Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

якийсь момент у минулому (від десяти до двадцяти мільярдів років тому) відстань між сусідніми галактиками мала дорівнювати нулеві. В той момент, який ми називаємо Великим вибухом, густина Всесвіту та кривина простору-часу мали б бути нескінченні. Позаяк математика фактично не може мати справу з нескінченними числами, це означає, що загальна теорія відносності, на якій базуються розв’язки Фрідмана, передбачає існування точки у Всесвіті, в якій сама теорія не виконується. Така точка — приклад того, що математики називають сингулярністю. По суті, всі наші наукові теорії сформульовані на припущенні, що простір-час гладкі та майже плоскі, а тому вони не виконуються в сингулярності Великого вибуху, в якій кривина простору-часу нескінченна. Це означає, що навіть якби до Великого вибуху і відбувались якісь події, ніхто їх не зможе використати, щоб визначити, що станеться згодом, бо передбачуваність втратиться в момент Великого вибуху.

Відповідно, якщо ми знаємо лише те, що відбулося після Великого вибуху, то що трапилось до нього, ми визначити не зможемо. Що стосується нас, події до Великого вибуху не можуть мати жодного наслідку, тому вони не повинні бути частиною наукової моделі Всесвіту. Тож нам слід вилучити їх з цієї моделі і сказати, що відлік часу починається в момент Великого вибуху.

Багатьом людям не подобається ідея, що час має початок, певно, через те що вона наводить на думку про божественне втручання. (Католицька церква, з іншого боку, вхопилася за модель Великого вибуху й 1951 року офіційно проголосила її відповідною до Біб­лії.) Тому були спроби уникнути висновку, що Великий вибух відбувся. Пропозицію, що дістала найбільшу підтримку, названо теорією стаціонарного стану. Її запропонували 1948 року два біженці з окупованої нацистами Австрії, Герман Бонді та Томас Ґольд, та англієць Фред Гойл, який під час вій­ни разом з ними працював над радарами. Ідея полягала в тому, що тоді як галактики віддалялись одна від одної, нові галактики постійно формувались у проміжках між ними з нової матерії, що постійно створювалась. Отже, Всесвіт виглядатиме приблизно однаково в усі часи і з усіх точок простору. Теорія стаціонарного стану потребувала модифікацій загальної теорії відносності, щоб уможливити постійне створення матерії, але необхідна швидкість була така низька (приблизно одна частинка на кубічний кілометр за рік), що вона не суперечила експериментові. Це була добра наукова теорія, в сенсі, описаному в розділі 1: проста та давала певні передбачення, які можна було перевірити через спостереження. Одним з цих передбачень було те, що кількість галактик або подібних об’єктів у будь-якому заданому об’ємі простору має бути однакова, хоч коли б і звідки у Всесвіті ми спостерігали. Наприкінці 1950-х — на початку 1960-х у Кембриджі група астрономів під керівництвом Мартина Райла (який також працював із Бонді, Ґольдом та Гойлом над радарами протягом війни) провела спостереження джерел радіохвиль з космосу. Ця кембридзька група показала, що більшість з цих радіоджерел має міститися за межами нашої Галактики (насправді багато з них можуть бути зідентифіковані як належні іншим галактикам), а також, що слабких джерел було набагато більше, ніж сильних. Вони пояснили це тим, що слабкі джерела віддаленіші, а сильні — ближчі до нас. Потім виявилося, що звичайних джерел в одиниці об’єму простору більше у віддалених областях, ніж у близьких. Це могло означати, що ми перебуваємо в центрі великої області Всесвіту, де джерел менше, ніж деінде. Або ж це може означати, що джерела були численніші у минулому, коли радіохвилі вирушили до нас, ніж тепер. Обидва пояснення суперечать передбаченням теорії стаціонарного стану. Крім того, відкриття мікрохвильового проміння Пенціясом та Вілсоном у 1965 році також показало, що Всесвіт мав бути набагато густіший у минулому. Тож від теорії стаціонарного стану довелося відмовитись.

Двоє російських науковців, Євґеній Ліфшиц та Ісаак Халатніков, у 1963-му зробили ще одну спробу уникнути висновку, що Великий вибух таки був, а разом з тим і початок часу. Вони припустили, що Великий вибух, певно, лише особливість моделей Фрідмана, які, зрештою, тільки наближення до реального Всесвіту. Можливо, з усіх моделей, які приблизно відповідали реальному Всесвітові, тільки у Фрідманових виникає сингулярність Великого вибуху. В його моделях галактики прямо віддаляються одна від одної, тож не дивно, що в певний момент часу всі вони були в тому ж самому місці. У реальному Всесвіті, однак, галактики не віддаляються одна від одної точно по прямій, а мають також невеликі бічні швидкості. Тому насправді вони зовсім не мають бути в тому ж самому місці, а лише дуже близько одна до одної. Можливо, що нинішній розширний Всесвіт виник не в сингулярній точці Великого вибуху, а в ранішу фазу стиснення. Коли Всесвіт колапсував, можливо, не всі частинки в ньому зіткнулися, а пролетіли і потім розійшлися в різні сторони, творячи нинішнє розширення Всесвіту, приблизно як у моделях Фрідмана, лише з урахуванням неоднорідностей і випадкових швидкостей галактик у реальному Всесвіті. Вони показали, що такі моделі можуть брати початок з Великого вибуху, навіть якщо вже галактики не завжди рухатимуться прямо одна від одної, але стверджували, що це можливо лише для певних виняткових моделей, де всі галактики рухалися точно належним чином. Вони доводили, що позаяк нескінченно більше, як видавалося, моделей Фрідманового типу без сингулярності Великого вибуху, ніж з нею, то слід зробити висновок, що в дійсності Великого вибуху не було. Пізніше вони, однак, усвідомили, що був набагато ширший клас моделей Фрідманового типу, які мали сингулярності, й у яких галактикам нема необхідності рухатись якось по-особливому. Тому 1970 року вони відмовились від свого твердження.

Праця Лівшица і Халатнікова цінна, бо показала, що Всесвіт міг мати сингулярність, Великий вибух, якщо загальна теорія відносності правильна. Однак вона не розв’язала головного питання: чи передбачає загальна теорія відносності те, що наш Всесвіт повинен був мати Великий вибух і початок часу? Відповідь на це питання 1965 року була отримана завдяки зовсім іншому підходові британського математика і фізика Роджера Пенроуза. Виходячи з поведінки світлових конусів у загальній теорії відносності й того, що гравітація завжди притягальна, він показав, що зоря, колапсуючи під дією свого власного тяжіння, обмежена областю, поверхня якої зрештою стискається до нульового розміру. А що поверхня області стискається до нуля, то те ж саме має відбутися і з об’ємом. Вся речовина зорі буде стиснута до області з нульовим об’ємом, так що густина речовини та кривина простору-часу стануть нескінченні. Іншими словами, виникає сингулярність у певній області простору-часу, відома як чорна діра.

На перший погляд, результат Пенроуза застосовний лише до зір, і не дає