Если звезды находятся на своих местах вечно, почему они вдруг зажглись несколько миллиардов лет назад? Что за часы указали им время, в которое пора начинать сиять? Это озадачивало таких философов, как Иммануил Кант, который считал, что Вселенная существует вечно. Но большинство людей устраивает мысль о том, что Вселенная примерно в том же виде, что и сейчас, создана всего лишь несколько тысяч лет назад, как вычислил епископ Ашшер. Однако в 1920-х годах наблюдения с помощью 100-дюймового телескопа, установленного в обсерватории Маунт-Вилсон, в этой теории стали находить нестыковки. Прежде всего, Эдвин Хаббл обнаружил, что многие слабые световые пятна, так называемые туманности, на самом деле – другие галактики, огромные скопления звезд, похожих на Солнце, только находящиеся на огромном расстоянии от нас. Чтобы они выглядели такими маленькими и бледными, расстояние до них должно быть столь велико, что свету потребовались миллионы, а может, и миллиарды лет, чтобы достичь наших глаз. А это говорит о том, что Вселенная не могла начаться всего несколько тысяч лет назад.
Но Хаббл обнаружил и еще нечто более примечательное. Анализируя свет далеких галактик, Хаббл смог определить, в какую сторону они движутся – к нам или от нас. К его глубокому изумлению, оказалось, что они почти все от нас удаляются. Более того, чем они дальше, тем выше их скорость. Иными словами, Вселенная расширяется. Галактики разбегаются друг от друга.
Открытие расширяющейся Вселенной стало одной из величайших интеллектуальных революций ХХ века. Оно оказалось полной неожиданностью, поскольку резко изменило направление дискуссий о происхождении Вселенной. Если галактики сейчас удаляются, значит, в прошлом они были ближе друг к другу. Судя по нынешней скорости расширения, можно вычислить, что десять – пятнадцать миллиардов лет назад они располагались очень близко. Выглядит это так, словно в момент начала Вселенной все находилось в одной точке пространства.
Многих ученых не устраивает идея о том, что Вселенная имеет начало, поскольку это предполагает нарушение законов физики. Кто-то предпочитает объяснять этот феномен наличием внешнего фактора, который для удобства именуется «богом». Следовательно, выдвигались теории, согласно которым Вселенная в настоящее время расширяется, но не имеет начала. Одной из них можно назвать теорию стационарного состояния Вселенной, выдвинутую Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом в 1948 году.
В теории стационарного состояния Вселенной разбегание галактик объясняется тем, что из вещества, которое, предположительно, постоянно возникает в пространстве, образуются новые галактики. Таким образом, Вселенная существует вечно и всегда выглядит одинаково. Это последнее свойство обладает тем преимуществом, что выглядит как конкретное предположение, которое можно проверить с помощью наблюдений. Группа радиоастрономов из Кембриджа под руководством Мартина Райла в начале 1960-х годов провела изучение источников слабых радиоволн. Оказалось, что они распределены по небу на удивление равномерно и находятся за пределами нашей галактики. Более слабые источники располагаются дальше, и наоборот.
Теория устойчивого состояния предполагает связь между количеством источников и их силой. Но наблюдения выявили больше слабых источников, чем предполагалось, а это говорит о том, что плотность их в прошлом была выше. Это противоречит базовому положению теории стационарного состояния, согласно которому всё неизменно во времени. По этой и ряду других причин теория стационарного состояния оказалась отвергнута.
Другой попыткой уйти от идеи начала Вселенной стало предположение, что ранее существовала стадия сжатия, но из-за вращения и локальной неоднородности вещества не вся материя сосредоточилась в одной точке. Некоторые куски материи разминулись, и Вселенная снова стала расширяться, при этом ее плотность всегда остается конечной. Двое советских ученых, Евгений Лифшиц и Исаак Халатников, заявили, что получили доказательство того, что в общем случае сжатие без идеальной симметрии должно всегда приводить к отскоку, при этом плотность остается конечной. Это утверждение было очень удобным для марксистско-ленинского диалектического материализма, поскольку позволяло уйти от неловких вопросов о причинах возникновения Вселенной. Таким образом, это стало символом веры для советских ученых.
Я начал заниматься космологией примерно в то время, когда Лифшиц и Халатников опубликовали свое предположение, что Вселенная не имеет начала. Я понял, что это очень серьезный вопрос, но аргументы Лифшица и Халатникова меня не убедили.
Мы привыкли, что причиной событий являются предыдущие события, которые, в свою очередь, произошли из-за еще более ранних событий. Такая причинно-следственная цепочка тянется в прошлое. Но предположим, что у цепочки есть начало – допустим, первоначальное событие. Что стало его причиной? Немногие ученые демонстрируют желание затрагивать этот вопрос. Они стараются избегать его, либо заявляя, как русские ученые и сторонники теории стационарного состояния, что Вселенная не имеет начала, либо настаивая, что вопрос о происхождении Вселенной лежит не в области науки, а а в области метафизики или религии. На мой взгляд, такая позиция недостойна настоящего ученого. Если научные законы в момент зарождения Вселенной оказываются в подвешенном состоянии, не могут ли они оказаться недействительными и в другие моменты? Закон – не закон, если он действует лишь время от времени. Уверен, что мы должны попытаться понять начало Вселенной на научной основе. Возможно, это непосильная для нас задача, но имеет смысл хотя бы попробовать.
Мы с Роджером Пенроузом смогли доказать: если общая теория относительности Эйнштейна верна и соблюдаются определенные рациональные условия, то Вселенная должна иметь начало. С математическими обоснованиями спорить трудно, поэтому Лифшиц и Халатников в итоге согласились с тем, что Вселенная должна иметь начало. Хотя идея начала Вселенной, может, и не совсем соответствовала коммунистическим представлениям, идеологии как таковой никогда не позволяли вставать на пути развития физики как науки. Физики понадобились для создания бомбы, и было важно, чтобы она действовала. Однако советская идеология препятствовала прогрессу в биологии, отвергая генетику как науку.
Наши с Роджером Пенроузом теоремы показали, что Вселенная должна иметь начало, но они мало что могли сказать о характере этого начала. Они показывали, что Вселенная началась с Большого взрыва, с момента, когда Вселенная и все, из чего она состоит, были втиснуты в единственную точку бесконечной плотности, в пространственно-временную сингулярность. В этот момент общая теория относительности Эйнштейна перестает работать. Поэтому нельзя даже предположить, каким образом началась Вселенная. Остается заявить, что объяснение происхождения Вселенной выходит за рамки науки.
Эмпирические данные, подтверждающие, что Вселенная имела очень компактное начало, появились в октябре 1965 года, через несколько месяцев после моей идеи сингулярности. Это было открытие слабого микроволнового фона в космосе. Микроволны ничем не отличаются от тех, что испускает ваша микроволновая печь, разве что гораздо более слабые. Они могут нагреть пиццу всего-то до минус 270,4 градуса Цельсия – маловато для разморозки, не говоря уж о приготовлении. Вы сами могли наблюдать эти микроволны. Те, кто еще помнит аналоговые телевизоры, почти наверняка их видели. При включении телевизора на «пустой» канал несколько процентов «снежинок», которые были видны на экране, как раз имели отношение к этим фоновым микроволнам. Единственное рациональное объяснение этого фона – излучение, оставшееся от ранее очень горячей и плотной структуры. По мере расширения Вселенной это излучение остывает и постепенно превращается в те слабые остатки, которые мы можем наблюдать сегодня.
Мне и ряду других людей не очень нравится идея сингулярности начала Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна перестает работать рядом с Большим взрывом, поэтому она и называется классической. Она неявно предполагает то, что кажется очевидным с точки зрения здравого смысла: каждая частица имеет четко определенное положение и четко определенную скорость. Если известны положения и скорости всех частиц Вселенной в конкретный момент времени, можно вычислить, каковы они могут быть в любой другой момент времени, в прошлом или будущем. Однако в начале ХХ века ученые обнаружили, что не могут определить, что происходит на очень малом расстоянии. Дело не в том, что им были нужны более качественные теории. Оказалось, что в природе существует определенный уровень хаотичности, или случайности, который не может исключить ни одна даже самая лучшая теория. Это отражено в принципе неопределенности, предложенном немецким ученым Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Нельзя абсолютно точно измерить положение и скорость частицы. Чем точнее определяется положение, тем менее точно можно определить скорость и наоборот.
Эйнштейну категорически не нравилась мысль, что во Вселенной правит случай. Свое отношение к этому он выразил в знаменитой фразе: «Бог не играет в кости». Но все свидетельствует о том, что Бог – азартный игрок. Вселенная похожа на гигантское казино, где при каждом случае бросаются кости или запускается колесо рулетки. При каждом броске или обороте колеса владельцы казино рискуют потерять деньги. Но при большом количестве ставок шансы уравниваются, и владелец казино уверен, что средний результат окажется в его пользу. Поэтому владельцы казино так богаты. Единственный шанс выиграть у них – поставить все свои деньги на несколько чисел в рулетке или комбинаций костей.
То же самое во Вселенной. Когда Вселенная большая, существует множество комбинаций того, как выпадут кости, но средний результат предсказать можно. Но когда Вселенная очень маленькая, в самом начале своего расширения, комбинаций тоже мало, и здесь большую роль играет принцип неопределенности. Чтобы понять происхождение Вселенной, необходимо совм