естить принцип неопределенности с общей теорией относительности Эйнштейна. Это сложнейная задача для физиков-теоретиков. За последние тридцать лет нам еще не удалось решить ее, но прогресс налицо.
Предположим, мы хотим предсказать будущее. Поскольку нам известно несколько комбинаций положения и скорости частицы, мы не можем точно предсказать, как ее положение и скорость изменятся в дальнейшем. Мы можем лишь определить вероятность конкретных комбинаций положения и скорости. Таким образом устанавливается определенная вероятность будущего Вселенной. А теперь попробуем таким же образом представить себе прошлое.
С учетом характера наблюдений, которые мы способны проделать сегодня, можно установить вероятность определенной истории Вселенной. У Вселенной должно быть много вариантов прошлого, и у каждого – своя вероятность. Есть история Вселенной, в которой Англия снова стала чемпионом мира по футболу, хотя вероятность этого невелика. Мысль о том, что у Вселенной несколько вариантов прошлого, может показаться из области научной фантастики, но это научный факт. И все благодаря Ричарду Фейнману, который работал в высшей степени авторитетном Калифорнийском технологическом институте и в свободное время играл на уличных перекрестках на бонго. Для понимания природы вещей Фейнман предложил устанавливать каждому варианту истории степень вероятности и на основании этого делать прогнозы. Это очень хорошо работает для предсказания будущего. Можно предположить, что оно работает и для реконструкции прошлого.
Ученые сейчас пытаются объединить общую теорию относительности Эйнштейна и идею Фейнмана о том, что Вселенная имеет множество историй, в единую теорию, которая будет описывать все, что происходит во Вселенной. Объединенная теория даст нам возможность вычислить, как будет эволюционировать Вселенная. Но объединенная теория сама по себе не объяснит, как началась Вселенная или каково было ее изначальное состояние. Для этого требуется кое-что еще. Нам нужно знать так называемые пограничные условия, то есть то, что может объяснить происходящее на границе Вселенной, на краю пространства и времени. Если граница Вселенной представляет собой нормальную точку пространства и времени, мы можем пройти за нее и объявить территорию, находящуюся дальше, частью Вселенной. С другой стороны, если граница Вселенной имеет зазубренный край, где пространство или время скручиваются, а плотность бесконечна, то будет очень сложно определить поддающиеся толкованию пограничные условия. Так что не ясно, что требуется для пограничных условий. Похоже, нет логических оснований отдавать предпочтение одним пограничным условиям перед другими.
Мы с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре догадались, что есть третья возможность. Не исключено, что Вселенная не имеет границ в пространстве и времени. На первый взгляд, это вступает в прямое противоречие с геометрическими теоремами, которые я упоминал раньше. Они показывают, что у Вселенной должно быть начало, граница времени. Однако ученые, пытавшиеся математическими способами уточнить методы Фейнмана, разработали концепцию, получившую название «мнимое время». Оно не имеет никакого отношения к реальному времени, которое мы ощущаем. Мнимое время не имеет границ. Оно не имеет отношения к пограничным условиям. Мы назвали эту возможность «безграничным предложением».
Если пограничные условия Вселенной заключаются в том, что она не имеет границ в мнимом времени, значит, у нее не единственная история. В мнимом времени существует множество историй, и каждая из них будет определять историю в реальном времени. Таким образом, появляется множество историй Вселенной.
Что влияет на выбор конкретной истории или ряда историй, в которых мы живем, из всего множества вероятных историй Вселенной?
Можно сразу обратить внимание на то, что многие из этих вероятных историй Вселенной не затрагивают последовательность образования галактик и звезд – а это необходимое условие для нашего собственного развития. Не исключено, что разумные существа могут эволюционировать без галактик и звезд, но это маловероятно. Таким образом, сам факт, что мы есть и как разумные существа способны задать вопрос «Почему Вселенная именно такая?», является ограничением для той истории, в которой мы живем. Получается, что это одна из меньшинства историй, в которых существуют галактики и звезды. Мы это называем антропным принципом. Он утверждает, что Вселенная должна быть более или менее такой, какой мы ее видим, потому что, будь она иной, не было бы тех, кто ее может наблюдать.
Многим ученым не нравится антропный принцип, потому что он кажется надуманным и не обладает существенной предсказательной силой. Но антропный принцип можно изложить в точной формулировке, а это имеет большое значение, когда речь идет о происхождении Вселенной. М-теория, наш пока лучший кандидат на роль исчерпывающей объединенной теории, допускает очень большое количество вероятных историй Вселенной.[10] Большинство этих историй совершенно неприемлемы для развития разумной жизни. Они либо пустые, либо слишком короткие, либо слишком сильно искривлены, либо не годятся по каким-то иным причинам. Однако идея Ричарда Фейнмана о множественном прошлом допускает высокую вероятность таких «необитаемых историй».
На самом деле нам совершенно не важно, сколько может существовать историй, которые не содержат разумной жизни. Нас интересует лишь подгруппа, в которой развивается разумная жизнь. Эта разумная жизнь совершено не обязательно должна быть похожа на человеческую. Маленькие зеленые человечки тоже могут существовать, и не исключено, что гораздо лучше. Человечество не может похвастаться особо разумным поведением.
Чтобы понять действенность антропного принципа, попробуем рассмотреть количество направлений во Вселенной. Здравый смысл подсказывает, что мы живем в трехмерном пространстве. Иными словами, мы можем определить положение точки в пространстве тремя координатами. Например, широтой, долготой и высотой над уровнем моря. Но почему пространство трехмерное? Почему у него нет двух, или четырех, или еще какого-то количества измерений, как в научной фантастике? На самом деле в М-теории пространство имеет десять измерений (а также в этой теории есть еще одно измерение – время), но считается, что семь из десяти измерений скрученные и очень маленькие, в то время как остальные три большие и почти плоские. Это похоже на соломинку для коктейля. Поверхность соломинки двумерная. Но одно измерение скручено в маленькую трубочку, поэтому на расстоянии соломинка выглядит как одномерная линия.
Почему мы живем не в той истории, где восемь измерений скручены и малы, а мы обращаем внимание только на два? Двумерное животное будет испытывать большие проблемы с перевариванием пищи. Если у такого животного желудок будет находится внутри, как у нас, то он разделит животное надвое, и бедняга попросту распадется.
Согласно идее о безграничности Вселенной, задавать вопрос о том, что было до Большого взрыва, так же бессмысленно, как спрашивать, где юг на Южном полюсе, – поскольку нет представления о времени, на которое можно сослаться. Концепция времени существует только в нашей Вселенной.
Двух плоских измерений недостаточно для такого сложного явления, как разумная жизнь. В трехмерном пространстве есть нечто особенное. В трехмерном пространстве планеты могут сохранять устойчивые орбиты вокруг своих звезд. Это следствие того, что гравитация подчиняется закону обратных квадратов, открытому Робертом Гуком в 1665 году и доработанному Исааком Ньютоном. Речь идет о гравитационном притяжении двух тел на определенном расстоянии. Если дистанция увеличивается вдвое, сила притяжения уменьшается вчетверо. Если расстояние увеличивается втрое, тогда силу притяжения следует делить на девять, если вчетверо – на шестнадцать и так далее. Это обеспечивает стационарные орбиты планет. А теперь поговорим о пространстве с четырьмя измерениями. Здесь гравитация подчиняется закону обратных кубов. Если расстояние между двумя телами удваивается, то силу притяжения следует делить на восемь, если увеличивается втрое – на двадцать семь, если вчетверо – на шестьдесят четыре. Такое изменение действия закона обратных квадратов приводит к тому, что планеты теряют стационарные орбиты. Они должны либо упасть на свою звезду, либо улететь в космический холод и мрак. Таким же образом потеряют стабильность электроны атомов, и вещество в известном нам виде перестанет существовать. Следовательно, если идея множества историй и допускает такое же множество почти плоских направлений, только в историях, имеющих три плоских направления, возможно нахождение разумных существ. Только в таких историях можно задать вопрос: «Почему пространство имеет три измерения?»
Одна примечательная особенность Вселенной, которую мы наблюдаем, связана с микроволновым фоном, обнаруженным Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. По сути, это реликтовое электромагнитное излучение очень молодой Вселенной. Фон распределен практически равномерно во всех направлениях. Различие составляет примерно одну стотысячную. То есть оно чрезвычайно мало и требует объяснения. Общепринятое объяснение такой однородности заключается в том, что в истории Вселенной был период чрезвычайно быстрого расширения, по крайней мере в миллиард миллиардов миллиардов раз. Этот процесс называется инфляцией, и это хорошо для Вселенной, в отличие от инфляции цен, от которой нередко страдаем мы. Если бы со Вселенной происходило только это, то микроволновое излучение было бы абсолютно одинаковым во всех направлениях. А откуда появляются небольшие различия?
В начале 1982 года я опубликовал статью, в которой предположил, что различия возникают от квантовой флуктуации, которая происходит в инфляционный период. Квантовые флуктуации – это следствие принципа неопределенности. Более того, эти флуктуации стали зернами, из которых проросли все структуры в нашей Вселенной: галактики, звезды и мы сами. В основе этой идеи, в принципе, тот же механизм, что и в так называемом излучении Хокинга с горизонта черной дыры, которое я предсказал десятилетием раньше, только она происходит на космологическом горизонте – поверхности, которая разделяет видимые и невидимые нам части Вселенной. Тем летом в Кембридже мы организовали семинар, в котором приняли участие все крупные специалисты в этой области. На встрече мы сформулировали существующую ныне картину инфляции, в том числе чрезвычайно важную флуктуацию плотности, которая способствовала формированию галактик и, соответственно, нашему существованию. Окончательная картина сложилась несколько позже. Это происходило за десять лет до того, как космическая обсерватория COBE