Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

ніякої відповіді на питання, чи мав у своєму минулому цілий Всесвіт сингулярність Великого вибуху. Однак на той час, коли Пенроуз запропонував свою теорему, я був аспірантом і відчайдушно шукав якусь проблему, щоб завершити свою дисертацію. Двома роками раніше, лікарі мені поставили діягноз «бічний аміотрофічний склероз», широко відомий як «хвороба Лю Ґеріґа» чи «захворювання рухового нейрона», і дали зрозуміти, що жити мені лишилося рік-два. За цих обставин мені не здавалося, що робота над дисертацією мала великий сенс — я не сподівався прожити так довго. Та два роки проминули, а мій стан не так уже й погіршився. Насправді мої справи йшли доволі добре: я заручився з дуже гарною дівчиною, Джейн Вайлд. Але щоб одружитись, потрібна була робота, а щоб знайти роботу — ступінь доктора з філософії.

У 1965 році я прочитав про теорему Пенроуза, що будь-яке тіло, зазнаючи гравітаційного колапсу, має врешті сформувати сингулярність. Згодом я зрозумів, що якщо в його теоремі змінити напрямок часу на зворотний, так щоб колапс обернувся на розширення, то умови його теореми все ще будуть справедливі, якщо тепер у великих масштабах Всесвіт був би приблизно подібний до Фрідманової моделі. Згідно з теоремою Пенроуза, кінцевим станом будь-якої зорі, що колапсує, повинна бути сингулярність; зміна часу на зворотний вказує на те, що будь-який розширний Всесвіт Фрідманового типу має виникати з сингулярності. З технічних причин теорема Пенроуза потребувала, щоб Всесвіт був нескінченний у просторі. Тож, по суті, я міг використовувати її, щоб довести тільки, що сингулярність повин­на існувати, якщо розширення Всесвіту відбувається достатньо швидко, щоб уникнути колапсу знов (адже тільки такі моделі Фрідмана були нескінченні у просторі).

Протягом кількох подальших років я розробив нові математичні методи, щоб вилучити цю та інші технічні умови з теорем, які підтвердили, що сингулярності мають виникати. 1970 року кінцевим результатом стала спільна, моя з Пенроузом, стаття, в якій нарешті доведено, що сингулярність Великого вибуху повинна була існувати, при умові тільки, що загальна теорія відносності правильна і що Всесвіт містить стільки матерії, скільки ми спостерігаємо. Було багато заперечень щодо нашої роботи, почасти з боку росіян через їхню марксистську віру в науковий детермінізм, і частково з боку людей, які сприйняли її так, що загалом ідея сингулярності відворотна і псує красу Айнштайнової теорії. Але насправді ніхто не може сперечатися з математичною теоремою. Так врешті наша робота стала загальновизнаною, і тепер майже всі вважають, що Всесвіт виник з сингулярності Великого вибуху. Може, це дещо іронічно, бо мій погляд змінився і тепер я намагаюся переконати інших фізиків у тому, що насправді не було ніякої сингулярності на початку Всесвіту — як ми побачимо далі, вона може зникнути, після того як врахувати квантові ефекти.

В цьому розділі ми побачили, як усього лише за пів століття змінилося людське уявлення про Всесвіт, сформоване протягом тисячоліть. Габлове відкриття, що Всесвіт розширюється, і усвідомлення незначності нашої власної планети у безмежності простору, були лише початком. З новими експериментальними та теоретичними доказами ставало дедалі очевидніше, що Всесвіт повинен був мати початок у часі, поки 1970-го року Пенроуз і я остаточно цього не довели, базуючись на Айнштайновій загальній теорії відносності. Це доведення показало, що загальна теорія відносності не повна: вона не може сказати нам, як виник Всесвіт, адже передбачає, що всі фізичні теорії, зокрема й вона сама, не виконуються на початку Всесвіту. Однак загальна теорія відносності не претендує бути більш ніж частковою теорією, так що теореми про сингулярність насправді стверджують, що мав бути час у дуже ранньому Всесвіті, коли той був такий малий, що більше не можна було б нехтувати дрібномасштабними ефектами іншої великої теорії XX століття, квантової механіки. Тому на початку 70-х нам довелося в своїх пошуках розуміння Всесвіту перейти від нашої теорії надзвичайно великого до нашої теорії надзвичайно крихітного. Ця теорія, квантова механіка, буде описана далі, перш ніж ми повернемося до зусиль об’єднати дві часткові теорії в єдину квантову теорію гравітації.

Розділ 4   ПРИНЦИП НЕВИЗНАЧЕНОСТІ

Успіх наукових теорій, а особливо Ньютонової теорії тяжіння, на початку дев’ятнадцятого сторіччя підштовхнув французького науковця маркіза де Лапласа до твердження, що Всесвіт цілком визначений. Лаплас висловив припущення про існування набору наукових законів, які дозволять людям передбачити все, що відбуватиметься у Всесвіті, якщо тільки знати повний стан цього Всесвіту в якийсь час. Наприклад, якщо знати положення та швидкості Сонця і планет у якийсь один момент, ми могли б застосувати Ньютонові закони для визначення стану Сонцевої системи в будь-який інший момент. Тут детермінізм здається досить очевидним, але Лаплас на цьому не спинився, припустивши, що подібні закони керують й усім іншим, зокрема людською поведінкою.

Із доктриною наукового детермінізму категорично не погоджувалися багато людей, які вважали, що та зазіхає на Божу свободу втручатися в світ, але до початку XX століття вона залишалася звичайним науковим припущенням. Однією з перших ознак того, що від цього погляду треба відмовитися, стали розрахунки британських науковців лорда Рейлі (Релея) та сера Джеймса Джинса, які вказали на те, що гарячий об’єкт, або тіло на кшталт зорі, повинен випромінювати енергію з нескінченною інтенсивністю. Згідно з законами, у які вірили в той час, гаряче тіло мало випромінювати електромагнетні хвилі (такі як радіохвилі, хвилі видимого діяпазону або Рентґенові) рівномірно на всіх частотах. Наприклад, гарячі тіла повинні випромінювати таку ж кількість енергії на частотах від одного до двох трильйонів хвиль за секунду, як і від двох до трьох трильйонів хвиль за секунду. А позаяк діяпазон частот необмежений, це означатиме, що повна випромінювана енергія буде нескінченна.

Щоб уникнути цього відверто безглуздого результату німецький науковець Макс Планк у 1900 році припустив[12], що світло, Рентґенові промені та інші хвилі не можуть випромінюватися з довільною інтенсивністю, а лише певними пакетами, які він назвав квантами[13]. Навіть більше, кожен квант має певну кількість енергії — що вища частота хвиль, то більшу, тож на досить високих частотах випромінювання одного кванта потребуватиме більше енергії, ніж є в наявності. Відповідно, випромінювання на високих частотах буде зменшене, тож інтенсивність, з якою тіло втрачатиме енергію, буде скінченна.

Квантова гіпотеза дуже добре пояснила спостережену інтенсивність випромінювання з гарячих тіл, але її значення для детермінізму стало зрозуміле лише 1926 року, коли інший німецький науковець, Вернер Гайзенберґ, сформулював свій знаменитий принцип невизначеності. Щоб передбачити майбутні положення і швидкість частинки, потрібно вміти точно вимірювати її теперішні положення і швидкість.