить решения уравнений теории Эйнштейна. Так что гипотеза пережила несколько десятилетий просто потому, что ее было тяжело проверить. Но она оказалась неверной. В 1960-х годах Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали теорему, заключающуюся в том, что сингулярности имеются во всех решениях уравнений ОТО, которые могут описывать нашу вселенную.
