Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас Страница 7

◻ в. Деннис Скиама

5. Что сформулировал Хокинг в своей докторской диссертации?

◻ а. Теорема о существовании сингулярности

◻ б. Теория Большого взрыва Вселенной

◻ в. Доказательство расширения пространства

Ответы: 1б, 2в, 3а, 4в, 5а

Экспедиция в воображаемое

Первая доля секунды Вселенной – великая загадка. Но многие аспекты состояния материи и того времени стали доступны исследователям: с помощью гигантских ускорителей частиц они имитировали экстремальные физические условия, которые когда-то были повсюду в космосе. Однако самое начало всего так и остается недостижимым даже для самых сложных экспериментов. Если это вообще реально, то исследовать его можно только с точки зрения научных теорий, которые, конечно, должны быть каким-то образом доказаны и обоснованы. Есть надежда, что космические окаменелости могут быть изучены опытными исследователями.

Стивену Хокингу и его коллегам удалось обнаружить следы в послесвечении Большого взрыва, а в некоторых случаях даже предсказать их существование еще до того, как их смогли измерить. Но это еще не все: Хокинг и его коллеги хотят понять начало мира и выяснить, что было до Большого взрыва. Имеет ли время на самом деле начало или оно само произошло из таинственной вечности?

Конечная точка физики?

Если бы мы повернули колесо времени вспять, то увидели бы, как вся Вселенная возникла из одной точки. Но эта сингулярность угрожает современной науке и принуждает ее к капитуляции. Здесь терпят неудачу физика и космология, основанные на теории относительности Эйнштейна. Но это ещё не говорит об истинной природе Вселенной, а лишь о представлениях ученых. Если бы эти представления можно было поправить и расширить, это стало бы шансом понять, как произошел Большой взрыв.

Ключевые вопросы таковы: является ли сингулярность Большого взрыва «реальным» препятствием для наших научных познаний и тупиком всех объяснений? Или это всего лишь промежуточный результат незаконченной теории, который можно устранить с помощью более прогрессивной теории?

Сингулярность «свернутого» пространства-времени перед Большим взрывом не является состоянием, объектом или частью природы, но в лучшем случае абстрактным объектом физической теории. Таким образом, сингулярности – просто сигнал окончания действия области применимости общей теории относительности. Но это еще не препятствие для исследований, а скорее преимущество. Становится очевидной ограниченность наших знаний в рамках теории относительности. С научными теориями такго, как правило, не происходит.

Предположения, альтернативы и последствия

Доказательства сингулярностей Хокинга основаны на трех общих и весьма правдоподобных условиях:

■ Гравитация должна быть достаточно сильной, чтобы не допустить выхода чего-либо за пределы ограниченного пространства (например, черной дыры).

■ Причины всегда должны предшествовать следствиям.

■ Скорость звука в каком-либо месте не может быть выше скорости света в этом месте. Не существует отрицательной массы или плотности энергии.

Это означает, что, по мнению Хокинга, сингулярностей кривизны можно «избежать», если хотя бы одно из этих условий не выполняется. В принципе, существует несколько способов обойти теоремы сингулярности. И для всех них уже разработаны прекрасные модели:

■ «Начало» всего на самом деле было временной петлей, циклическим временем. Или время изменило направление в момент Большого взрыва, что бы это ни значило.

■ Наши представления об энергии и материи неполны, поэтому Вселенная может простираться в бесконечное прошлое, или Большой взрыв мог возникнуть из некоего вневременного состояния.

■ Теория относительности неприменима к Большому взрыву, поскольку, например, время больше не является непрерывным, а лишь идет вперед отдельными шажками или даже растворяется.

Вселенная без границ

Поначалу Хокинг поставил своего рода стоп-сигнал для космологических объяснений своими доказательствами сингулярности. Однако позже он смог проехать мимо этого тупика в физике без остановок. В 1981 году у него возникла идея, которую он назвал «безграничным состоянием Вселенной», и он развил ее совместно с Джеймсом Хартлом. В принципе, это должно было позволить рассчитать физическое состояние Вселенной без уравнений, содержащих сингулярность и разбивающихся об нее!

Хокинг решил эту сложную проблему. Космологи спорят о том, является ли его решение разумным и убедительным с точки зрения физики. Неясно, верно ли идея Хокинга описывает Вселенную. В ее пользу говорит доказательство того, что сингулярность Большого взрыва не обязательно должна быть последним словом в исследовании.

Тяжёлая тема даже для Хокинга.

Космологи любят иллюстрировать расширяющуюся Вселенную с помощью своего рода воронки, увеличение размеров которой символизирует расширение Вселенной. Внизу, в самом узком месте, она обрезана. Этот край, граница, символизирует сингулярность. Если представить себе воронку, сужающуюся в точку, то эта точка и будет представлять собой сингулярность.

Условие безграничности Хокинга гласит, что Вселенная не имеет края, границы или сингулярности. Вместо этого твердый край или острый кончик закруглены, то есть заменены полусферой, как у воланчика. Самое главное при этом заключается в том, что эта полусфера, известная на языке физиков как инстантон, имеет четыре пространственных измерения.

«Предельное условие Вселенной заключается в том, что она не имеет пределов».

Согласно общей теории относительности, во Вселенной существует зловещая сингулярность Большого взрыва (слева). Хокинг и его коллеги это доказали. Позднее ему удалось заменить этот математический артефакт так называемым инстантоном[2] с мнимым временем.

Математический трюк Хокинга заключался в том, чтобы придать пространственное измерение времени. Он назвал это мнимым временем. То, что неспециалистам кажется почти магией, на самом деле основано на надежной и нисколько не противоречивой математике. Мнимые числа уже зарекомендовали себя в традиционной физике, особенно в квантовой теории. С мнимым временем сингулярность исчезает, хотя бы чисто математически. Поэтому инстантон не имеет предела, границы в