Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Надеюсь, я убедил вас, что Большой адронный коллайдер не только самый мощный в мире микроскоп для изучения того, что происходит в самых глубинах вещества. В некотором смысле это еще и невероятно мощный телескоп, способный заглянуть в далекое прошлое, в те времена, когда вселенная была еще очень, очень молода и, в отличие от телескопов, смотрела далеко в будущее.

Я хочу поговорить о вселенной как о голограмме. Предполагаю, вы знаете, что голограмма – это представление трехмерного объекта на двумерной поверхности, такой как фотографическая пластинка. Меня предположительно изобразили голограммой в раннем эпизоде сериала «Звездный Путь: Новое Поколение». Я говорю «предположительно», потому что, хотя я и казался трехмерным на экранах звездолета «Энтерпрайз», телевизионные экраны того времени не были способны – и все еще неспособны – воспроизводить трехмерные голографические изображения. Это будет следующей технологической революцией. В том эпизоде я играл в покер с Исааком Ньютоном, Альбертом Эйнштейном и командующим Дейта. Посмотрим, что случилось. Из-за «красной угрозы» я не мог снять свой выигрыш в 140 федеральных кредитов. Я обратился в студию Paramount, но они не знали обменного курса.

Возвращаясь к вселенной. Ее история – это история трехмерного объекта, развивающегося во времени, так что он существует в четырех измерениях. Следовательно, он может быть представлен как голограмма на трехмерной поверхности. Можно подумать, что это должна быть поверхность с двумя пространственными измерениями и одним временным. Некоторое время назад я предложил, чтобы время трактовалось так же, как и направления в пространстве. Это можно сделать, введя мнимую временную координату, тау = i t.

Это называется Эвклидовым подходом, потому что при этом метрика пространства-времени становится положительной и определенной, как и метрика Эвклидова пространства. Сначала такой подход встретил массированное сопротивление, но сейчас это принимается как лучший метод понимания квантовой гравитации. Если время ведет себя как еще одно направление в пространстве, то четырехмерная история вселенной до настоящего времени – это четырехмерный диск радиусом, равным возрасту вселенной. История вселенной может быть представлена в виде голограммы на краях этого диска, которые в настоящее время представляют собой трехмерную поверхность. Другими словами, история вселенной закодирована в настоящем времени, что, может быть, и не так удивительно.

В начале 1960-х шли большие дебаты касательно того, имела ли вселенная начало конечное время тому назад. Если да, то появлялся очевидный вопрос – а что было до появления вселенной? Как шутка. Альтернативная теория гласила, что вселенная существовала всегда, как верил Аристотель, поскольку нечто вечное более совершенно и поскольку это позволяло избежать неловких вопросов про творение.

Чтобы избежать начала вселенной, на котором ломалась физика, Хойл, Бонди и Голд предложили теорию устойчивого состояния. Согласно этой теории, вселенная существовала всегда, а чтобы ее плотность не менялась, вещество постоянно создается, по мере того, как она расширяется. Теория устойчивого состояния никогда не дружила с наблюдениями, но последний гвоздь в крышку ее гроба вбило обнаружение слабого микроволнового фона. Эти микроволны такие же, что в вашей микроволновой печи, но намного менее мощные. Они нагреют вашу пиццу только до –271,3 °C, и этого не хватит даже чтобы разморозить ее, не говоря уже о том, чтобы приготовить.

Между тем вы можете сами наблюдать эти микроволны. Включите аналоговый телевизор на пустой канал. Некоторый процент «снега» на экране будет вызван как раз этими фоновыми микроволнами. Теория устойчивого состояния никак не могла объяснить такой фон. Единственная разумная интерпретация состоит в том, что это излучение, оставшееся от раннего, очень горячего и плотного состояния вселенной. По мере расширения вселенной, это излучение остывало, пока не превратилось в слабый фон, который мы наблюдаем сейчас.

В теории устойчивого состояния было поле отрицательной энергии, что противоречит физике частиц, потому что это привело бы к безостановочному производству пар частиц с положительной и отрицательной энергией. Предполагая, что все поля имеют положительную плотность энергии, Роджер Пенроуз и я доказали, что если классическая общая теория относительности верна и имеют место определенные физически разумные условия, вселенная должна была начаться с сингулярности.

Сингулярность – это место, где уравнения поля классической общей теории относительности не могут быть определены. То есть, классическая общая теория относительности не может предсказать, как должна была начаться вселенная. Это был вывод, который порадовал папу Иоанна Павла II.

На конференции по космологии в Ватикане папа сказал делегатам, что можно изучать вселенную после ее начала, но в само начало исследовать не надо, потому что это момент творения и действие Бога. Я был рад, что он не знал о моем докладе на конференции с предположениями о том, как началась вселенная. Меня не привлекала судьба Галилея, переданного в руки инквизиции.

Многие современные космологи похожи на папу Иоанна Павла II. Они счастливы приложить законы физики к вселенной после ее начала, но про само начало они высказываются очень туманно. Но пока не сказано о том, что случается в начале вселенной, космология не имеет предсказательной силы. Все, что она может сказать, это что сейчас все такое как есть потому, что оно было таким, как было вскоре после начала.

Хотя классическая общая теория относительности предсказывает, что начало вселенной было сингулярностью, где сама эта теория оказывается неприменимой, мы знаем, что полная теория должна быть квантовой, как и теории других физических полей. Хотя у нас пока нет полной теории квантовой гравитации, верной для всех масштабов, у нас есть приближение, пригодное для практических целей. Оно основано на идее Ричарда Фейнмана о сумме по историям (или траекториям). Фейнман был колоритным персонажем, который играл на бонгах в стрип-баре в Пасадене и был блестящим физиком в Калтехе. Он предложил, что система переходит из состояния А в состояние Б каждым возможным путем или историей. Будет история, в которой Луна сделана из сыра, но ее амплитуда мала, и это плохая новость для мышей.