Если математически проследить расширение пространства в обратном направлении, то есть выпустить воздух из воздушного шара Вселенной, вы неизбежно придете к точке, где дальше сдувать уже не сможете: математические уравнения имеют здесь так называемую сингулярность. Энергия, температура, плотность и кривизна пространства становятся там бесконечными, тогда как само пространство и время становятся нулевыми. Все известные законы природы теряют свою силу. Научные утверждения больше невозможны. Сингулярность оказывается непредсказуема.
«Время имеет начало. Если классическая общая теория относительности верна, то в прошлом действительно должна была существовать сингулярность, которая была началом времени».Космологи предполагали, что Большой взрыв был (или стал продолжением) странной сингулярности, еще до того, как Хокинг начал свои исследования. Однако многие физики не хотели принимать это неопределимое начало и выдвигали различные возражения: они утверждали, что сингулярность – это всего лишь результат неудачно выбранных координат. Можно говорить о сингулярности земного шара на Северном и Южном полюсах, поскольку там пересекаются линии долготы. Но законы физики не могут быть абсурдными. Более того, критики утверждали, что ничто не может сжиматься сколь угодно сильно – в какой-то момент противодавление обязательно возобладает. И если Вселенная вращается, что не было ни доказано, ни опровергнуто, то возникающие при этом силы могли бы предотвратить формирование сингулярности. Более того, Вселенная могла расширяться неравномерно. Тогда, если бы кто-то проследил это во времени, могло бы оказаться, что не все сошлось в одной точке и не было никакой сингулярности.
Полюса на земном шаре обладают «сингулярностью» долготы, но это всего лишь свойство системы координат.
Но ни одно из этих возражений не было достаточно обосновано! Принимая во внимание даже общие законы классической физики, сингулярность Большого взрыва невозможно исключить или полностью опровергнуть. Это, вероятно, самый важный результат докторской диссертации Хокинга, которую он завершил в Кембриджском университете в 1966 году. И это сразу же сделало его известным в профессиональных кругах.
Хокинг был не одинок. Его идеи основывались на гениальной работе Роджера Пенроуза (который был удостоен за это Нобелевской премии по физике в 2020 году; если бы Хокинг был жив, он получил бы ее вместе с Пенроузом). Совместно со своим научным руководителем Деннисом Скиамой и Пенроузом, который был вторым рецензентом его диссертации, а также другими физиками Хокинг продолжал свое исследование вплоть до 1970 года. Оказалось, что при всей абсурдности идеи сингулярность просто неизбежна. Это понимание имело огромное значение, как неоднократно подчеркивал сам Хокинг.
«В момент начальной сингулярности, прямо перед Большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными. В таких условиях все известные законы природы утратили бы свою силу. Это было бы катастрофой для науки, поскольку означало бы, что наука в одиночку не могла бы сделать никаких заявлений о начале Вселенной. Из этого можно было сделать только один вывод: Вселенная такова, какова она сейчас, потому что она была такой, какова она была тогда. Но это не могло объяснить, почему тогда, вскоре после Большого взрыва, все было именно так».Таким образом, теоремы Хокинга и его коллег о сингулярностях стали важным теоретическим прорывом. Они установили временной предел познаний. Тем не менее, этот предел не является непреодолимым, а наоборот, продолжает оставаться стимулом и трамплином для новых идей космологов. Самая сложная задача – найти путь за этот порог или обойти его. В противном случае Большой взрыв навсегда останется непознанным.
«Большой взрыв» «Большому взрыву» рознь
Ситуация вызвала некоторую путаницу не только с точки зрения физики как таковой, но и в понимании термина. Можно выделить по крайней мере следующие шесть значений термина «Большой взрыв»:
■ Мгновенное создание всей материи: такова была идея космолога Жоржа Леметра, который в 1931 году предположил распад «первичного атома» в начале расширения Вселенной. Астроном Фред Хойл раскритиковал эту идею, употребив в научно-популярной британской радиопрограмме 28 марта 1949 года негативный термин «Большой взрыв». Это был фактический прорыв «Большого взрыва» – не как теории, а как термина, который с тех пор вошел в общее употребление. Хойл был убежден в непрерывном создании новой материи в расширяющемся пространстве.
■ Импульс расширения: загадочная сила или импульс расширения пространства. В этом смысле космологи в Кембридже уже говорили о «взрыве» в 1930-х годах, включая Артура Эддингтона, который, однако, счел это неправдоподобным. Хойл взял этот термин и переосмыслил его.
■ Горячая, плотная ранняя фаза нашей Вселенной: здесь легкие элементы образовались в течение нескольких минут (более тяжелые образовались гораздо позже в звездах). Тот факт, что наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва в этом смысле слова, теперь принимается почти всеми космологами, вопреки предубеждениям Хойла.
■ Начальная сингулярность: тот самый момент времени, в котором известные законы природы рушатся. Из этого не следует, что этот математический предел действительно имеет физический эквивалент. Прежде всего, сингулярность просто означает невозможность научного описания природы с помощью общей теории относительности.
■ Абсолютное начало пространства, времени и энергии: такие модели Большого взрыва обозначают самый первый момент, с которого все началось.
■ Начало нашей Вселенной: это не обязательно начало «всего», а только нашей материи, энергии и, возможно, пространства-времени. Тогда наша Вселенная не возникла бы из «ничего» и, вероятно, была бы лишь одной из многих. Таким образом, «наш» Большой взрыв был бы просто резким переходом. Что-то существовало раньше и, возможно, «всегда».
Это многообразие значений никак не объясняет, что же произошло на самом деле. Основной вопрос о начале всего сущего прослеживается во всех концепциях «Большого взрыва».
Вопросы
1. Что такое световой год?
◻ а. Указание времени в астрономии
◻ б. Мера расстояния в пространстве
◻ в. Фундаментальная природная константа
2. Что такое сингулярность?
◻ а. Одинокий астроном
◻ б. Появление материи, согласно общей теории относительности
◻ в. Математический объект
3. Насколько велика наблюдаемая Вселенная?
◻ а. Радиус 13,8 миллиарда световых лет
◻ б. Радиус около 46 миллиардов световых лет
◻ в. Бесконечна
4. С кем Хокинг проводил исследования, будучи студентом?
◻ а. Альберт Эйнштейн
◻