Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время - От кризиса в физике к будущему вселенной

Эйнштейн модифицировал свои уравнения, добавив член, который противодействует гравитации, побуждая вселенную к расширению. Эта модификация пришла с новой константой природы, представляющей плотность энергии пустого пространства. Эйнштейн назвал ее космологической постоянной . Хорошим подтверждениям для нее является обнаруженное недавно ускорение расширяющейся вселенной. Более общее название для причины ускоренного расширения есть темная энергия , но если ее плотность постоянна в пространстве и времени, она может быть описана эйнштейновской космологической константой. До настоящего времени наблюдения соответствуют этому, но некоторые космологические сценарии требуют возможного изменения темной энергии.

Я не думаю, что Эйнштейн когда-либо представлял себе, что эта константа однажды будет измерена, но это произошло. Она имеет чрезвычайно малую величину - и, соответственно, гигантские следствия. Хотя она и мала, ее проявления суммируются по всей вселенной. Так что имеются две противоположные силы,

к оглавлению

действующие на вселенную. Гравитация от всей материи вызывает сжатие, тогда как космологическая константа ускоряет расширение.

Эйнштейн предполагал статическую вселенную, в которой эти силы точно сбалансированы. Но с этим тоже есть проблема - такой баланс нестабилен. Дернем вселенную только на йоту, и одна из тенденций победит, так что вселенная должна или всегда расширяться или всегда сжиматься. Вселенная полна движущихся звезд, черных дыр, гравитационных волн, которые обеспечивают достаточно дерганий, чтобы гарантировать, что она не могла бы долго находиться в равновесии.

Поразительное заключение состоит в том, что вселенная должна иметь историю. Она может расширяться, и она может сжиматься, но она не может оставаться той же самой. В 1920-х годах некоторые астрономы и физики нашли решения уравнений ОТО - решения, которые описывали расширяющуюся вселенную. Это было удачно, поскольку в 1927 астроном Эдвин Хаббл открыл подтверждение тому, что вселенная расширяется, - что предполагает, что она должна была иметь начало. И в самом деле, каждое из этих новых нестабильных решений имело начальный момент времени.

Такие решения связаны с именами Александра Фридмана, Х. П. Робертсона, Артура Уолкера и Жоржа Леметра; их по первым буквам фамилий авторов называют FRWL-вселенными. Это очень простые модели, в которых предполагается, что вселенная везде в пространстве одинакова. То есть повсюду достигается одинаковая плотность материи и радиации. В первый момент времени в FRWL-вселенной плотность материи и радиации и сила гравитационного поля становятся бесконечными и составляют начальную сингулярность . В этой точке ОТО перестает работать, поскольку уравнения больше не описывают эволюцию будущего из настоящего. Бесконечные величины вызывают разрушение теории.

Реакция многих физиков была такой, что уравнения разрушаются потому, что изучавшиеся модели были слишком просты. Они утверждали, что если ввести больше деталей, - таких, что вселенная могла бы иметь локальные особенности вроде звезд, галактик и гравитационных волн, - сингулярность могла бы быть ликвидирована и вы смогли бы продолжить экстраполировать время назад

к оглавлению

за пределы этой точки. Эта гипотеза была трудна для подтверждения, поскольку в эпоху до суперкомпьютеров было невозможно полностью изучить решения уравнений теории Эйнштейна. Так что гипотеза пережила несколько десятилетий просто потому, что ее было тяжело проверить. Но она оказалась неверной. В 1960-х годах Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали теорему, заключающуюся в том, что сингулярности имеются во всех решениях уравнений ОТО, которые могут описывать нашу вселенную.

Если ОТО является правильным описанием нашей вселенной, тяжело избежать заключения, что время не может быть фундаментальным. Иначе мы имеем ряд затруднительных вопросов, на которые приходится искать ответы. Например: Что происходило до того как время стартовало? Что запустило вселенную? Еще более головоломными являются вопросы о вневременных законах: Если законы вечны, то что они делали до возникновения вселенной, которой они управляют? Очевидный ответ в том, что до вселенной не было времени, что означает, что законы должны быть более глубоким аспектом мира, чем время.

В некоторых из этих решений время, однажды стартовав, движется дальше вечно, так же как вселенная вечно расширяется и разрежается. Но в других решениях вселенная достигает максимального расширения, а затем коллапсирует к Большому Хрусту, в котором многие наблюдаемые величины снова становятся бесконечными; эти последние решения описывают вселенные, в которых время тоже имеет конец. Запуск и остановка времени не представляют проблемы для картины монолитной вселенной, в рамках которой все, что реально, это лишь история вселенной, взятой как вневременное целое. Эта реальность не дискредитируется, если она включает в себя мир, в котором время начинается и заканчивается. Вместо этого, открытие, что время начинается в решениях ОТО, которые описывают целую вселенную, усиливает картину монолитной вселенной, а также ослабляет любое утверждение, что время более фундаментально, чем закон.