Лев Шильник - Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Справедливости ради следует отметить, что некоторые ученые рассматривают новорожденную Вселенную как предельно неупорядоченную структуру. Скажем, знаменитый бельгийский физик русского происхождения Илья Пригожий полагает, что история Вселенной с момента Большого взрыва есть не что иное, как процесс эволюционного усложнения некоего «первичного атома», который был ее элементарным хаотически однородным состоянием. А доступные наблюдению и совершенно бесспорные процессы термодинамической деградации нашего мира носят сугубо локальный характер и ни в малейшей степени не влияют на судьбу Вселенной. По Пригожину, процессы самоорганизации будут продолжаться неограниченно долго, пока в конце концов не восторжествуют над силами вселенского распада. Однако большинство физиков с Пригожиным решительно не согласны и расценивают исходное состояние Вселенной как пример высокоупорядоченной структуры. Так или иначе, но вопрос о стреле времени пока еще очень далек от окончательного разрешения. А вам, читатель, если хотите разобраться в проблеме более основательно, рекомендую увлекательную книжку Стивена Хокинга «Краткая история времени».
Вернемся к варианту обхода сингулярности, предложенному Хокингом. Забегая немного вперед, отмечу, что его сценарий напичкан головоломной математикой и потому очень непрост для популярного изложения. Даже у специалистов, собаку съевших на различных моделях Вселенной, порой опускаются руки, когда они пытаются разобраться в построениях британского теоретика. Например, известный отечественный физик Я. А. Смородинский откровенно пишет, что пройдет еще немало времени, пока заманчивая и многообещающая идея Хокинга станет сколько-нибудь понятной.
Стандартную модель Вселенной, обремененную сингулярностью, можно графически изобразить в виде перевернутого конуса, поставленного на острие. Вертикальная ось на такой диаграмме будет обозначать время, а две взаимно перпендикулярные горизонтали – пространство нашего мира. Вершина конуса соответствует точке «ноль», моменту рождения Вселенной «из ничего». Легко видеть, что и масштабный фактор, то есть размер Вселенной, тоже равнялся в то время нулю. С течением времени диаметр окружности непрерывно растет, поскольку Вселенная расширяется. Таким образом, наш перевернутый конус можно представить как набор срезов различного диаметра, каждый из которых соответствует некоторому вполне определенному моменту времени. Чем дальше в прошлое (сверху вниз по вертикальной оси), тем меньше размер Вселенной, пока в вершине конуса (то есть в сингулярности) он окончательно не обратится в нуль. Итак, перед нами своего рода конусообразный хлебный батон, состоящий из отдельных ломтиков хлеба.
Однако сингулярность, как мы помним, не просто безразмерная точка, но исчезающе малый объем, лежащий в области планковских длин (10-33сантиметров). Напомню, что квантовые флуктуации, которыми мы легко пренебрегаем в «большом» мире, становятся весьма значимыми при масштабах порядка 10-33сантиметров. Планковскую длину луч света пересекает за 10-43секунды, следовательно, мы можем рассматривать эту величину как своего рода «квант времени». Таким образом, сама матушка природа выставила на нашем пути рогатки, запрещающие проводить точные измерения. Порядок вещей, заложенный в исходную структуру мира, оказывается сильнее наших желаний. Но коль скоро пространство и время не могут быть физически измерены ниже планковского предела, то неясно, имеют ли подобные величины хоть какой-либо физический смысл. Если на вершине конуса бессмысленно рассуждать о пространстве, то в точности то же самое справедливо и для времени у начала начал.
Вернемся к нашей диаграмме-конусу, где время движется вертикально вверх, а пространство разворачивается горизонтально и описывается окружностью с подвижным диаметром. У планковского предела, там, где бесчинствуют квантовые флуктуации, пространство и время окончательно теряют всякий физический смысл, и мы уже не имеем права говорить, что время ползет вверх, а пространство простирается горизонтально. Время в такой модели полностью теряет присущую ему специфику, и его уже невозможно отличить от других пространственных размерностей. Иными словами, когда размер Вселенной был меньше планковского предела, времени в нашем привычном представлении не существовало. В темноте, как известно, все кошки серы, поэтому время в области планковских длин становится полностью эквивалентным пространственным измерениям, образуя вместе с ними четырехмерную сферу. И только когда Вселенная перешагнула планковский предел и стала неудержимо расти, квантовые флуктуации потеряли свое основополагающее значение, а пространство и время обрели различные свойства.
Хокинг предположил, что Вселенная у начала начал была настолько проста, насколько это возможно. Но что может быть проще сферы? Поэтому мы решительно и бесповоротно упраздняем вершину в нашей модели перевернутого конуса и заменяем ее нижним краем округлой чаши или сферы. С точки зрения британского теоретика, пространство-время ниже планковской длины напоминает сферу, и Вселенная, таким образом, не имеет никакого начала, в том смысле, что она не имеет края или границы.
Для наглядности обратимся к двумерной аналогии. Посмотрите на обыкновенный школьный глобус, эту несовершенную модель земного шара, и представьте себе на мгновение, что его Южный полюс будет точкой рождения Вселенной. Подобно тому как от брошенного в воду камня по зеркалу пруда расходятся круги, так и от условной точки, приуроченной в данном случае к Южному полюсу нашего небольшого шарика, Вселенная начинает уверенно расширяться. При этом расстояние от окружности к окружности, проведенное по меридиану, будет отражать рост Вселенной с течением времени. Понятно, что каждый последующий круг будет больше предыдущего, пока распухание мира не достигнет экватора. С этого момента окружности начнут раз за разом уменьшаться в диаметре и в конце концов окончательно сойдут на нет в точке Северного полюса. И хотя в такой модели Вселенная автоматически приобретает нулевые размеры на обоих полюсах, о неуклюжих сингулярностях можно благополучно забыть. Поскольку все точки на поверхности сферы абсолютно равноправны и ничем не отличаются друг от друга, у растущей Вселенной в сценарии Стивена Хокинга отсутствует некая особая точка (сиречь сингулярность), в которой нарушались бы все стандартные физические законы. Достигнув максимума на экваторе, широтные окружности начинают сразу же умаляться, пока не стянутся в точку на Северном полюсе. И хотя на полюсах размер Вселенной равен нулю, эти точки (вполне, впрочем, условные) будут сингулярными только по определению, как Южный и Северный полюса на поверхности земного шара. Законы физики будут выполняться в них с такой же непринужденной легкостью, как они выполняются на Южном и Северном полюсах планеты Земля.
К сожалению, столь изящное и гладкое описание истории нашего мира требует введения мнимого времени. И хотя выражение «мнимое время» звучит, быть может, несколько диковато, оно, тем не менее, является строгим научным понятием. Если умножить любое обычное (или действительное) число само на себя, мы получим в результате внятное положительное число. (Скажем, два, умноженное на два, дает четыре, и в точности то же самое получается при умножении – 2 на – 2.) Однако существует особый класс чисел (их принято называть мнимыми), которые при умножении на себя дают отрицательную величину. Например, мнимая единица (обычно ее обозначают буквой «i») при умножении на себя дает минус 1. Иногда ее описывают как корень квадратный из минус единицы. В таком предельно условном мире с категорией времени в области планковских длин происходят удивительные метаморфозы: оно навсегда утрачивает изначально присущие ему свойства длительности и начинает напоминать протяженные пространственные измерения. В сумерках предметы утрачивают свое лицо, становясь похожими друг на друга вплоть до полной неразличимости.
И только по мере роста масштабного фактора мнимое время Стивена Хокинга обретает свою неповторимость. Оно как бы рождается на ровном месте, незаметно выплывая из пространства и стряхивая с себя ненужную мишуру его протяженности.
На первый взгляд сценарий Хокинга может показаться несерьезной математической забавой. Его головоломные выкладки напоминают известную притчу о безумном портном, который шьет всевозможные одежды, нимало не заботясь о том, кому они могут прийтись впору. Склад готовой продукции давным-давно завален разнообразным тряпьем, которое может подойти кому угодно – осьминогу, кентавру, единорогу или каракатице. Он исповедует насквозь функциональный подход: каждая из одежек совершенна сама по себе, но реального субъекта, который мог бы натянуть на свои вполне конкретные телеса тот или иной диковинный наряд, на горизонте не усматривается. Безумного портного роднит с математиком установка на внутреннюю непротиворечивость: костюм может быть как угодно нелеп, но если он скроен в полном соответствии с правилами кройки и шитья, то уже тем самым имеет право на существование. Кому в действительности может пригодиться сей кривой балахон, роли не играет.
