5
Темная Вселенная

В 2019 г. газеты и интернет-сайты по всей планете разместили на главных страницах сенсационные новости: астрономам впервые удалось сфотографировать черную дыру. Миллиарды людей увидели этот впечатляющий снимок – красный шар раскаленного газа с черным округлым силуэтом в середине. Этот загадочный объект захватил воображение публики и некоторое время главенствовал в новостях. Дело не только в том, что черные дыры интригуют и завораживают физиков, но и в том, что они уже вошли в общественное сознание, поскольку фигурировали в многочисленных научно-популярных передачах и художественных фильмах.

Черная дыра, которую сфотографировал телескоп Event Horizon, находится в галактике M87 на расстоянии 53 млн световых лет от Земли. Эта черная дыра – настоящий монстр, превосходящий Солнце по массе – вообразите только! – в шесть миллиардов раз. Вся наша Солнечная система, даже с учетом Плутона, легко поместилась бы внутри черного силуэта на фотографии.

Чтобы добиться этого поразительного успеха, астрономы построили супертелескоп. Обычно радиотелескопы недостаточно велики, чтобы уловить слабый радиосигнал и создать на его основе изображение столь отдаленного и компактного объекта. Для достижения цели астрономы связали сигналы пяти телескопов, разбросанных по миру, а потом использовали суперкомпьютеры, чтобы тщательно совместить сигналы, создав, по существу, единый гигантский радиотелескоп размером с планету Земля. Этот составной инструмент был настолько мощным, что мог бы, в принципе, различить с Земли апельсин на поверхности Луны.

Множество новых замечательных астрономических открытий, подобных этому, возродили интерес к теории гравитации Эйнштейна. Как ни печально, последние пятьдесят лет в исследованиях в области общей теории относительности Эйнштейна наблюдалось затишье. Уравнения в ней были чертовски сложными и содержали зачастую сотни переменных, а эксперименты с гравитацией – слишком дорогими, ведь для них требовались датчики размером в километры.

По иронии судьбы, хотя сам Эйнштейн относился к квантовой теории с подозрением, нынешнее возрождение исследований в области теории относительности было вызвано слиянием этих двух научных областей – применением квантовой теории к общей теории относительности. Как уже говорилось, если полное понимание гравитона и устранение его квантовых поправок считается слишком сложным делом, то более скромная задача применения квантовой теории к звездам (пренебрегая гравитонными поправками) положила начало целой волне прорывных научных открытий.

Основная идея черной дыры, в принципе, уходит корнями в открытие Ньютоном закона всемирного тяготения. Его «Начала» дают нам простую картину: если придать пушечному ядру достаточную энергию, оно полностью обогнет Землю и вернется в начальную точку.

Но что произойдет, если направить ядро точно вверх? Ньютон понял, что в какой-то момент такое ядро достигнет максимальной высоты, а затем упадет обратно на Землю. Но при достаточной энергии оно достигнет скорости убегания, то есть скорости, необходимой для преодоления земного притяжения, и унесется в пространство, чтобы никогда не вернуться назад.

Это совсем несложное упражнение – вычислить при помощи законов Ньютона скорость убегания от Земли, или вторую космическую скорость. Она равна примерно 40 000 км/ч. Именно такую скорость должен был набрать космический корабль американских астронавтов в 1969 г., чтобы достичь Луны. Объект, не достигший второй космической скорости, либо выйдет на околоземную орбиту, либо упадет обратно на Землю.

В 1783 г. астроном по имени Джон Мичелл задался обманчиво простым вопросом: что происходит, если скорость убегания равна скорости света? Если луч света испускается гигантской звездой, настолько массивной, что скорость убегания равна скорости света, то, возможно, даже собственный свет не сможет покинуть ее. Весь свет, испускаемый звездой, в конечном счете возвращается на нее. Мичелл назвал такие звезды темными – небесными телами, которые выглядят черными, потому что свет не может преодолеть действия их мощной гравитации. Тогда, в XVIII веке, ученые мало что знали о физике звезд, к тому же им было неизвестно верное значение скорости света, поэтому высказанная Мичеллом идея несколько столетий оставалась невостребованной.

В 1916 г., во время Первой мировой войны, немецкий физик Карл Шварцшильд служил артиллеристом на русском фронте. Сражаясь в самой гуще кровавой войны, он нашел время, чтобы прочесть и осмыслить знаменитую статью Эйнштейна 1915 г., в которой тот представил общую теорию относительности. Блестящее математическое озарение помогло Шварцшильду найти одно из точных решений Эйнштейновых уравнений. Вместо того чтобы решать уравнения для галактики или Вселенной, что было бы слишком сложно, он начал с самого простого из всех возможных объектов – точечной частицы. Этот объект, в свою очередь, должен приближенно представлять гравитационное поле сферической звезды, как его видно с большого расстояния. Затем можно было бы сравнить теорию Эйнштейна с данными эксперимента.

Статья Шварцшильда привела Эйнштейна в восторг. Эйнштейн понимал, что это решение его уравнений позволит провести более точные расчеты, касающиеся, например, искривления света звезд около Солнца и орбитального движения планеты Меркурий. Теперь вместо грубых аппроксимаций он мог получить на основе своей теории точные результаты. Это был огромный прорыв, который позже оказался важным для понимания черных дыр. (Вскоре после своего замечательного открытия Шварцшильд умер. Расстроенный Эйнштейн написал трогательный некролог.)

Но, несмотря на громадный шаг вперед, сделанный решением Шварцшильда, оно также вызвало к жизни ряд озадачивающих вопросов. С самого начала его решение обладало необычными свойствами, расширявшими границы наших представлений о пространстве и времени. Получалось, что любую сверхмассивную звезду окружает воображаемая сфера (которую автор назвал магической сферой, а сегодня называют горизонтом событий). Далеко за пределами этой сферы гравитационное поле напоминало поле обычной Ньютоновой звезды, так что решение Шварцшильда можно было использовать для аппроксимации ее гравитации. Но если бы вы неосторожно приблизились к звезде и прошли сквозь горизонт событий, то навсегда оказались бы в ловушке и были бы раздавлены. Горизонт событий – это точка невозврата: все, что попадает внутрь, никогда не возвращается.

Однако при приближении к горизонту событий должны происходить еще более странные вещи. Так, вы должны увидеть световые лучи, захваченные, возможно, миллиарды лет назад и все еще кружащиеся вокруг звезды. Гравитация будет действовать на ваши ноги заметно сильнее, чем на голову, так что вас растянет подобно спагетти. Мало того, эта спагеттификация станет настолько жесткой, что разорвет на части даже атомы вашего тела, которые в конечном итоге просто разрушатся.

Тому, кто будет наблюдать это невероятное событие с большого расстояния, покажется, что время внутри космического корабля вблизи горизонта событий постепенно замедляется. Мало того, для внешнего наблюдателя все будет выглядеть так, будто в корабле на горизонте событий время останавливается. Примечательно, что для астронавтов в корабле при прохождении горизонта событий все будет выглядеть нормально – ну, то есть нормально до тех пор, пока их не разорвет.

Эта концепция была настолько диковинной, что многие десятилетия рассматривалась исключительно как научная фантастика – некий странный побочный продукт уравнений Эйнштейна, на самом деле не существующий. Астроном Артур Эддингтон однажды написал, что «должен, по идее, существовать какой-нибудь закон природы, который не позволяет звезде вести себя таким абсурдным образом!».

Эйнштейн даже написал статью, в которой утверждал, что при нормальных условиях черные дыры образоваться не могут. В 1939 г. он показал, что гравитация не в состоянии сжать вращающийся газовый шар до размеров, соответствующих горизонту событий.

По иронии судьбы, в том же самом году Роберт Оппенгеймер и его студент Хартленд Снайдер показали, что черные дыры все же могут образовываться в результате естественных природных процессов, которых Эйнштейн не предвидел. Если взять для начала гигантскую звезду, превосходящую наше Солнце по массе в 10–50 раз, и посмотреть, что произойдет, когда она израсходует все свое ядерное топливо, мы увидим, что в конечном итоге она может взорваться, превратившись в сверхновую. Если звезду, оставшуюся после взрыва, гравитация сожмет до размеров горизонта событий, то может произойти ее коллапс в черную дыру. (Наше Солнце недостаточно массивно для взрыва сверхновой, а его горизонт событий составляет примерно шесть километров в поперечнике. Ни один известный природный процесс не в состоянии сжать Солнце до диаметра в шесть километров, поэтому наше светило никогда не станет черной дырой.)

Физики выяснили, что существует как минимум два типа черных дыр. Черная дыра первого типа – это остаток гигантской звезды после вышеописанных процессов. Черные дыры второго типа обнаружены в центрах галактик. Эти галактические черные дыры могут быть в миллионы или даже в миллиарды раз массивнее нашего Солнца. Многие астрономы считают, что в центре каждой галактики имеется черная дыра.

В последние несколько десятилетий астрономы обнаружили в космосе сотни потенциальных черных дыр. В центре Млечного Пути, нашей собственной галактики, располагается чудовищная черная дыра, масса которой в 2–4 миллиона раз превосходит массу Солнца. На нашем небе она находится в созвездии Стрельца. (К несчастью, эту область заслоняют пылевые облака, так что мы не можем видеть черную дыру в центре нашей галактики. Но если бы пылевые облака вдруг разошлись, то каждую ночь небо освещал бы великолепный сверкающий шар из звезд с черной дырой в центре, который, возможно, превосходил бы по светимости Луну. Это было бы поистине величественное зрелище.)

Последнее на данный момент интересное событие, имеющее отношение к черным дырам, произошло, когда квантовую теорию применили к гравитации. Расчеты стали источником целого ряда неожиданных явлений, которые в очередной раз раздвинули пределы нашего воображения. Оказалось, что наш проводник по этой неисследованной территории был полностью парализован.

Во время учебы в магистратуре Кембриджского университета Стивен Хокинг был обычным юношей, без особых устремлений и целей. Он делал все, что положено делать молодому физику, но без особого усердия. Он, без сомнения, обладал талантом, но не мог, казалось, ни на чем сосредоточиться. Но однажды ему поставили страшный диагноз – амиотрофический боковой склероз – и сказали, что жить осталось не больше двух лет. Хотя его разум не пострадает, тело быстро зачахнет, потеряв способность к функционированию, и в конце концов умрет. Молодой человек, подавленный и потрясенный до глубины души, понял, что до этого момента его жизнь растрачивалась впустую.

Он решил потратить несколько оставшихся ему лет жизни на что-то полезное. Для него это означало решить одну из величайших задач физики: применить квантовую теорию к гравитации. К счастью, болезнь прогрессировала намного медленнее, чем предсказывали доктора, так что он мог продолжать новаторские исследования в этой новой области, даже когда оказался прикован к инвалидному креслу и утратил контроль над руками и ногами и даже голосовыми связками. Однажды меня пригласили выступить на организованной Хокингом конференции. Мне посчастливилось побывать у него дома, и меня поразили те гаджеты, которые позволяли ему продолжать исследования. Одним из них было устройство для переворачивания страниц. Можно было поместить в него журнал, и оно начинало автоматически перелистывать страницы. На меня сильное впечатление произвела целеустремленность Хокинга, его готовность сделать все возможное и невозможное, чтобы не дать болезни помешать ему двигаться к цели.

В то время большинство физиков-теоретиков работало над квантовой теорией, но небольшая кучка нонконформистов и твердолобых упрямцев пыталась найти новые решения уравнения Эйнштейна. Хокинг же задался другим, но при этом очень глубоким вопросом: что произойдет, если объединить эти две системы и применить квантовую механику к черной дыре?

Он понимал, что задача вычисления квантовых поправок для гравитации слишком сложна, чтобы ее решить, поэтому выбрал для себя более простое задание: рассчитать квантовые поправки только для атомов внутри черной дыры, игнорируя более сложные квантовые поправки гравитонов.

Чем больше Хокинг читал о черных дырах, тем яснее видел, что что-то здесь не так. Он начал подозревать, что традиционное представление, в соответствии с которым ничто не в состоянии покинуть черную дыру, нарушает квантовую теорию. В квантовой механике все очень неопределенно. Черная дыра выглядит идеально черной потому, что поглощает абсолютно все. Но идеальная чернота нарушает принцип неопределенности. Даже чернота должна быть неопределенной.

Хокинг пришел к революционному выводу о том, что черные дыры должны обязательно испускать очень слабое квантовое излучение.

Затем он показал, что излучение, испускаемое черной дырой, на самом деле представляет собой одну из форм излучения абсолютно черного тела. В расчете ему помогло осознание того, что вакуум – это не просто состояние пустоты, что на самом деле в нем буквально кипит квантовая активность. В квантовой теории даже пустота находится в состоянии постоянной бурлящей неопределенности, где электроны и антиэлектроны могут внезапно выскакивать из вакуума, затем сталкиваться и исчезать, вновь превращаясь в вакуум. Так что пустота на самом деле пенится квантовой активностью. Затем он понял, что если гравитационное поле достаточно интенсивно, то в вакууме могут возникать пары электрон – антиэлектрон, или так называемые виртуальные частицы. Если один из членов такой пары падает в черную дыру, а вторая частица улетает прочь, возникает то, что сейчас называют хокинговским излучением. Создание такой пары частиц подпитывается энергией, содержащейся в гравитационном поле черной дыры. Поскольку вторая частица покидает черную дыру навсегда, это означает, что суммарное содержание материи и энергии в черной дыре и ее гравитационное поле уменьшаются.

Этот процесс называется испарением черной дыры и описывает конечную судьбу всех черных дыр: они мягко светятся хокинговским излучением триллионы лет, пока не истощат свои силы и не умрут в яростном взрыве. Так что даже жизнь черных дыр конечна.

Через многие триллионы лет звезды Вселенной сожгут все свое ядерное топливо и погаснут. Только черные дыры останутся неизменными в эту мрачную эпоху. Но даже черные дыры должны со временем испариться, не оставив после себя ничего, кроме дрейфующего моря элементарных частиц. Хокинг задал себе еще один вопрос: что произойдет, если бросить книгу в черную дыру? Будет ли информация, содержащаяся в этой книге, потеряна навсегда?

Согласно квантовой механике, информация никогда не пропадает. Даже если сжечь книгу, то путем кропотливого анализа молекул сгоревшей бумаги можно ее полностью реконструировать.

Но Хокинг разворошил осиное гнездо противоречий, сказав, что информация, брошенная в черную дыру, на самом деле теряется навсегда и что квантовая механика в черной дыре вследствие этого нарушается.

Эйнштейн однажды сказал, что «Бог не играет в кости с миром», – то есть невозможно свести все к вероятности и неопределенности. Хокинг добавил к этому: «Иногда Бог бросает кости туда, где вы не можете их найти», имея в виду, что кость может остановиться внутри черной дыры, где квантовые законы, возможно, вообще не действуют. Так что, когда проходишь горизонт событий, законы неопределенности перестают работать.

Услышав это, физики как один встали на защиту квантовой механики, показывая, что продвинутые теории, такие как теория струн, о которой речь пойдет в следующей главе, говорят о сохранении информации даже в присутствии черных дыр. Через некоторое время Хокинг сдал назад и допустил, что был, возможно, неправ. Но при этом он предложил собственное новое решение. Может быть, когда вы бросаете книгу в черную дыру, информация не пропадает навсегда, как он считал прежде, а возвращается в форме хокинговского излучения. В слабом хокинговском излучении зашифрована вся информация, необходимая для воссоздания книги в первоначальном виде. Так что Хокинг, возможно, был неправ, но верное решение заключается в излучении, которое он же незадолго до этого обнаружил.

В заключение заметим, что вопрос о том, теряется ли информация в черной дыре, остается открытым и служит предметом горячих споров физиков. Но для его разрешения нам, возможно, придется ждать появления окончательной квантовой теории гравитации, включающей гравитонные квантовые поправки. А пока Хокинг обратился к следующему каверзному вопросу, связанному с объединением квантовой теории и общей теории относительности.

Если черные дыры все пожирают, то куда это девается?

Короткий ответ таков: мы не знаем. Возможно, настоящий ответ будет получен, когда нам удастся объединить квантовую теорию с общей теорией относительности.

Только когда мы сумеем наконец найти квантовую теорию гравитации (а не только вещества), можно будет ответить на следующий вопрос: что находится по ту сторону черной дыры?

Если слепо принять теорию Эйнштейна, мы окажемся в сложном положении, поскольку его уравнения предсказывают, что сила гравитации в самом центре черной дыры или в начале времен бесконечна, что не имеет смысла.

Однако в 1963 г. математик Рой Керр нашел совершенно новое решение уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры. Ранее, в работе Шварцшильда, черная дыра должна была коллапсировать в неподвижную крохотную точку, получившую название сингулярности, где гравитационные поля становились бесконечными и все сжималось буквально в точку. Но при анализе уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры Керр обнаружил странность.

Во-первых, такая черная дыра не схлопывается в точку. Вместо этого она коллапсирует в быстро вращающееся кольцо. (Центробежные силы, действующие на вращающееся кольцо, достаточно сильны, чтобы не дать этому кольцу схлопнуться под действием собственной гравитации.)

Во-вторых, если вы попадете в кольцо, то очень может быть, что вас не раздавит и вам удастся пройти насквозь. Гравитация внутри кольца на самом деле конечна.

В-третьих, математика указывает, что, пройдя сквозь кольцо, вы можете попасть в параллельную вселенную. При этом вы – буквально – покидаете нашу вселенную и входите в другую, родственную. Представьте себе два листа бумаги, лежащие один на другом, а затем проткните их оба соломинкой. Проходя по соломинке, вы покидаете одну вселенную и попадаете в параллельную. Эта соломинка и называется кротовой норой.

В-четвертых, входя в кольцо снова, вы можете проследовать дальше, в следующую вселенную. Процесс чем-то напоминает передвижение на лифте через этажи высотного здания. Воспользовавшись лифтом, вы попадаете с одного этажа на другой; войдя в кротовую нору, вы попадаете в совершенно новую вселенную. Таким образом, мы получили поразительную и совершенно новую картину черной дыры. В самом центре вращающейся черной дыры обнаруживается нечто, напоминающее волшебное зеркало Алисы: по одну его сторону мы видим мирные окрестности английского Оксфорда, но стоит протянуть руку сквозь зеркало – и вы оказываетесь в совершенно ином месте.

Рис. 10. Гипотетически не исключено, что, пройдя сквозь кротовую нору, можно достичь звезд или даже попасть в прошлое

В-пятых, если бы вам удалось-таки пройти сквозь кольцо, вы имели бы также шанс оказаться в отдаленной области вашей собственной вселенной. Так что кротовые норы могут оказаться чем-то вроде тоннелей метро, незримо пронизывающих пространство и время и соединяющих отдаленные точки короткими маршрутами. Расчеты показывают, что по ним, теоретически, можно было бы путешествовать быстрее скорости света или даже перемещаться назад во времени, не нарушая при этом известных физических законов.

Эти странные выводы, какими бы дикими они ни казались, невозможно легко отбросить, поскольку они представляют собой решения уравнения Эйнштейна и описывают вращающиеся черные дыры, которые, как мы сейчас считаем, встречаются гораздо чаще других.

На самом деле понятие кротовых нор первым ввел сам Эйнштейн в 1935 г. в статье, написанной в соавторстве с Натаном Розеном. Они нарисовали образ двух соединенных черных дыр, напоминающий две воронки в пространстве-времени. Если упасть в одну воронку, то тебя выбросит из второй – и по пути не раздавит.

В романе Теренса Уайта «Король былого и грядущего» есть такая знаменитая строка: «Все, что не запрещено, обязательно случается». На самом деле физики воспринимают это заявление всерьез. Если нет какого-нибудь физического закона, который запрещает некое явление, то оно, вполне возможно, существует где-то во Вселенной.

Так, несмотря на чрезвычайную сложность образования кротовых нор, некоторые физики высказывают предположение о том, что они, возможно, существовали в начале времен, а затем, после Большого взрыва, расширились. Не исключено, что их существование совершенно естественно. Когда-нибудь, возможно, наши телескопы позволят нам разглядеть в пространстве кротовую нору. Хотя кротовые норы сильно разожгли воображение писателей-фантастов, попытка реально создать такую штуку в лаборатории ставит перед исследователем немыслимые проблемы.

Во-первых, необходимо накопить громадное количество положительной энергии, сопоставимое с энергией черной дыры, чтобы открыть проход в пространстве-времени. Одно это потребовало бы технологий весьма и весьма развитой цивилизации. Так что мы вряд ли можем ожидать, что какой-нибудь изобретатель-одиночка в скором времени создаст кротовую нору в подвале собственного дома.

Во-вторых, такая кротовая нора будет нестабильной и закроется сама по себе, если не добавить в систему новый экзотический компонент, называемый отрицательной материей, или отрицательной энергией, что совершенно не то же самое, что антиматерия. Отрицательная материя и энергия обладают отталкивающими свойствами, которые могут удержать кротовую нору от схлопывания.

Физики никогда не встречали отрицательной материи. Мало того, такая материя должна подчиняться законам антигравитации и падать вверх, а не вниз. Если миллиарды лет назад на Земле и была отрицательная материя, то гравитация Земли оттолкнула ее и выбросила в космос. Так что мы не рассчитываем найти отрицательную материю на Земле.

Отрицательная энергия, в отличие от отрицательной материи, реально существует, но лишь в крохотных количествах, слишком маленьких, чтобы иметь практическую ценность. Только очень высокоразвитая цивилизация, обогнавшая нас, возможно, не на одну тысячу лет, смогла бы накопить достаточное количество положительной и отрицательной энергии, чтобы сначала создать кротовую нору, а затем не дать ей схлопнуться.

В-третьих, излучения самой гравитации (называемого гравитонным излучением) может оказаться достаточно, чтобы вызвать взрыв кротовой норы.

В конечном итоге для однозначного ответа на вопрос о том, что произойдет, если упасть в черную дыру, придется подождать появления настоящей теории всего, в которой и материя, и гравитация будут проквантованы.

Некоторые физики всерьез предлагают противоречивую идею, согласно которой, когда звезды падают в черную дыру, они не сжимаются в сингулярность, а выдуваются на другую сторону кротовой норы, где образуют белую дыру. Белая дыра подчиняется в точности тем же уравнениям, что и черная, за исключением того, что направление времени в ней развернуто в обратном направлении, так что материя из белой дыры, наоборот, извергается. Физики ищут белые дыры в космосе, но пока безуспешно. Смысл идеи белых дыр состоит в том, что Большой взрыв, возможно, первоначально был белой дырой, и все звезды и планеты, которые мы видим в небесах, были выброшены из какой-то черной дыры около четырнадцати миллиардов лет назад.

Дело в том, что только теория всего может сказать нам, что находится по ту сторону черной дыры. Только вычислив квантовые поправки к гравитации, мы сможем ответить на глубочайшие вопросы, которые ставят перед нами кротовые норы.

Но если кротовые норы когда-нибудь позволят нам мгновенно перемещаться по галактике, то смогут ли они также провести нас в прошлое?

Путешествия во времени – неотъемлемый элемент научной фантастики еще со времен «Машины времени» Герберта Уэллса. Мы можем свободно передвигаться в трех измерениях (вперед-назад, вправо-влево и вверх-вниз), так что, возможно существует и способ передвижения в четвертом измерении – времени. Уэллс описывал его так: человек входит в машину времени, поворачивает диск-указатель, а затем переносится через сотни тысяч лет в будущее, в год 802 701 н. э.

С тех самых пор ученые исследуют возможность путешествий во времени. Когда Эйнштейн в 1915 г. только предложил свою теорию гравитации, он очень тревожился, что его уравнения разрешат играть со временем и проникать в прошлое, – он был уверен, что это указывало бы на ошибку в его теории. Но эта возможность стала реальной в 1949 г., когда сосед Эйнштейна по знаменитому Принстонскому институту перспективных исследований, великий математик Курт Гёдель, обнаружил, что если бы Вселенная вращалась, то при перемещении по ней с достаточной скоростью можно было проникнуть в прошлое, то есть вернуться в момент времени до отправления. Эйнштейна поразило это неортодоксальное решение. В своих мемуарах он в конечном итоге заключил, что, хотя во Вселенной Гёделя путешествия во времени возможны, эту возможность можно отбросить «из физических соображений», подразумевая, что на самом деле Вселенная расширяется, а не вращается.

Сегодня, хотя физики по-прежнему не уверены в возможности путешествий во времени, они воспринимают этот вопрос очень серьезно. Был найден целый ряд новых решений уравнений Эйнштейна, допускающих путешествия во времени.

Для Ньютона время было подобно стреле. Единожды отправившись в путь, оно безостановочно летит вперед с одинаковой во всей вселенной скоростью. Одна секунда на Земле равна одной секунде в любой другой точке пространства. Часы, находящиеся в любых уголках вселенной, можно синхронизировать. Для Эйнштейна, однако, время больше похоже на реку. На своем извилистом пути меж звезд и галактик оно может ускоряться или замедляться. Время в разных точках вселенной может идти с разной скоростью. Новая картина, однако, утверждает, что в реке времени могут иметься водовороты, способные забросить вас в прошлое (физики называют их замкнутыми времениподобными кривыми). Не исключено также, что река времени может разветвляться на два потока, так что линия времени тоже расщепляется, образуя две параллельные вселенные.

Хокинг был настолько захвачен путешествиями во времени, что бросил вызов другим физикам. Он считал, что должен существовать какой-то скрытый закон физики, пока не обнаруженный, который он называл гипотезой о защищенности хронологии, и что этот закон раз и навсегда запретит путешествия во времени. Но доказать эту гипотезу ему, несмотря на все старания, так и не удалось. Это означает, что путешествия во времени, равно как и машина времени, могут все же оказаться совместимыми с законами физики.

Кроме того, Хокинг иронично заметил, что если путешествия во времени возможны, то «где же тогда туристы из будущего?». Каждое значительное историческое событие должно, по идее, привлекать орды туристов, которые, потрясая камерами и расталкивая друг друга, отчаянно пытаются найти самый лучший ракурс и сделать фотографии поинтереснее, чтобы было чем похвастать в будущем перед друзьями.

Задумайтесь на мгновение, какие шалости и розыгрыши вы могли бы учинить, если бы у вас была машина времени. Возвращаясь в прошлое, вы могли бы безошибочно играть на бирже и стать миллиардером. Вы могли бы изменять ход прошедших событий. Письменная история стала бы невозможной. Историки остались бы без работы.

Разумеется, у путешествий во времени есть серьезные проблемы. Существует множество парадоксов, связанных с путешествиями во времени. Вот некоторые из них.

Можно сделать настоящее невозможным: если вы отправитесь в прошлое, встретитесь со своим дедушкой, когда он был ребенком, и убьете его, то как вы вообще можете существовать на свете?

Машина времени из ниоткуда: некто из будущего делится с вами секретом путешествий во времени. Много лет спустя вы сами отправляетесь в прошлое и передаете секрет путешествий во времени себе самому, только более молодому. Откуда же в таком случае берется этот секрет?

Можно стать собственной матерью: писатель-фантаст Роберт Хайнлайн написал рассказ о том, как можно положить начало собственному генеалогическому древу. Представьте, что девочка-сирота вырастает, но меняет пол и становится мужчиной. Затем этот мужчина возвращается в прошлое, встречает себя и заводит с собой ребенка – девочку. После этого мужчина увозит дочку еще дальше в прошлое и оставляет в том самом приюте, после этого цикл повторяется. Таким образом, девочка становится сама себе матерью, дочерью, бабушкой, прабабушкой и т. д.

В конечном итоге разрешение всех этих парадоксов может произойти только тогда, когда будет сформулирована полная теория квантовой гравитации. Например, когда вы входите в машину времени, ваша временная линия может расщепляться и создавать параллельную квантовую вселенную. Допустим, вы отправляетесь в прошлое, чтобы не допустить убийства Авраама Линкольна в театре Форда. Возможно, вы его и спасете, но в параллельной вселенной. Следовательно, Линкольн в вашей первоначальной вселенной все равно погибает и ничто не меняется. Но вселенная расщепилась надвое, и в параллельной вселенной вы спасаете президента Линкольна.

Таким образом, если считать, что линия времени способна расщепляться с образованием параллельных вселенных, то все парадоксы путешествий во времени могут быть разрешены.

На вопрос путешествий во времени можно будет ответить определенно только тогда, когда мы сумеем вычислить гравитонные квантовые поправки, на которые до сих пор не обращали внимания. Физики применили квантовую теорию к звездам и к кротовым норам, осталось применить ее к самой гравитации через гравитоны, но для этого необходима теория всего.

Эта дискуссия поднимает интересные вопросы. Может ли квантовая механика полностью объяснить природу Большого взрыва? Может ли она в случае применения к гравитации ответить на один из великих вопросов науки: что происходило до Большого взрыва?

Откуда взялась Вселенная? Что привело Вселенную в движение? Это, возможно, одни из величайших вопросов как теологии, так и науки и предмет бесконечных предположений.

Древние египтяне верили, что Вселенная начиналась в виде космического яйца, плавающего в Ниле. Некоторые полинезийцы верили, что Вселенная началась с космического кокосового ореха. Христиане верят, что Вселенная была приведена в движение, когда Бог сказал: «Да будет свет!»

Происхождение Вселенной давно интересует и физиков, особенно после того, как Ньютон снабдил нас убедительной теорией всемирного тяготения. Но когда сам Ньютон попытался применить свою теорию ко Вселенной, которую мы видим вокруг, он столкнулся с проблемами.

В 1692 г. он получил встревожившее его письмо от священника Ричарда Бентли. В этом письме Бентли просил Ньютона объяснить скрытый, но, возможно, разрушительный недостаток его теории. Если Вселенная конечна и если гравитация всегда притягивает, но никогда не отталкивает, то со временем все звезды во Вселенной притянутся друг к другу. Мало того, если времени будет достаточно, они все сольются в одну-единственную гигантскую звезду. Так что конечная Вселенная должна быть нестабильной и со временем схлопнуться. Поскольку этого не происходит, в теории Ньютона, должно быть, имеется ошибка.

Далее он утверждал, что законы Ньютона предсказывают нестабильность Вселенной даже в том случае, если она бесконечна. В бесконечной Вселенной с бесконечным числом звезд сумма всех сил, действующих на звезду слева и справа, будет тоже бесконечна. Следовательно, эти бесконечные силы должны со временем разорвать звезды на части и в конечном итоге привести к их распаду.

Ньютона это письмо встревожило, потому что сам он не рассматривал возможности применения своей теории ко всей Вселенной. Позже Ньютон предложил интересный, но неполный ответ на этот вопрос.

Да, признал он, если гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает, то звезды и сама Вселенная, возможно, нестабильны. Но в этих рассуждениях есть пробел. Предположим, что Вселенная в среднем совершенно однородна и бесконечна во всех направлениях. В такой статичной Вселенной все силы гравитации компенсируют друг друга, и она остается стабильной. Если взять любую звезду, то действующие на нее в разных направлениях силы притяжения всех отдаленных звезд в конечном итоге складываются в нуль, и потому Вселенная не схлопывается.

Это, конечно, было остроумное решение проблемы, но Ньютон понимал, что и в нем есть потенциальная слабость. Вселенная может быть в среднем однородной, но она не может быть в точности одинаковой во всех точках, так что крохотные отклонения все же должны быть. Подобно карточному домику, она кажется стабильной, но даже крохотное нарушение вызовет мгновенный коллапс всей конструкции. Ньютон был достаточно умен и понимал, что однородная бесконечная Вселенная, хотя и стабильна, всегда балансирует на грани коллапса. Иными словами, взаимная компенсация бесконечных сил должна быть бесконечно точной, иначе Вселенная либо схлопнется, либо будет разорвана на части.

В конечном итоге Ньютон пришел к выводу, что Вселенная бесконечна и в среднем однородна, но иногда Богу приходится слегка встряхивать звезды во Вселенной, чтобы они не схлопнулись под действием гравитации.

Но это вызывает новую проблему. Если считать, что Вселенная бесконечна и однородна, то, в какую бы точку пространства мы ни бросили взгляд, он рано или поздно наткнется на звезду. Но поскольку звезд во Вселенной бесконечное количество, то и света в наши глаза должно попадать бесконечно много со всех направлений.

Ночное небо должно быть белым, а не черным. Эта загадка называется парадоксом Ольберса.

За поиск ответа на этот каверзный вопрос брались величайшие умы в истории человечества. Кеплер, например, просто отбросил парадокс, заявив, что Вселенная конечна и, следовательно, никакого парадокса не существует. Другие ученые высказывали предположения о том, что звездный свет заслоняют от нас пылевые облака. (Но такое объяснение не годится, поскольку через бесконечное время пылевые облака разогреваются и начинают излучать как абсолютно черное тело, аналогично звезде. Так что Вселенная вновь становится белой.)

Окончательный ответ дал Эдгар Аллан По в 1848 г. Как астроном-любитель, он был буквально заворожен парадоксом и сказал, что ночное небо черное, так как если двигаться назад во времени достаточно долго, то когда-нибудь мы достигнем отсечки, то есть начала существования Вселенной. Иными словами, ночное небо черно потому, что возраст Вселенной конечен. Мы не получаем из бесконечно далекого прошлого света, который сделал бы ночное небо белым, потому что у Вселенной не было бесконечно далекого прошлого. Это означает, что телескопы, направленные на самые далекие звезды, со временем увидят черноту самого Большого взрыва.

Остается лишь удивляться тому, как человек исключительно силой мысли, без каких бы то ни было экспериментов смог прийти к выводу, что Вселенная непременно должна иметь начало.

Эйнштейн, формулируя в 1915 г. общую теорию относительности, должен был непременно столкнуться с этими ошеломляющими парадоксами.

Еще в 1920-е гг., когда он впервые начал применять свою теорию к самой Вселенной, астрономы говорили, что Вселенная статична, что она не расширяется и не сжимается. Но Эйнштейн нашел в своих уравнениях нечто озадачивающее. Попытки решить их показывали, что Вселенная динамична, что она либо расширяется, либо сжимается. (Тогда он этого не понял, но это был ответ на вопрос Ричарда Бентли. Вселенная не схлопывается под действием гравитации, потому что она расширяется, преодолевая таким образом тенденцию к схлопыванию.)

Чтобы найти хоть какую-нибудь статичную вселенную, Эйнштейну пришлось ввести в уравнения поправочный коэффициент (получивший название космологической постоянной). Подобрав величину этого коэффициента вручную, он смог скомпенсировать расширение или сжатие Вселенной.

Позднее, в 1929 г., астроном Эдвин Хаббл, воспользовавшись гигантским телескопом обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, сделал поразительное открытие. Оказалось, что Вселенная все же расширяется, как и предсказывали с самого начала уравнения Эйнштейна. Хаббл пришел к такому выводу, проанализировав доплеровское смещение света далеких галактик. (Когда звезда движется от нас, ее световые волны немного растягиваются, так что длина волны света чуть увеличивается, а весь спектр звезды слегка смещается в сторону красной области. Когда звезда движется к нам, ее световые волны сжимаются, так что длина волны света чуть уменьшается, а весь спектр звезды слегка голубеет. Тщательно проанализировав галактики, Хаббл обнаружил, что в среднем для их света характерно красное смещение, иначе говоря, они удаляются от нас. Таким образом, Вселенная расширяется.)

В 1931 г. Эйнштейн побывал в обсерватории Маунт-Вилсон и встретился с Хабблом. Когда Эйнштейну сказали, что в космологической постоянной нет необходимости и что Вселенная все-таки расширяется, он признал, что космологическая постоянная была его «величайшей ошибкой». (На самом деле, как мы увидим, не так давно космологическая постоянная вернулась, так что даже ошибки Эйнштейна открывают совершенно новые области для научных исследований.)

Кроме того, полученный результат позволял сделать еще один шаг и рассчитать возраст Вселенной. Имея вычисленную Хабблом скорость убегания галактик, можно было «пустить запись» в обратную сторону и рассчитать, как долго уже продолжается это расширение. Первоначальный расчет показал, что возраст Вселенной равен 1,8 млрд лет (это создало неловкую ситуацию, поскольку уже было известно, что возраст Земли больше – ей 4,6 млрд лет. Последние данные с космического телескопа «Планк» дают нам возраст Вселенной, равный 13,8 млрд лет).

Следующая революция в космологии произошла, когда физики начали применять квантовую теорию к Большому взрыву. Русский физик Георгий Гамов задался вопросом: если Вселенная начала свое существование в виде гигантского сверхгорячего взрыва, то не должна ли часть его тепла уцелеть до наших дней? Если применить квантовую теорию к Большому взрыву, то получается, что первоначальный огненный шар должен был представлять собой квантовое абсолютно черное тело – идеальный излучатель. Поскольку свойства абсолютно черного тела хорошо известны, можно, по идее, рассчитать и излучение, которое представляет собой послесвечение, или эхо Большого взрыва.

В 1948 г. Гамов и его коллеги Ральф Альфер и Роберт Херман вычислили, что температура остаточного излучения Большого взрыва сегодня должна быть примерно на пять градусов выше абсолютного нуля. (Реальная его температура составляет 2,73 K.) Такова температура Вселенной после миллиардов лет остывания.

Это предсказание подтвердилось в 1964 г., когда Арно Пензиас и Роберт Вильсон при помощи гигантского радиотелескопа в Холмделе обнаружили в космическом пространстве это остаточное излучение. (Сначала они решили, что фоновое излучение объясняется каким-то дефектом их аппаратуры. По легенде, они поняли свою ошибку, когда прочли лекцию в Принстоне и кто-то в аудитории сказал: «Либо вы регистрируете птичий помет на антенне, либо возникновение Вселенной». Для проверки им пришлось тщательно соскрести с антенны радиотелескопа весь голубиный помет.)

Сегодня это микроволновое реликтовое излучение, пожалуй, самое убедительное и весомое свидетельство в пользу Большого взрыва. Как и предсказывалось, недавние спутниковые снимки фонового излучения показывают однородный огненный шар энергии, равномерно распределенный по Вселенной. (Когда вы слышите помехи в радиоприемнике, их источником в определенной мере является Большой взрыв.)

Мало того, спутниковые фотографии сегодня настолько качественны, что на них можно обнаружить ничтожную рябь на фоновом излучении, обусловленную квантовым принципом неопределенности. В момент рождения Вселенной происходили, судя по всему, квантовые флуктуации, которые и вызвали эту рябь. Идеально гладкий Большой взрыв нарушил бы принцип неопределенности. Мелкая рябь со временем расширилась вместе с Большим взрывом и при этом породила все те галактики, которые мы видим. (Более того, если бы наши спутники не увидели бы на фоновом излучении этой квантовой ряби, ее отсутствие разрушило бы наши надежды применить квантовую теорию к Вселенной.)

Это дает нам замечательную новую картину квантовой теории. Своим существованием в галактике Млечный Путь в окружении миллиардов других галактик мы обязаны крохотным квантовым флуктуациям во время Большого взрыва. Миллиарды лет назад все, что вы видите вокруг, было крохотной точкой в этом фоновом излучении.

Следующий шаг вперед был сделан, когда удалось применить достижения квантовой теории и Стандартной модели к общей теории относительности.

Воодушевленные успехом Стандартной модели в 1970-е гг., физики Алан Гут и Андрей Линде задались вопросом: можно ли применить уроки, извлеченные из Стандартной модели и квантовой теории, к Большому взрыву?

Вопрос этот был новаторским, поскольку Стандартная модель в космологии в то время еще не применялась. Гут заметил, что два загадочных аспекта Вселенной невозможно объяснить Большим взрывом в том виде, каким его представляли до того момента.

Во-первых, существует проблема кривизны пространства во Вселенной. Теория Эйнштейна гласит, что ткань пространства-времени должна обладать легкой кривизной. Но при анализе кривизны Вселенной кажется, что на самом деле она намного более плоская, чем предсказывает теория Эйнштейна. Больше того, создается впечатление, что наша Вселенная совершенно плоская с точностью до экспериментальной погрешности.

Во-вторых, она намного более однородна, чем должна бы быть. В процессе Большого взрыва в первоначальном огненном шаре обязательно должны были присутствовать нерегулярности и отклонения от идеала. Однако Вселенная представляется вполне однородной, в каком бы направлении мы ни смотрели в небеса.

Оба этих парадокса можно разрешить с привлечением квантовой теории и явления, которое Гут назвал инфляцией. Во-первых, согласно его идее, Вселенная пережила этап сверхскоростного расширения – намного более быстрого, чем то, что первоначально постулировалось для Большого взрыва. Это фантастическое расширение сделало Вселенную в основном плоской и устранило ту кривизну, которая имелась поначалу.

Во-вторых, первоначальная Вселенная могла быть нерегулярной, но какая-то крохотная ее часть оставалась однородной, и именно она в процессе инфляции раздулась до громадных размеров. Это позволяло объяснить, почему Вселенная сегодня выглядит такой однородной: мы происходим из крохотного однородного кусочка более масштабного огненного шара, рожденного Большим взрывом.

Инфляция влечет за собой далеко идущие последствия. Из нее следует, в частности, что видимая Вселенная вокруг нас представляет собой на самом деле крохотный, пренебрежимо малый кусочек гораздо более масштабной вселенной, которую мы, однако, никогда не увидим, поскольку она находится слишком далеко.

Но что же вызвало инфляцию? Что запустило этот процесс? Почему вообще Вселенная стала расширяться? Пытаясь ответить на эти вопросы, Гут черпал вдохновение в Стандартной модели. В квантовой теории мы начинаем с симметрии, а затем нарушаем ее при помощи бозона Хиггса, чтобы получить ту Вселенную, которую видим вокруг. Используя аналогичный подход, Гут высказал предположение о существовании нового типа бозона Хиггса (так называемого инфлатона), который сделал возможной инфляцию. Как и в случае с настоящим бозоном Хиггса, Вселенная родилась в ложном вакууме, породившем эпоху стремительной инфляции. Но затем внутри инфляционного поля возникли квантовые пузыри. Внутри такого пузыря появился истинный вакуум, где инфляция прекратилась. Наша Вселенная родилась как один из этих пузырей. Внутри пузыря Вселенная замедлилась до современной скорости расширения.

Пока инфляционная концепция соответствует астрономическим данным. На сегодня это ведущая теория. Но у нее имеются неожиданные следствия. Если мы привлекаем квантовую теорию, это означает, что Большой взрыв может происходить снова и снова. Новые вселенные могут постоянно рождаться из нашей Вселенной.

Это означает, что на самом деле наша Вселенная – всего лишь единственный пузырек в море пены, где каждый пузырек – вселенная. Иначе говоря, возникает мультивселенная, состоящая из множества параллельных вселенных. Вместе с тем по-прежнему остается открытым вопрос: что изначально двигало инфляцию? Чтобы объяснить это, как мы увидим в следующей главе, требуется еще более продвинутая теория – теория всего.

Общая теория относительности дает нам не только беспрецедентную возможность заглянуть в самое начало Вселенной, но и описать ее окончательную судьбу. Разумеется, в древних религиях можно найти яркие образы конца времен. Древние викинги верили, что мир закончится Рагнарёком, или Сумерками богов, когда гигантская снежная буря охватит всю планету, а боги начнут последнюю битву со своими небесными врагами. Для христиан книга «Откровение» пророчит всевозможные катастрофы, катаклизмы и появление четырех всадников Апокалипсиса, предвещающих Второе пришествие.

Но для физика традиционно существуют два пути, способных привести к концу всего мира. Если плотность Вселенной низка, то гравитации звезд и галактик не хватит, чтобы противостоять расширению пространства, Вселенная будет расширяться вечно и медленно придет к Большому замерзанию. Звезды исчерпают все ядерное топливо, небо почернеет, и даже черные дыры испарятся. Вселенная постепенно превратится в безжизненное, сверххолодное море дрейфующих элементарных частиц.

Если плотность Вселенной достаточно велика, гравитации звезд и галактик, возможно, хватит, чтобы противостоять пространственному расширению. Тогда звезды и галактики со временем схлопнутся в Большом сжатии, при котором температура взлетит до небес и уничтожит всю жизнь во Вселенной. (Некоторые физики даже предполагают, что после этого Вселенная, возможно, вновь вспыхнет в Большом взрыве, и все начнется сначала – получится этакая циклическая вселенная.)

Но в 1998 г. астрономы сделали поразительное заявление, перевернувшее многие из лелеемых нами преставлений и заставившее переписать учебники. Проанализировав далекие сверхновые по всей Вселенной, они обнаружили, что Вселенная не замедляется в своем расширении, как считалось ранее, а наоборот, ускоряется. Мало того, оказалось, что она входит в режим катастрофического разбегания.

Астрономам пришлось пересмотреть два существовавших прежде сценария, и появилась новая теория. Возможно, Вселенная умрет в процессе так называемого Большого разрыва, при котором ее расширение ускорится до потрясающего уровня. Она будет расширяться так быстро, что ночное небо станет совершенно черным (поскольку свет от соседних звезд не сможет достичь нас) и температура всего приблизится к абсолютному нулю.

При такой температуре жизнь существовать не может.

Движущей силой ускоряющегося расширения является, возможно, то, от чего уже однажды отказался Эйнштейн в 1920-е гг., – космологическая постоянная, энергия вакуума, которую теперь называют темной энергией. Удивительно, но количество темной энергии во Вселенной огромно. Более 68,3 % всей материи и энергии во Вселенной находится в этой загадочной форме. (Вместе темная энергия и темная материя составляют большую часть материи / энергии во Вселенной, но это две разные сущности и путать их друг с другом не следует.)

По иронии судьбы, ни одна из известных теорий не позволяет объяснить все это. Если попытаться просто подсчитать количество темной энергии во Вселенной (опираясь на постулаты теории относительности и квантовой теории), мы получим величину, которая в 10¹²⁰ раз превосходит реальную! (10¹²⁰ – это единица со 120 нулями.)

Это, безусловно, самое масштабное расхождение между теорией и экспериментом в истории науки. Да и ставки в этой игре такие, что больше не бывает: на кону конечная судьба самой Вселенной.

Разобравшись в этой проблеме, мы узнаем, как умрет наша Вселенная.

После нескольких десятилетий затишья в области исследований общей теории относительности недавнее применение к ней квантовой теории открыло перед учеными неожиданные горизонты, особенно сейчас, с появлением новых мощных инструментов. На наших глазах появляются все новые и новые направления исследований.

До сих пор мы говорили о применении квантовой механики только к материи, которая движется в гравитационных полях Эйнштейновой теории. Мы не касались гораздо более сложного вопроса – применения квантовой механики к самой гравитации в форме гравитонов.

Именно здесь мы сталкиваемся с величайшей проблемой – с поиском квантовой теории гравитации, десятилетиями ставившим в тупик величайших физиков мира. Прежде всего посмотрим, что нам удалось узнать к настоящему моменту. Мы помним, что при применении квантовой теории к свету было введено понятие фотона – частицы света. При движении фотон окружают электрическое и магнитное поля, которые колеблются, пронизывают пространство и подчиняются уравнениям Максвелла. Именно поэтому свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Мощь уравнений Максвелла заключается в их симметричности, то есть способности превращать электрическое поле в магнитное и наоборот – магнитное в электрическое.

При столкновении фотона с электронами уравнение, которое описывает это взаимодействие, выдает бесконечные результаты. Однако при помощи фокусов, придуманных Фейнманом, Швингером, Томонагой и другими, мы можем спрятать эти бесконечности. Родившаяся в результате этого теория получила название квантовой электродинамики. Затем мы применили этот метод к ядерному взаимодействию: заменили первоначальное поле Максвелла полем Янга – Миллса, а электрон заменили серией кварков, нейтрино и т. п. На следующем этапе мы применили новый набор фокусов, изобретенных 'тХоофтом и его коллегами, чтобы вновь устранить все расходимости.

Таким образом, три из четырех фундаментальных взаимодействий Вселенной удалось объединить в единую теорию – Стандартную модель элементарных частиц. Эта теория не особенно красива, поскольку собрана из симметрий сильного и слабого ядерных взаимодействий и электромагнитного взаимодействия. Так или иначе, она работала. Однако попытка применить этот опробованный на практике метод к гравитации приводит к проблемам.

В теории частицу гравитации следует называть гравитоном. Аналогично фотону это точечная частица, и при движении со скоростью света ее окружают волны гравитации, которые подчиняются уравнениям Эйнштейна.

Пока все хорошо. Проблема возникает, когда гравитон сталкивается с другими гравитонами, а также с атомами. Если попытаться применить все те фокусы, которые ученые с таким трудом изобретали последние семьдесят лет, выяснится, что ни один из них не работает. Величайшие умы столетия неоднократно пытались решить эту проблему, но до сих пор никто не добился успеха.

Ясно, что здесь требуется совершенно новый подход, поскольку все простые идеи уже исследованы и отброшены. Нам нужно что-то по-настоящему свежее и оригинальное. И все это ведет к самой противоречивой теории в физике – теории струн, которая как раз и может оказаться достаточно безумной, чтобы занять место теории всего.