Как же получилось, что начальная плотность оказалась так тщательно выбрана? Возможно, существует какая-то причина, по которой Вселенная должна иметь точно критическую плотность. Этому можно найти два объяснения. Одно — это так называемый человеческий принцип; его можно перефразировать следующим образом: Вселенная такова, потому что будь она другой, нас бы тут не было, чтобы ее наблюдать. Идея заключается в том, что могло быть множество вселенных с разными судьбами. И только вселенные с плотностью, очень близкой к критической, смогли просуществовать достаточно долго и содержать достаточно материи для образования звезд и планет. Только в таких вселенных могли появиться разумные существа, чтобы задаться вопросом: почему это плотность Вселенной так близка к критической? Если это объяснение, то нет смысла полагать, что материи во Вселенной больше, чем мы уже обнаружили. Чтобы образовались галактики и звезды, хватило бы и десятой части критической плотности. Однако многим не нравится человеческий принцип, поскольку он, похоже, придает слишком большую важность нашему собственному существованию. Поэтому они искали какое-то другое объяснение тому, почему плотность должна быть так близка к критической. Эти поиски привели к теории инфляции в ранней Вселенной. Идея заключалась в том, что размеры Вселенной постоянно удваивались, как каждый месяц удваиваются цены в странах с высокой инфляцией. Однако инфляция Вселенной была гораздо быстрее и выше: увеличение с коэффициентом по меньшей мере миллиард миллиардов миллиардов при крохотной инфляции привело бы Вселенную настолько близко к критической плотности, что последняя и сейчас была бы близка к критической. Это означает, что Вселенная, вероятно, в конце концов опять сожмется, но на это ей понадобится не намного больше времени, чем те примерно пятнадцать миллиардов лет, в течение которых она расширяется.
Чем может стать дополнительная темная материя, если теория инфляции верна? По-видимому, она отличается от нормальной материи, из которой состоят звезды и планеты. Мы можем рассчитать количество различных легких элементов, произведенных на ранних, горячих этапах развития Вселенной в первые три минуты после Большого Взрыва. Количество этих легких элементов зависит от количества нормальной материи во Вселенной. Можно начертить график, где ординатой будет количество легких элементов, а абсциссой — количество нормальной материи. Получится хорошее соответствие с наблюдаемым содержанием элементов, если полное количество нормальной материи составит примерно лишь одну десятую от критического количества сейчас. Возможно, эти расчеты неверны, но тот факт, что мы получаем наблюдаемое содержание элементов, очень впечатляет.
Если существует критическая плотность темной материи, главным претендентом на то, чтобы быть темной материей, будут остатки от ранних этапов развития Вселенной. Возможно, это элементарные частицы. Есть несколько гипотетических кандидатов — частицы, наличие которых мы предполагаем, но которые в действительности пока не обнаружены. Но самый многообещающий вариант — это частица, о существовании которой есть свидетельства, — нейтрино. Считалось, что она не имеет собственной массы, но некоторые недавние наблюдения предположили, что нейтрино может иметь маленькую массу. Если это подтвердится и будет найдено ее правильное значение, нейтрино обеспечат достаточно массы, чтобы довести плотность Вселенной до критического значения.
Другая возможность — черные дыры. Можно предположить, что ранняя Вселенная испытала так называемый фазовый переход. Примеры фазового перехода — замерзание и закипание воды. При фазовом переходе первоначально однородная среда, вроде воды, порождает аномалии, — в случае с водой это кристаллики льда или пузырьки пара. Эти аномалии могли сжаться, образовав черные дыры. Если бы черные дыры были очень малы, они бы к настоящему времени испарились вследствие принципа неопределенности в квантовой механике, как было описано выше. Но если их масса была больше нескольких миллионов тонн (масса горы), они могут по-прежнему где-то летать, и их очень трудно обнаружить.
Единственный способ обнаружить темную материю, равномерно распределенную по Вселенной, основывался бы на ее влиянии на расширение Вселенной. Насколько тормозится скорость расширения, можно определить, измерив скорость удаления от нас далеких галактик. Дело в том, что, когда свет от этих галактик достигает нас, мы наблюдаем их давнее прошлое. Можно начертить график зависимости скорости галактик от их видимой яркости и величины, что и является мерой их удаленности от нас. Разные линии на этом графике относятся к различным темпам замедления расширения. Изогнутый график относится ко Вселенной, которая сожмется. На первый взгляд, графики говорят о грядущем сжатии. Но беда в том, что видимая яркость галактики — не очень хороший показатель ее удаленности от нас. Существует не только значительный разброс в прирожденной яркости галактик, но есть еще и свидетельства, что их яркость изменяется со временем. Поскольку мы не знаем, в какой степени может измениться яркость, мы не можем сказать, каков темп замедления: то ли он достаточен, чтобы в конце концов Вселенная начала сжиматься, то ли она будет расширяться вечно. Придется подождать, пока мы не разработаем лучшие способы измерения расстояния до галактик. Но можно не сомневаться, что темп замедления не так велик, чтобы Вселенная сжалась в ближайшие миллиарды лет.
Ни вечное расширение, ни сжатие через сто миллиардов лет не являются такой уж интересной перспективой. Нет ли чего-нибудь такого, что сделало бы будущее более интересным? Одним из несомненно интересных путей была бы возможность попасть в черную дыру. Это должна быть довольно большая черная дыра, по массе более чем в миллион раз превышающая Солнце. Но есть шанс, что в центре Галактики есть черная дыра таких размеров.
Мы не знаем точно, что происходит внутри черной дыры. Для уравнений общей теории относительности существуют решения, позволяющие упасть в черную дыру и выйти где-нибудь в другом месте из белой дыры. Белая дыра — это пущенная вспять черная дыра. Это объект, из которого можно выйти, но в который нельзя попасть. Белая дыра могла бы быть где-то в другой части Вселенной. Похоже, это дало бы нам возможность для быстрых межгалактических путешествий. Беда в том, что эти путешествия могут оказаться слишком быстрыми. Если бы путешествие через черные дыры было возможно, то, похоже, ничто не помешало бы вам вернуться назад еще до того, как вы оттуда отбыли. Тогда вы можете совершить что-нибудь вроде убийства своей матери, что помешает вам занять начальную позицию.
Возможно, к счастью для нашего выживания (и для жизни наших матерей), физические законы не позволяют таких путешествий во времени. Похоже, существует какое-то Агентство защиты хронологии, не пускающее путешественников в прошлое и тем самым делающее мир безопасным для историков. Вот что может произойти, если кто-то проникнет в прошлое: под действием принципа неопределенности это произведет большое количество излучения; полученное излучение или так искривит пространство-время, что будет невозможно вернуться во времени, или пространство-время закончится в сингулярности наподобие Большого Взрыва или Большого Сжатия. В любом случае наше прошлое будет защищено от злоумышленников. Гипотеза о защите хронологии поддерживается некоторыми недавними расчетами, проделанными мною и другими людьми. Но лучшим свидетельством того, что путешествия во времени невозможны и никогда не будут возможны, является тот факт, что к нам не вторгаются орды туристов из будущего.
Подведем итог: ученые верят, что Вселенной управляют четкие законы, в принципе позволяющие предсказывать будущее. Но движение, данное законами, часто хаотично. Из этого следует, что малейшее изменение начальной ситуации может привести к изменению в последующем поведении, и эти изменения быстро разрастаются. Поэтому на практике зачастую можно точно предсказать будущее только на короткое время. Однако поведение Вселенной в очень большом масштабе представляется простым и нехаотичным. Поэтому можно предсказать, будет ли она расширяться вечно или в конце концов начнет сжиматься. Это зависит от сегодняшней плотности Вселенной. На самом деле ее нынешняя плотность кажется очень близкой к критической, которая разделяет сжатие и вечное расширение. Если теория инфляции верна, Вселенная действительно находится на лезвии бритвы. Так что я, продолжая добрую традицию оракулов и пророков страховаться, предсказываю оба варианта.
14. Диски необитаемого острова: интервью
Би-би-си начала транслировать передачу «Диски необитаемого острова» в 1942 году, и эта программа установила на радио рекорд долговечности. К настоящему времени она стала чем-то вроде национального достояния. За все эти годы программа приняла огромное количество гостей. В ней брали интервью у писателей, артистов, музыкантов, киноактеров и кинорежиссеров, деятелей спорта, комиков, поваров, садовников, учителей, танцоров, политиков, членов королевской семьи, мультипликаторов — и ученых. Гостей (к ним всегда обращались как к потерпевшим кораблекрушение) просили выбрать восемь аудиозаписей, которые они взяли бы с собой, если бы им пришлось остаться в одиночестве на необитаемом острове. Их также просили назвать предмет роскоши (неодушевленный) и книгу (предполагалось, что соответствующий религиозный текст — Библия, Коран — уже есть на острове, так же как и сочинения Шекспира). Наличие средств воспроизведения считалось само собой разумеющимся. Рекламируя программу, обычно объявляли: «…Предполагается, что у вас есть граммофон и множество игл к нему». Сегодня предполагается, что для прослушивания записей есть заряжающийся от солнечного света CD-плеер.
Программа выходила в эфир каждую неделю, и в ходе интервью, продолжавшихся, как правило, сорок минут, проигрывали записи по выбору гостей. Однако представленное здесь интервью со Стивеном Хокингом, транслировавшееся на Рождество в 1992 году, в виде исключения продолжалось дольше. Интервью брала Сью Лоули.
Сью: Стивен, будучи отрезанным от нормальной физической жизни и лишенным всех естественных средств общения, вы в некотором роде уже знакомы с заключением на необитаемом острове. Насколько вам одиноко от этого?
Стивен: Я не считаю себя отрезанным от нормальной жизни и не думаю, что окружающие меня люди сказали бы, что я одинок. Я не чувствую себя инвалидом — а просто человеком с поражением двигательных нейронов, вроде дальтоника. Полагаю, мою жизнь не назовешь нормальной, но в духовном смысле она нормальна.
Сью: Тем не менее, в отличие от многих выброшенных на необитаемый остров, вы уже доказали себе, что духовно и интеллектуально самодостаточны, что у вас хватает теорий и вдохновения, чтобы занять себя.
Стивен: Полагаю, я от природы немного интроверт, и мои трудности в общении заставили меня полагаться только на самого себя. Но в детстве я был разговорчивым. Мне нужны дискуссии с другими людьми. Я обнаружил, что изложение идей другим мне очень помогает. Даже если собеседники не высказывают ничего интересного, сама необходимость организовывать свои мысли так, чтобы они были понятны другим, часто подсказывала мне новый путь вперед.
Сью: А как же насчет эмоционального удовлетворения, Стивен? Даже блестящему физику для этого нужны другие люди.
Стивен: Физика — это прекрасно, но она холодна. Я бы не вынес жизни, в которой была бы только одна физика. Как и всем людям, мне нужны тепло, любовь и привязанность. И опять мне очень повезло, гораздо больше, чем многим другим, страдающим таким же недугом, — я получал массу любви и тепла. И музыка тоже много для меня значит.
Сью: Скажите, что доставляет вамбольше удовольствия — физика или музыка?
Стивен: Должен сказать, что удовольствие, испытанное мною, когда что-то получалось в физике, сильнее, чем то, которое мне когда-либо доставляла музыка. Но получалось у меня лишь несколько раз за всю мою карьеру, в то время как диск можно поставить когда угодно.
Сью: И какой же диск вы поставили бы первым на необитаемом острове?
Стивен: «Gloria» Пуленка. Я впервые услышал ее прошлым летом в Аспене, Колорадо. Аспен прежде всего лыжный курорт, но летом там собираются физики. Рядом с физическим центром стоит огромный шатер, где проходит музыкальный фестиваль. Пока вы сидите, исследуя, что получается, когда испаряется черная дыра, слышно, как идут репетиции. Это идеально: тут сочетаются два главных удовольствия — физика и музыка. Если бы на необитаемом острове у меня были они оба, пусть бы меня оттуда и не вызволяли. То есть до тех пор, пока я не сделал бы в теоретической физике открытие, о котором захотелось бы рассказать всем. Думаю, спутниковая тарелка, благодаря которой я мог бы получать статьи по физике, уже не по правилам игры.
Сью: Выступая по радио, можно скрыть физические дефекты, но в данном случае маскируется еще кое-что. Семь лет назад, Стивен, вы в полном смысле слова потеряли голос. Нe могли бы вы рассказать, что же тогда случилось?
Стивен: В 1985 году я был в Женеве, в CERN, на большом ускорителе частиц. Я собирался поехать оттуда в Байрейт, в Германию, послушать вагнеровское «Кольцо нибелунга». Но заболел воспалением легких и лег в больницу. Женевские врачи посоветовали моей жене отключить аппарат, поддерживавший мою жизнь. Но жена не хотела и слышать об этом. Меня перевезли на самолете в больницу Адденбрук в Кембридже, где хирург по имени Роджер Грей провел трахеотомию. Операция спасла мне жизнь, но голоса я лишился.
Сью: Но к тому времени ваша речь и так была очень неразборчивой, не правда ли? Наверное, дар речи все равно покинул бы вас, да?
Стивен: Хотя моя речь и была неразборчивой, близкие меня понимали. Я мог проводить семинары с переводчиком и диктовать научные статьи. Но после операции я некоторое время был просто опустошен. Я чувствовал, что если вновь не обрету голос, то дальше жить не стоит.
Сью: Потом один компьютерщик из Калифорнии прочитал о вашем состоянии и прислал вам голос. Как он работает?
Стивен: Его звали Уолт Уолтосц. Его теща оказалась в том же состоянии, что и я, и он разработал компьютерную программу, чтобы помочь ей общаться. Курсор двигается по экрану и когда оказывается на нужной строке меню, вы движением головы или глаз — а в моем случае руки — нажимаете на ключ. Таким образом можно выбирать слова в нижней части экрана. Когда набрал то, что хочешь сказать, текст можно послать на речевой синтезатор или сохранить на диске.
Сью: Но это долгое дело.
Стивен: Да, долгое — примерно в десять раз медленнее нормальной речи. Но речевой синтезатор говорит гораздо отчетливее, чем я раньше. Британцы называют его акцент американским, а американцы — скандинавским или ирландским. Нo каков бы он ни был, меня все понимают. Мои старшие дети привыкли к моему естественному голосу, но младший сын, которому во время трахеотомии было всего шесть лет, до того никак не мог меня понять. Теперь трудностей нет. Для меня это очень много значит.
Сью: Это также значит, что вы можете попросить заранее записать все вопросы интервьюера, и остается только ответить, когда будете готовы, так?
Стивен: Для записи длинных программ вроде этой хорошо иметь вопросы заранее, чтобы не тратить часами магнитную ленту впустую. В некотором смысле это дает мне больше возможности для контроля. Но на самом деле я предпочитаю отвечать на вопросы без подготовки. Так я делаю после семинаров и популярных лекций.
Сью: Но, по вашим словам, такой процесс дает вам возможность контроля, а я знаю, как это важно для вас. Ваша семья и друзья иногда называют вас упрямым и своевольным. Вы признаете себя виновным в этих грехах?
Стивен: Любого здравомыслящего человека иногда называют упрямым. Я бы сказал, что я скорее решительный. Не будь я довольно решительным, меня бы сейчас здесь не было.
Сью: Вы всегда были таким?
Стивен: Я просто хочу иметь ту же степень контроля над своей жизнью, что и другие. Слишком часто жизнью инвалида управляют другие. Ни один здоровый человек не примирился бы с этим.
Сью: Давайте послушаем ваш второй диск.
Стивен: Концерт для виолончели Брамса. Это был первый долгоиграющий диск, который я купил. Произошло это в 1957 году, когда записи на 33 оборота в минуту в Британии только что появились. Мой отец считал покупку проигрывателя безрассудным транжирством, но я убедил его, что сам смогу собрать проигрыватель из купленных по дешевке частей. Как йоркширцу, этот довод показался ему убедительным. Я вставил вертушку и усилитель в корпус от старого граммофона на 78 оборотов. Если бы он сохранился, то сейчас представлял бы собой ценность.