Один из самых известных космологов, бельгиец Дж. Леметр, много сделавший для развития теории Фридмана и связавший ее с астрономическими наблюдениями, был в 1960–1966 годах президентом Папской академии наук в Ватикане.
Современный мир сложен и многообразен, он становится все более открытым и взаимосвязанным. В наше время папа Иоанн-Павел II активно выступает за всеобщий мир. Пару лет назад он принял представителей астрономии и исследователей космического пространства и произнес речь. Я чувствовал себя несколько необычно, находясь в зале приемов в Ватикане, когда его слушал. В речи высказывалась необходимость мирного исследования космоса, единения всех людей и необходимость дальнейшего успешного развития науки. Сложное переплетение чувств, эмоций, знаний и веры вызвала эта речь. Было осознание того, что этот многоликий мир, полный противоречий, в том числе и противоречий идейных, может жить в ладу и развиваться, если над всем главенствует разумный подход и мудрые личности осуществляют волю людей. Насколько я знаю, мои коллеги испытывали подобные же чувства.
Когда мы встретились в Москве с Дж. Коэном, я решил спросить его, что он думает о понятии времени, почему оно направленно течет от прошлого к будущему. Я не был удивлен тем, что вопрос его несколько смутил: смущаются почти все, кого спрашиваешь об этом. Это действительно один из самых простых «детских» вопросов, на которые особенно трудно отвечать (см. главу «Вместо предисловия»). После короткой паузы он заметил, что он, конечно, может сказать общеизвестные истины из физики, которые наверняка мне известны (о некоторых из них мы дальше поговорим), но хотел бы обратить мое внимание на мысли философа святого Августина о времени. Одно высказывание этого философа я уже приводил в конце первой главы. Дж. Коэн напомнил, что Августин настойчиво подчеркивал мысль о возникновении времени вместе с Вселенной. Поэтому вопрос о том, что было до возникновения Вселенной, бессмыслен, ибо не было этого «до того», не было самого времени. Это очень глубокое замечание.
С сегодняшней точки зрения мы должны сказать, что время в сингулярности в корне меняет свои свойства, и начало расширения мира есть исток нашего непрерывного потока времени. Можем ли мы сказать что-либо еще о сверхплотном сингулярном состоянии?
Американский физик Дж. Уилер последние тридцать лет настойчиво подчеркивает принципиальную важность квантовых флуктуаций свойств пространства-времени, которые должны иметь место в таком необычном состоянии. Здесь пространство-время, как мы знаем, представляет собой «дышащую» пену из возникающих и тут же пропадающих черных и белых дыр, очень маленьких замкнутых мини-вселенных и еще более сложных топологических структур. В последние годы советские физики А. Линде и А. Старобинский развили эти представления в рамках современной физики и космологии.
Советский физик А. Линде, о котором мы уже говорили, последние пятнадцать лет настойчиво работает над проблемой космологической сингулярности. Его идеи смелы и оригинальны. У меня буквально дух захватило, когда он впервые рассказал мне о своей новой теории сингулярного состояния и современной структуры Вселенной.
Согласно нарисованной им картине подавляющая часть физического пространства-времени находится в состоянии «квантовой пены» с плотностью, близкой к начальной огромной плотности. В возникающих из нее «пузырях» происходят квантовые флуктуации, и в то же время они раздуваются из-за гравитационного отталкивания вакуумноподобного состояния, которое там имеется. Большая часть объемов пузырей из-за флуктуаций тут же возвращается в состояние «пены». В малой же части объема продолжается раздувание, сопровождающееся квантовыми флуктуациями плотности вакуумноподобного состояния. Очень малая доля первоначального объема после длинной цепочки случайных флуктуаций может существенно уменьшить свою плотность. Теперь амплитуда квантовых флуктуаций не так велика, как раньше. Эти объемы продолжают систематически раздуваться, как было описано в начале данного раздела, превращаясь после распада вакуумноподобного состояния в горячие вселенные. Временные масштабы всех этих процессов, как помнит читатель, ничтожно малы.
В одной из таких вселенных мы и находимся.
Можно сказать, что происходит вечное рождение Вселенной из флуктуаций (или, если угодно, рождение многих вселенных), вечное воспроизводство Вселенной самой себя. У такого мира в целом нет начала и не будет конца. Он вечен и юн одновременно. Это — картина взрывающейся Вечности.
При рождении новых мини-вселенных из вакуумной пены происходят, вероятно, изменения или, как говорят, флуктуации всех физических параметров, включая изменение размерности пространства и времени и флуктуации самих физических законов.
Итак, возможно, природа «пыталась» несчетное число раз создавать вселенные с самыми разными свойствами. Мы живем в «наиболее удачном» (для нас) экземпляре этого вечного «творения». В нашей Вселенной физические условия оказались наиболее подходящими для возникновения жизни.
Как показывает анализ, возникновение сложных структур, а тем более жизни, во вселенных, где пространство имеет два или, допустим, четыре измерения, невозможно.
Рассмотрим этот важный вопрос подробнее. Почему у нашей Вселенной пространство имеет именно три измерения — длину, ширину и высоту, а не, скажем, два или пять измерений? То, что здесь кроется какая-то загадка, физики осознали достаточно давно. Еще известный австрийский физик Э. Мах прямо поставил вопрос: «Почему пространство трехмерно?» Серьезный анализ проблемы был начат физиком, уроженцем Вены П. Эренфестом.
Чтобы попытаться осознать суть этой проблемы, можно постараться представить, что было бы, если бы пространство имело число измерений, отличное от трех. Посмотрим, что при этом произойдет с простейшими взаимодействиями.
Одним из самых простых примеров физических взаимодействий является закон Кулона для покоящихся зарядов и закон Ньютона для тяготеющих масс. В обоих случаях сила взаимодействия ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. Но еще немецкий философ И. Кант понял, что закон обратных квадратов есть следствие трехмерности нашего пространства. В самом деле, почему сила, например, электростатического взаимодействия ослабевает с расстоянием? Наиболее наглядный ответ заключается в том, что с ростом расстояния силовые линии поля распределяются на все большей поверхности сферы, охватывающей заряд и имеющей радиус, равный расстоянию, разделяющему заряд и пробную частицу. Площадь сферы растет как квадрат радиуса, значит, плотность силовых линий, пронизывающих эту сферу, уменьшается обратно пропорционально квадрату радиуса, что и определяет закон изменения силы.
Но сказанное справедливо только в трехмерном пространстве. Если пространство четырехмерно, то площадь трехмерной сферы (геометрического места точек, равноудаленных от центра в четырехмерном пространстве) пропорциональна уже кубу радиуса, для пространства пяти измерений эта площадь пропорциональна радиусу в четвертой степени, и так далее. Отсюда получается и закон изменения электростатической и гравитационной силы в многомерном пространстве. Почему так важно изменение закона падения силы в пространстве с разной размерностью?
Рассмотрим движение пробного заряда на круговой орбите вокруг центрального заряженного тела (с зарядом противоположного знака, чтобы было притяжение) в пространстве любого числа измерений. Пусть задан момент количества движения заряда (он не может меняться при движении, излучением волн мы пренебрегаем). Тогда — центробежные силы всегда будут обратно пропорциональны кубу расстояния и не зависят от числа измерений пространства. Из механики известно, что для существования устойчивых круговых орбит необходимо, чтобы центробежные силы уменьшались с расстоянием быстрее, чем сила притяжения. Иначе движение по кругу будет неустойчивым и малейшее возмущение приведет либо к падению заряда к центру, либо к удалению его в бесконечность. А отсутствие устойчивых круговых орбит означает отсутствие вообще связанных состояний, когда заряд движется в ограниченной области пространства вокруг центрального тела. Из сказанного следует, что для существования связанных состояний необходимо, чтобы размерность пространства была не более трех. Такое заключение было получено впоследствии и в квантовой механике А. Гуревичем и В. Мостапаненко, а также Ф.
