Вселенная без границы
Многих ученых смущает сама постановка задачи, поскольку она как будто граничит с метафизикой или религией. В конце концов, говорят они, Вселенная могла начаться с совершенно произвольного состояния. Это может быть и так, но тогда и эволюционировать она могла бы к совершенно произвольному состоянию. Но все доказательства, которыми мы располагаем, свидетельствуют о том, что эволюция происходит вполне определенным образом в соответствии с хорошо известными нам законами физики. Поэтому не столь неправдоподобным выглядит предположение, что могут существовать также простые законы, которым подчиняются граничные условия и которые определяют начальное состояние Вселенной.
В классической общей теории относительности, не включающей принцип неопределенности, начальное состояние Вселенной – это точка бесконечной плотности. Очень трудно определить, какими должны быть граничные условия в такой сингулярности. Однако, принимая во внимание квантовую механику, можно надеяться на то, что сингулярность «размажется», а пространство и время образуют вместе замкнутую четырехмерную поверхность без границ или краев. Такая поверхность подобна поверхности Земли, но имеет на два измерения больше. Это означало бы, что Вселенная полностью замкнута и, стало быть, для ее описания не нужны никакие граничные условия. Нет необходимости тогда определять состояние Вселенной в бесконечно отдаленном прошлом, и не возникает никаких сингулярностей, в которых неприменимы законы физики. Можно сказать, что граничные условия для такой Вселенной заключаются в том, что у нее отсутствуют границы.
Следует подчеркнуть, что это только предложение таких граничных условий для Вселенной, поскольку их невозможно вывести из какого-то иного принципа. Можно просто выбрать правдоподобный набор условий, рассчитать, какие получатся предсказания для нынешнего состояния Вселенной, и посмотреть, в каких случаях результаты согласуются с наблюдениями. Такие вычисления очень трудоемки, и пока они выполнены только для простых моделей с высокой степенью симметрии. Однако, результаты очень обнадеживают. Они показывают, что Вселенная должна была бы начинаться с довольно гладкого и однородного состояния. Затем она должна была бы пережить период так называемого раздувания, или экспоненциального расширения, во время которого размеры Вселенной увеличиваются в огромное число раз, а плотность остается почти прежней. Затем очень горячая Вселенная должна расширяться, остывая, до того состояния, в котором мы наблюдаем ее сегодня. В таком случае в больших масштабах она будет однородной и одинаковой по всем направлениям, но в ней должны содержаться локальные неоднородности, из которых впоследствии разовьются галактики и звезды.
Что же случилось в начале расширения Вселенной? Был ли у пространства-времени край при Большом взрыве? Ответ заключается в том, что если граничные условия для Вселенной таковы, что она не имеет границ, то для очень раннего периода ее развития само понятие времени не может быть хорошо определено, подобно тому, как направление на «север» теряет смысл на Северном полюсе. Задавать вопрос, что происходило перед Большим взрывом, все равно, что просить указать точку на земной поверхности, расположенную в одном километре к северу от Северного полюса. Величина, которую мы измеряем как время, имела начало, но это отнюдь не означает, что пространство-время имеет край. Точно так же земная поверхность не кончается на Северном полюсе.
В предположении, что пространство-время действительно конечно, но не имеет границ или краев, заключается важный философский смысл. Справедливость такого предположения означала бы, что мы в состоянии описать Вселенную математической моделью, которая полностью определялась бы одними законами физики, без дополнения их граничными условиями. До сих пор мы не знаем точной формулы этих законов. Все, что нам известно к настоящему моменту, это набор частных законов, которые управляют поведением Вселенной при всех условиях, кроме самых экстремальных. Но представляется правдоподобным, что все эти законы являются частью некоторой объединенной теории, которую нам еще предстоит открыть. На первый взгляд, это позволило бы нам предсказать все явления во Вселенной. Однако сила наших предсказаний неизбежно будет ограничена: во-первых, принципом неопределенности, который утверждает, что нельзя предсказать точные значения для некоторых величин, а лишь распределение вероятностей для них, и, во-вторых, что даже более существенно, сложностью уравнений, допускающих точные решения только в очень простых ситуациях. Поэтому и тогда мы все еще будем далеки от веденья.