Большой взрыв

Главным для космологии начала 1960-х годов оставался вопрос о начале Вселенной. Многие ученые подсознательно отвергали эту идею, а вместе с ней и теорию Большого взрыва, ощущая, что сотворение Вселенной – это момент, на котором терпит фиаско любая из наук. Пытаясь ответить на вопрос о начале Вселенной, многие ссылались на религию, видя в нем Божье Провидение.

В качестве обоснования выдвигались два альтернативных сценария. Один – стационарная теория, согласно которой по мере расширения во Вселенной создавалась все новая и новая материя, что позволяло поддерживать практически постоянный уровень плотности. Но стационарная теория была лишена сильной теоретической основы, так как создание материи требовало поля отрицательной энергии, из-за существования которого Вселенная потеряла бы устойчивость и могла беспрепятственно создавать материю и отрицательную энергию. Зато эта теория позволяла делать вполне определенные прогнозы, которые можно было проверить при помощи наблюдений.

Но к 1963 году группа радиоастрономов под руководством Мартина Райла из Кавендишской лаборатории пошатнула позиции теории стационарной Вселенной, проведя исследование источников слабых радиосигналов. Выяснилось, что они распределены по небу практически равномерно, это означало, что все они находятся за пределами нашей Галактики, так как в противном случае они были бы сосредоточены вдоль Млечного Пути. Но график зависимости числа источников от их яркости шел вразрез с выкладками теории стационарной Вселенной. Слабых источников было слишком много, что позволяло говорить о том, что в далеком прошлом их плотность была гораздо выше.

Хойл и его сторонники выдвигали новые, все более невероятные объяснения данному явлению, но последний гвоздь в крышку гроба стационарной теории был забит в 1965 году после открытия слабого фонового микроволнового излучения. (Оно подобно излучению в микроволновой печи, но его температура составляет всего 2, 7° Кельвина, то есть чуть выше абсолютного нуля. ) Этому явлению теория стационарной вселенной объяснения дать не могла, хотя Хойл и Нарликар отчаянно сопротивлялись. Какое счастье, что в свое время Хойл не взял меня к себе, а то теперь мне пришлось бы отстаивать стационарную теорию.

Наличие микроволнового фона указывало на то, что в прошлом Вселенная прошла горячую плотную стадию. Правда, это и не доказывало, что именно эта стадия стала ее началом. Можно было предположить, что этой фазе предшествовала фаза сжатия, после которой при высокой, но конечной плотности произошел отскок от сжатия к расширению. Ответ на вопрос «происходило ли все именно так? » был фундаментальным, и ответ на него был нужен мне, чтобы завершить диссертацию.

Гравитация уплотняет материю, а вращение разрывает ее на части. Поэтому в первую очередь меня интересовал вопрос, могло ли вращение спровоцировать отскок Вселенной. Вместе с Джорджем Эллисом я сумел доказать, что ответ на этот вопрос отрицательный, при условии, что Вселенная пространственно однородна, то есть если она одинакова в любой точке пространства. Однако советские ученые Евгений Лившиц и Исаак Халатников утверждали, что им удалось доказать: общее сжатие при отсутствии полной симметрии всякий раз будет приводить к отскоку, как только будет достигаться конечная плотность. Такое объяснение было весьма удобным для марксистко-ленинского диалектического материализма, так как снимало вопрос о происхождении Вселенной. Поэтому их теория стала непреложной догмой для советских ученых[5].

Лившиц и Халатников были представителями старой школы изучения общей теории относительности, то есть они, как все, записывали огромные системы уравнений и пытались решить их[6]. Однако нельзя было с большой долей уверенности утверждать, что эти решения описывают общие случаи. Роджер Пенроуз предложил новый подход, который не требовал решения собственно полевых уравнений Эйнштейна, а, напротив, использовал лишь определенные свойства, к примеру, что энергия положительна, а гравитация обладает свойством притягивать. В январе 1965 года Пенроуз провел семинар на эту тему в Королевском колледже Лондона. Я на этот семинар не попал, но мне рассказал о нем мой коллега Брэндон Картер, с которым в то время мы работали в одном кабинете на новой кафедре прикладной математики и теоретической физики в Кембридже, располагавшейся на Силвер-стрит.

Моя диссертация, наконец оконченная: «Свойства расширяющейся Вселенной».

Сначала я никак не мог понять, в чем суть его теории. Пенроуз показал[7], что как только умирающая звезда достигает определенного радиуса, возникает сингулярность – точка, где заканчиваются время и пространство. Мы и так знаем, думал я, что невозможно препятствовать коллапсу массивной холодной звезды, который происходит под действием ее собственной гравитации до тех пор, пока она не достигнет состояния сингулярности с бесконечной плотностью. Но фактически это уравнение было решено лишь для звезды абсолютно правильной сферической формы, но где найти такую звезду? Если Лившиц и Халатников были правы, то отклонения от симметрии сферы будут увеличиваться по мере распада звезды и приведут к тому, что разные части звезды не смогут точно попадать друг в друга, что сделает невозможным достижение точки сингулярности с бесконечной плотностью. Но Пенроуз доказал, что их вывод был ошибочным, показав, что небольшие отклонения от сферической симметрии не будут препятствовать достижению сингулярности.

Тогда я понял, что эти положения можно применить и к расширению Вселенной. Это давало мне возможность доказать, что существуют сингулярности, где начинаются время и пространство. И опять Лившиц и Халатников оказались неправы[8]. Общая теория относительности предполагала, что Вселенная должна иметь начало, результат, который не ускользнул от внимания церкви.

Изначально обе теоремы сингулярности – и моя и Пенроуза – строились на предположении, что во Вселенной существует горизонт Коши, то есть поверхность, которую траектория каждой частицы пересекает лишь один раз. Поэтому было вполне возможным, что наши первые теоремы просто доказывали отсутствие во Вселенной горизонта Коши. Но разве могло это сравниться с тем, что у времени есть начало и конец? Поэтому я вознамерился решить теорему сингулярности и на этот раз избежать допущения о существовании горизонта Коши.

В течение следующих пяти лет совместно с Роджером Пенроузом и Бобом Герочем я разрабатывал теорию причинностной структуры в общей теории относительности. Какое это было сказочное ощущение – иметь в своем распоряжении целую область. В отличие от физики элементарных частиц нам не приходилось расталкивать локтями конкурентов, гоняющихся за свежими идеями, хотя им это мало помогает.

Более подробно этот опыт описан в моем труде, получившем премию Адамса в Кембридже в 1966 году. Это труд лег в основу книги «Крупномасштабная структура пространства-времени», которую мы написали в соавторстве с Джорджем Эллисом и которая была выпущена в 1973 году издательством Кембриджского университета. Книга до сих пор переиздается, так как, по сути, остается последним словом в вопросе о причинностной структуре пространства-времени, то есть в вопросе о том, какие точки пространства-времени могут влиять на события в других точках. Однако я должен предупредить читателей, что книга эта не для широкой аудитории, она написана исключительно специальным языком, ибо в то время мне импонировала строгость истинного математика. Сегодня я изменился и больше забочусь о том, чтобы оказаться правым, нежели праведным. Тем более что строгость вряд ли применима к квантовой физике, строящейся на весьма шаткой математической основе.