Существование времени, таким образом, зависит от отсутствия особой симметрии: вещи во вселенной должны изменяться от момента к моменту для нас, даже чтобы определить понятие "от момента к моменту", что полностью соотносится с нашей интуитивной концепцией. Если имеется полная симметрия между тем, каковы вещи сейчас, и тем, каковы они тогда, если изменение от момента к моменту не более значительно, чем изменения в поворачивающемся биллардном шаре, время, как мы себе его обычно представляем, не будет существовать. Это не значит, что описание пространства-времени, схематически проиллюстрированное на Рис. 5.1, не будет существовать; будет. Но, поскольку все будет полностью однородно вдоль оси времени, не будет смысла, в котором вселенная эволюционирует или изменяется. Время будет абстрактным свойством такой арены реальности, – четвертым измерением в пространственно-временном континууме, – но, с другой стороны, оно будет нераспознаваемым.
Тем не менее, даже если существование времени соотносится с отсутствием одной особой симметрии, его применение на космических масштабах требует от вселенной быть предельно связанной с другой симметрией. Идея проста и отвечает на вопрос, который мог появиться у вас при прочтении Главы 3. Если теория относительности учит нас, что прохождение времени зависит от того, как быстро вы двигаетесь и от гравитационного поля, в котором вы оказались погруженным, то что должно означать, когда астрономы и физики говорят о целой вселенной, имеющей особый определенный возраст – возраст, который в наши дни оценивается около 14 миллиардов лет? Четырнадцать миллиардов лет в соответствии с чем? Четырнадцать миллиардов лет по каким часам? Придут ли живущие в удаленной туманности Головастика тоже к заключению, что вселенной 14 миллиардов лет, и, если так, что будет гарантировать, что их часы тикали синхронно с нашими? Ответ зависит от симметрии – симметрии в пространстве.
Если бы ваши глаза могли видеть свет, чья длина волны значительно длиннее, чем у оранжевого или красного света, вы были бы не только в состоянии видеть внутренности вашей микроволновой печки в момент ее включения, когда вы нажимаете кнопку старта, но вы также видели бы слабое и почти однородное зарево, распространенное через то, что другие из нас воспринимают как темное ночное небо. Более сорока лет назад ученые открыли, что вселенная наполнена микроволновым излучением, – светом с большой длиной волны, – которое является холодным остатком жарких условий сразу после Большого взрыва. Эта космическая микроволновая фоновая радиация совершенно безопасна. Раньше она была в огромной степени более горячая, но в ходе эволюции и расширения вселенной радиация равномерно снижала концентрацию и охлаждалась. Сегодня ее температура всего около 2,7 градуса выше абсолютного нуля, и ее самое большое проявление в качестве источника неприятностей заключается в ее вкладе в небольшую часть "снега", который вы видите на вашем телевизоре, когда вы отключили кабель и настроились на станцию, которая не вещает в эфир.
Но эти слабые радиопомехи дают астрономам то же, что кости тираннозавров дают палеонтологам: окно в ранние эпохи, которое является ключевым для реконструкции того, что происходило в удаленном прошлом. Существенное свойство радиации, обнаруженное точными спутниковыми измерениями на протяжении последнего десятилетия, это то, что она предельно однородна. Температура излучения в одной части неба отличается от температуры в другой части неба менее, чем на тысячную долю градуса. На земле такая симметрия сделала бы телевизионные каналы погоды неинтересными. Если в Джакарте 85 градусов (Фаренгейта), то вы бы немедленно знали, что температура между 84,999 градусов и 85,001 градусов держится в Аделаиде, Шанхае, Кливленде, Анкоридже и, коли на то пошло, где угодно еще. В отличие от этого, на космических масштабах неоднородность температуры излучения фантастически интересна, так как она обеспечивает два критически важных наблюдения.
Первое, она обеспечивает наблюдаемое доказательство того, что на своих ранних этапах вселенная не была заселена большими, слипшимися, высокоэнтропийными скоплениями материи, такими как черные дыры, поскольку такое неоднородное окружение должно было бы оставить неоднородный отпечаток на излучении. Вместо этого однородность температуры радиации подтверждает, что молодая вселенная была однородной; и, как мы видели в Главе 6, когда важна гравитация, – как это было в плотной ранней вселенной, – однородность означает низкую энтропию. Это хорошая вещь, поскольку наше обсуждение стрелы времени сильно зависело от вселенной, стартовавшей с низкой энтропией. Одной из наших целей в этой части книги является зайти в объяснении этого наблюдения так далеко, насколько мы сможем, – мы хотим понять, как могло возникнуть однородное, низкоэнтропийное, весьма невероятное окружение ранней вселенной. Это позволит нам сделать большой шаг к пониманию причин стрелы времени.
Второе, хотя вселенная эволюционировала после Большого взрыва, в среднем эволюция должна была быть почти одинаковой в разных местах космоса. Ввиду того, что температуры здесь, и в галактике Вихря, и в кометном скоплении, и где угодно еще согласуются с точностью до четвертого знака после запятой, физические условия в каждом регионе пространства должны эволюционировать после Большого взрыва существенно одинаковым образом. Это важный вывод, но вы должны правильно его интерпретировать. Быстрый взгляд на ночное небо определенно показывает разнообразный космос: планеты и звезды различных сортов разбросаны там и тут по пространству. Суть, однако, в том, что когда мы анализируем эволюцию целой вселенной, мы рассматриваем макроскопическую перспективу, которая усредняется по этим "мелкомасштабным" отклонениям, и крупномасштабные средние оказываются всегда полностью однородными. Подумайте о стакане воды. На масштабе молекул вода в высшей степени неоднородна: здесь имеется молекула Н2О, затем, после простора пустого пространства, другая молекула Н2О, и так далее. Но если мы усредним по мелкомасштабной молекулярной комковатости и исследуем воду на "больших", повседневных масштабах, мы можем увидеть невооруженным глазом, что вода в стакане выглядит совершенно однородной. Неоднородность, которую мы видим, когда пристально вглядываемся в небо, подобна микроскопическому виду на отдельную молекулу Н2О. Но, как и в случае стакана воды, когда вселенная изучается на достаточно больших масштабах, – масштабах порядка сотен миллионов световых лет, – она становится предельно однородной. Однородность излучения является, таким образом, "ископаемым" свидетельством однородности как законов физики, так и деталей окружающей среды везде в космосе.
Это заключение является великим следствием, поскольку однородность вселенной есть то, что позволяет нам определить концепцию времени, применимую для вселенной как целого. Если мы принимаем измерение изменений в качестве работающего определения истекшего времени, то однородность условий везде в пространстве является свидетельством однородности изменений везде в космосе, так что предполагает также и однородность прошедшего времени. Точно так же, как однородность земной геологической структуры позволяет геологу в Америке, и такому же в Африке, и другому в Азии прийти к согласию относительно возраста земной истории, однородность космической эволюции во всех местах пространства позволяет физику в галактике Млечного Пути, и такому же в галактике Андромеды, и другому в галактике Головастика прийти в целом к согласию по поводу возраста и истории вселенной. Конкретно, однородная эволюция вселенной означает, что часы здесь, часы в галактике Андромеды и часы в галактике Головастика будут, в среднем, отсчитывать время примерно одинаковым образом. Таким образом, однородность пространства обеспечивает универсальную синхронизацию.
Поскольку я далеко отставил важные детали (такие как расширение пространства, освещаемое в следующей секции), обсуждение выделяет ядро проблемы: время располагается на распутье симметрии. Если вселенная имеет абсолютную темпоральную симметрию, – если она полностью неизменна, – будет тяжело определить даже, что означает время. С другой стороны, если вселенная не имеет симметрии в пространстве, – если, например, фоновое излучение было бы совершенно бессистемным, имея дико отличающуюся температуру в разных областях, – время с космологической точки зрения имело бы мало смысла. Часы в разных местах отсчитывали бы время с разным темпом, так что, если бы вы спросили, на что были похожи вещи, когда вселенной было 3 миллиарда лет, ответ зависел бы от того, на чьи часы вы посмотрели, чтобы увидеть, что эти 3 миллиарда лет истекли. Определение времени было бы затруднено. К счастью, наша вселенная не имеет так много симметрии, чтобы сделать время бессмысленным, но имеет достаточно симметрии, чтобы мы могли избежать таких сложностей, позволяя нам говорить о ее полном возрасте и ее полной эволюции сквозь время.
Итак, теперь обратим наше внимание на эту эволюцию и рассмотрим историю вселенной.
Растягивая ткань
История вселенной выглядит огромным объектом, но в рамках грубого, эскизного наброска является неожиданно простой и зависит в большой части от одного существенного факта: вселенная расширяется. Поскольку это является центральным элементом в разворачивании космической истории и, несомненно, является одним из наиболее глубоких человеческих открытий, рассмотрим коротко, как мы узнали, что это так.
В 1929 Эдвин Хаббл, используя 100-дюймовый телескоп в обсерватории Маунт-Вильсон в Пасадене, Калифорния, нашел, что пара дюжин галактик, которые он смог детектировать, все удаляются прочь. Фактически Хаббл нашел, что чем более удаленной является галактика, тем быстрее ее удаление. Чтобы дать представление о масштабах, более уточненные версии оригинальных наблюдений Хаббла (которые изучали тысячи галактик, используя в числе оборудования пространственный (орбитальный) телескоп имени Хаббла) показывают, что галактики, которые удалены от нас на 100 миллионов световых лет, удаляются со скоростью около 5,5 миллиона миль в час, те же, до которых 200 миллионов световых лет, удаляются в два раза быстрее, около 11 миллионов миль в час, а те, до которых 300 миллионов световых лет, улетают в три раза быстрее, около 16,5 миллионов миль в час, и так далее. Открытие Хаббла было шокирующим, поскольку господствовавшие научные и философские убеждения состояли в том, что вселенная должна быть на своих самых больших масштабах статической, бесконечной, фиксированной и неизменной. Но Хаббл одним ударом вдребезги разбил этот взгляд. И в удивительном слиянии теории и эксперимента ОТО Эйнштейна оказалась способной обеспечить превосходное объяснение открытию Хаббла.
На самом деле, вы можете не думать, что подход к объяснению может быть слишком сложным. Тем не менее, если вы ходили по заводу и видели, сколько сортов материалов неистово вылетают во всех направлениях, вы, вероятно, думали, что там произошел взрыв. Но если вы пропутешествуете назад вдоль путей, которым следует стружка металла и глыбы бетона, вы найдете их всех объединяющимися в месте, которое, вероятно, могло бы поспорить за звание источника взрыва. По тем же самым причинам, поскольку вид с Земли, – как свидетельствуют хаббловские и последующие наблюдения, – показывает, что галактики разлетаются, вы можете подумать, что наше положение в пространстве было местом древнего взрыва, который однородно разбросал сырой материал звезд и галактик. Проблема с этой теорией, однако, в том, что она выделяет один регион в пространстве – наш регион – как уникальный, поскольку делает его местом рождения вселенной. Будь это так, это повлекло бы за собой глубоко сидящую асимметрию: физические условия в областях, удаленных от изначального взрыва, – удаленных от нас, – были бы сильно отличающимися от условий здесь. Поскольку в астрономических данных нет подтверждений такой асимметрии и, более того, поскольку мы с большим подозрением относимся к антропоцентрическим объяснениям, смешанным с докоперниковским мышлением, требуется более изощренная интерпретация открытия Хаббла, одна из тех, в которых наше положение не занимает некоторое особое место в космическом порядке.
ОТО обеспечивает такую интерпретацию. С ОТО Эйнштейн нашел, что пространство и время являются эластичными, а не неподвижными, растягиваемыми, а не жесткими; и он обеспечил уравнения, которые точно говорят нам, как пространство и время откликаются на присутствие материи и энергии. В 1920е годы русский математик и метеоролог Александр Фридман и бельгийский священник и астроном Жорж Леметр независимо проанализировали уравнения Эйнштейна, когда те применены ко всей вселенной, и оба нашли кое-что поразительное. Точно так же, как гравитационное притяжение Земли предполагает, что бейсбольный мяч, запущенный высоко над принимающим, должен либо направляться дальше вверх, либо направляться вниз, но, определенно, не может остановиться (исключая отдельный момент, когда он достигает своей высшей точки), Фридман и Леметр обнаружили, что гравитационное притяжение материи и излучения, распределенных по всему космосу, подразумевает, что ткань пространства должна или растягиваться или сжиматься, но что она не может пребывать с фиксированным размером. Фактически, это один из редких примеров, в которых метафора не только схватывает суть физики, но также и ее математическое содержание, поскольку, как оказалось, уравнения, управляющие высотой полета бейсбольного мяча над землей, почти идентичны уравнениям Эйнштейна, управляющим размером вселенной.
Эластичность пространства в ОТО обеспечивает глубокий способ интерпретации открытия Хаббла. Вместо того, чтобы объяснять разбегающееся движение галактик космической версией взрыва на заводе, ОТО говорит, что в течение миллиардов лет пространство растягивается. И, раз уж оно разбухает, пространство растаскивает галактики друг от друга, почти как черные пятнышки на посыпанном маком пироге растаскиваются врозь, когда тесто поднимается в печи. Так что причина движения в разные стороны не во взрыве, который имел место внутри пространства. Вместо этого движение в разные стороны возникает из неослабевающего разбухания самого пространства.
Чтобы более полно ухватить эту ключевую идею, подумаем также о великолепно применимой для расширяющейся вселенной модели воздушного шара, которую физики часто используют (аналогия, которая может быть прослежена, как минимум, так же далеко назад, как веселый комикс, который вы можете увидеть в конечных комментариях, и который появился в заметке Датча в 1930 по итогам интервью с Виллемом де-Ситтером, ученым, который внес важный вклад в космологию). Эта аналогия уподобляет наше трехмерное пространство более легко визуализируемой двумерной поверхности сферического воздушного шара, как на Рис. 8.2а, который раздувается до все большего и большего размера. Галактики представляются многочисленными равномерно распространенными монетками (пенни с портретом Линкольна), приклеенными к поверхности шара. Отметим, что поскольку шар расширяется, все монетки удаляются друг от друга, обеспечивая простую аналогию тому, как расширяющееся пространство разносит в стороны все галактики.
Важное свойство этой модели в том, что тут имеется полная симметрия среди монеток, поскольку вид, который наблюдает любой отдельный Линкольн, будет таким же, как и вид, который наблюдает любой другой Линкольн. Чтобы показать это, представьте, что вы сжимаетесь, ложась на монетку, и обозреваете все направления на поверхности шара (вспомним, что в этой аналогии поверхность шара представляет все пространство, так что смотреть вне поверхности шара не имеет смысла). Что вы будете наблюдать? Ну, вы увидите монетки, удаляющиеся от вас во всех направлениях, так как шар расширяется. А если вы ложитесь на другую монетку, что вы будете наблюдать? Симметрия гарантирует, что вы будете видеть те же самые вещи: монетки, разлетающиеся во всех направлениях. Этот ясный образ хорошо фиксирует наши убеждения, – при поддержке все более точных астрономических исследований, – что наблюдатель в любой из более чем 100 миллиардов галактик вселенной*, пристально вглядывающийся в ее или его ночное небо через мощный телескоп, будет, в среднем, видеть образ, сходный с тем, что видим мы: окружающие галактики, удаляющиеся прочь во всех направлениях.