Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной - Стивен Хокинг

Даже если поиски первичных черных дыр окажутся безрезультатными (что весьма вероятно), они дадут нам важную информацию о самых ранних стадиях эволюции Вселенной. Если ранняя Вселенная была хаотичной или неоднородной или если давление вещества было низким, в ней должно было образоваться значительно больше первичных черных дыр, чем предельное число, установленное по наблюдениям фонового гамма-излучения. Отсутствие наблюдаемых первичных черных дыр можно объяснить, только если ранняя Вселенная была очень гладкой и однородной и если давление в ней было велико.

Общая теория относительности и квантовая механика

Излучение черных дыр стало первым примером предсказания, зависящего от обеих великих теорий XX века — общей теории относительности и квантовой механики. Поначалу оно породило множество возражений, поскольку противоречило общепринятой точке зрения. «Как черная дыра может что-либо излучать»? Когда я впервые рассказал о результатах своих вычислений на конференции в лаборатории им. Резерфорда, расположенной поблизости от Оксфорда, мои выводы были встречены всеобщим недоверием. По окончании моего доклада председатель заседания Джон Дж. Тейлор из лондонского Королевского колледжа назвал все мои результаты вздором. Он даже написал об этом статью.

Однако в конце концов большинство людей, включая Джона Тейлора, пришли к выводу, что черные дыры должны испускать излучение, как нагретые тела, если наши представления об общей теории относительности и квантовой механике верны. Таким образом, даже если мы пока не обнаружили ни одной первичной черной дыры, большинство ученых согласны с тем, что если таковая будет найдена, она должна обладать мощным гамма- и рентгеновским излучением. Если мы найдем ее, я получу Нобелевскую премию.

Существование излучения черных дыр, по-видимому, означает, что гравитационный коллапс не является таким уж окончательным и необратимым процессом, как мы предполагали. Если астронавт упадет в черную дыру, ее масса увеличится. Когда-нибудь энергия, эквивалентная этой дополнительной массе, вернется во Вселенную в виде излучения. Так что астронавт в некотором смысле подвергнется «переработке». Впрочем, это будет не очень приятный вариант бессмертия, поскольку личное ощущение времени для астронавта почти наверняка перестанет существовать, когда он будет раздавлен в черной дыре. Даже элементарные частицы, испущенные впоследствии черной дырой, будут в общем случае отличаться от тех, из которых состоял астронавт. Все, что сохранится от астронавта при попадании в черную дыру, — это его масса (или энергия).

Приближения, использованные мною для оценки излучения черных дыр, должны хорошо подходить для черных дыр с массой, превышающей доли грамма. Однако они не работают, когда жизненный цикл черной дыры подходит к концу и ее масса становится очень маленькой. Кажется, что наиболее вероятным исходом будет простое исчезновение черной дыры, по крайней мере из нашей области Вселенной. Она исчезнет вместе с астронавтом и любой сингулярностью, которая может в ней заключаться. Это было первым признаком того, что квантовая механика может устранить сингулярности, предсказанные общей теорией относительности. Однако методы, которыми я и другие исследователи пользовались в 1974 г. для изучения квантовых эффектов гравитации, не давали ответов на такие вопросы, как возможность появления сингулярностей в квантовой теории гравитации.

Поэтому начиная с 1975 г. я занялся разработкой более эффективного подхода к квантовой гравитации на основе идеи суммирования по траекториям, предложенной Фейнманом. Ответы на вопросы о происхождении и судьбе Вселенной, полученные в рамках этого подхода, будут описаны в следующих двух лекциях. Мы увидим, что квантовая механика допускает, что Вселенная может иметь начало, отличное от сингулярности. То есть законы физики могут не нарушаться в момент рождения Вселенной. Состояние Вселенной и ее содержимое, включая нас, полностью определяются законами физики вплоть до предела, установленного принципом неопределенности. Вот вам и свобода воли.

Если астронавт упадет в черную дыру, ее масса увеличится. Когда-нибудь энергия, эквивалентная этой дополнительной массе, вернется во Вселенную в виде излучения.

На протяжении 1970-х гг. я в основном работал над проблемой черных дыр. Однако в 1981 г. во время конференции по космологии в Ватикане во мне вновь проснулся интерес к вопросам происхождения Вселенной. Католическая церковь совершила во времена Галилея большую ошибку, когда попыталась диктовать свои условия в вопросах науки, провозгласив, что Солнце обращается вокруг Земли. А теперь, столетия спустя, деятели Католической церкви решили пригласить специалистов, чтобы посоветоваться по вопросам космологии.

По окончании конференции ее участники были удостоены аудиенции у Папы Римского. Он сказал нам, что нет ничего дурного в том, чтобы изучать эволюцию Вселенной после Большого взрыва, но мы не должны углубляться в изучение самого Большого взрыва, поскольку это был момент творения, а значит, деяние Божие.

Я был рад, что он не знает тему доклада, представленного мной на конференции. Мне не хотелось разделить судьбу Галилея; я очень сочувствую ему, отчасти потому, что родился три столетия спустя после его смерти.

Модель горячего Большого взрыва

Чтобы объяснить содержание моей статьи, я сначала изложу общепринятые взгляды на историю Вселенной в соответствии с моделью, известной под названием «модель горячего Большого взрыва». В ней подразумевается, что Вселенная с момента Большого взрыва описывается моделью Фридмана. В таких моделях расширение Вселенной сопровождается снижением температуры материи и излучения. Поскольку температура — это всего лишь мера средней энергии частиц, это остывание Вселенной будет сильно влиять на содержащуюся в ней материю. При очень высоких температурах частицы будут двигаться настолько быстро, что смогут преодолеть любое взаимное притяжение, обусловленное ядерными или электромагнитными силами. Однако можно ожидать, что при охлаждении частицы, притягивающиеся друг к другу, начнут слипаться.