Кратка история на времето ((от големия взрив до черните дупки))

1. Нашата представа за Вселената

Веднъж един добре известен учен (според някои Бъртранд Ръсел) изнасял публична лекция по астрономия. Описвал как Земята обикаля около Слънцето и как Слънцето от своя страна обикаля около центъра на една огромна група звезди, наричана нашата Галактика. В края на лекцията една възрастна дама от последните редове станала и заявила: „Това, което ни разказахте, е чиста безсмислица. В действителност светът е плитка чиния върху гърба на гигантска костенурка.“ Ученият се усмихнал надменно, преди да запита: „А на какво се крепи костенурката?“ „Много сте умен, млади човече, много знаете“ — отвърнала възрастната дама, — „но под тази костенурка има пак костенурки.“

Повечето от нас биха приели представата, че нашата Вселена е безкрайна кула от костенурки като твърде нелепа, но защо смятаме, че знаем повече? Какво знаем за Вселената и как го знаем? Откъде е дошла Вселената и накъде отива? Има ли начало и ако има — какво е било преди това? Какво представлява времето? Ще има ли някога край? Съвременните постижения във физиката и фантастичните нови технологии ни дадоха възможност да предположим отчасти какъв е отговорът на тези отколешни въпроси. Някой ден тези отговори могат да ни се сторят така очевидни, както обикалянето на Земята около Слънцето, или така невероятни, както кулата от костенурки. Само времето (каквото и да означава то) ще ни каже.

Още през 340 г. пр.н.е. в своята книга „За небето“ гръцкият философ Аристотел дава два сериозни аргумента в полза на това, че Земята е кръгла, а не плоска. Първо, той Разбирал, че лунните затъмнения настъпват, когато Земята застане между Слънцето и Луната. Земната сянка върху Луната била винаги кръгла, което е възможно само ако Земята е сферична. Ако Земята беше плосък диск, сянката би трябвало да е удължена и елиптична, освен ако затъмненията настъпват само тогава, когато Слънцето е точно зад центъра на диска. Второ, от пътешествията си гърците знаели, че от южните райони Полярната звезда се вижда но-ниско на небето, отколкото от северните. Тъй като Полярната звезда е в Северния небесен полюс, наблюдател от Северния географски полюс би я виждал точно над себе си, но ако гледа от екватора, той би я видял точно на хоризонта. От разликата във видимите положения на Полярната звезда в Египет и в Гърция Аристотел дори споменал оценка за обиколката на Земята — 400 000 стадия. Точната дължина на стадия не е известна, но вероятно е била около 200 ярда, а ако е така, то оценката на Аристотел би била приблизително два пъти по-голяма от сега възприетата стойност. Гърците разполагали и с трети аргумент за това, че Земята е кръгла, защото как иначе първо ще се виждат платната на приближаващия кораб над хоризонта, а едва по-късно неговият корпус?

Аристотел смятал, че Земята е неподвижна и че Слънцето, Луната, планетите и звездите се движат по кръгови орбити около нея. Той вярвал, че е така, защото смятал по необясними причини Земята за център на Вселената, а кръговото движение за най-съвършеното. Тази идея била доразвита от Птолемей през II в. сл.н.е. в завършен космологичен модел. Земята е в центъра, обградена от осемте сфери, носещи Луната, Слънцето, звездите и петте тогава известни планети Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (фиг. 1.1). Самите планети се движат върху по-малки окръжности, прикрепени към съответните им сфери, за да се обяснят техните твърде сложни пътища на небето. Върху най-външната сфера били т.нар. неподвижни звезди, които винаги заемат едни и същи относителни положения, но заедно се въртят по небето. Какво има зад последната сфера, никога не е станало по-ясно, но сигурно не е била част от наблюдаемата Вселена.

Моделът на Птолемей представлявал една достатъчно точна система за предсказване на положенията на небесните тела. Но за точното предсказване на тези положения Птолемей трябвало да приеме допускането, че Луната следва път, по който понякога идва два пъти по-близо до Земята. А това Птолемей разбирал този недостатък на модела си, но въпреки това неговият модел бил широко, макар и не всеобщо приет. Той бил възприет от християнската църква като картина на Вселената, която отговаря на Светото писание, защото имал голямото предимство, че оставял извън сферата на неподвижните звезди достатъчно място за небесата и ада.

През 1514 г. обаче полският свещеник Николай Коперник предложил по-прост модел. В началото, може би от страх да не бъде заклеймен от своята църква като еретик, Коперник разпространил анонимно своя модел. Идеята му била, че Слънцето е неподвижно в центъра, а Земята и планетите се Движат по кръгови орбити около него. Изминал почти един век, преди тази идея да се приеме като нещо сериозно. Тогава двама астрономи — германецът Йохан Кеплер и италианецът Галилео Галилей — започнали открито да подкрепят теорията на Коперник, макар че предсказаните от него орбити не съвпадали съвсем точно с наблюдаваните. Смъртоносният удар върху теорията на Аристотел — Птолемей бил нанесен през 1609 г — Същата година Галилей започнал да наблюдава нощното небе с току-що изобретения телескоп. Наблюдавайки планетата спътника или луни, които кръжат около нея. А това значело, че не е задължително всичко да се върти около Земята, както смятали Аристотел и Птолемей. Разбира се, възможно било пак да се смята, че Земята е неподвижна и е в центъра на Вселената, а луните се движат по извънредно сложни пътища около Земята, създаващи видимост, че обикалят около Юпитер. И все пак теорията на Коперник била много по-проста. По същото време Йохан Кеплер видоизменил теорията на Коперник и твърдял, че планетите се движат не по окръжности, а по елипси (елипсата представлява удължена окръжност). Най-сетне предсказванията съвпаднали с наблюденията.

Колкото до Кеплер, елиптичните орбити били просто една аd hoc хипотеза и при това твърде неприемлива, тъй като несъмнено елипсите не са така съвършени, както окръжността. Открил почти наслуки, че елиптичните орбити се съгласуват с наблюденията, той не успявал да ги помири с идеята си, че планетите обикалят около Слънцето под действието на магнитни сили. Обяснение се явило едва много по-късно, през 1687 г., когато Исак Нютон публикувал своя труд „Математически принципи на натурфилософията“ — може би най-важния труд, публикуван някога в областта на физическите науки. В него Нютон не само излагал теория за това, как телата се движат в пространството и времето, но и развивал нова математика, необходима за анализа на тези движения. Освен това Нютон постулирал закон за всемирното привличане, според който всички тела във Вселената се привличат помежду си, като силата на привличане нараства с увеличаване на масата им и с намаляване на разстоянието между тях. Това е същата сила, която причинява падането на телата. (Почти сигурно е, че историята с Нютон и ябълката е измислица. Всичко, казано от самия Нютон по въпроса, е, че идеята за гравитацията му хрумнала, докато, „отдаден на съзерцание“, е „бил споходен от падането на една ябълка“.) Нютон показал, че според неговия закон гравитацията кара Луната да се движи по елиптична орбита около Земята, а Земята и планетите — по елиптични пътища около Слънцето.

Моделът на Коперник се освободил от небесните сфери на Птолемей, а с тях и от представата, че Вселената има естествени граници. След като „неподвижните звезди“ видимо не променяли положенията си, като изключим видимото им въртене под влияние на движението на Земята около собствената й ос, било естествено да се предположи, че неподвижните звезди са обекти като нашето Слънце, но много по-отдалечени.

Нютон знаел, че според неговата теория за гравитацията звездите би трябвало да се привличат взаимно, така че не биха могли да са неподвижни. А няма ли те да падат заедно към някоя точка? В писмо от 1691 г. до Ричард Бентли, друг водещ мислител на своето време, Нютон разсъждава, че това наистина би се случило, ако звездите са краен брей и са разпределени в ограничена област от пространството. Но, от друга страна, разсъждава той, ако броят им е безкраен и те са разпределени повече или по-малко равномерно в безкрайно пространство, това няма да се случи, защото няма да има център, към който да падат.

Този аргумент е пример за капаните, в които можем да попаднем, когато говорим за безкрайността. В една безкрайна Вселена всяка точка може да се разглежда като център, тъй като има безкраен брой звезди от всичките си страни. Както стана ясно едва много по-късно, правилният подход е да се разглежда крайният случай, когато всички звезди падат една към друга, и след това да се запитаме как се променят нещата, ако прибавим още звезди, приблизително равномерно разпределени извън тази област. Според закона на Нютон добавените звезди средно няма да предизвикат никаква разлика, така че звездите ще падат със същата скорост. Можем да добавим колкото звезди искаме и те пак ще продължат винаги да падат. Сега вече знаем, че е невъзможно да имаме безкраен статичен модел на Вселената, в който гравитацията да означава винаги привличане.

Едно интересно отражение върху общия дух на мисли преди XX в. е, че никой не си е задавал въпроса, дали Вселената се разширява или свива. Общоприето било, че Вселената е съществувала вечно в непроменящо се състояние или е била създадена в определен момент от миналото повече или по-малко във вида, в който я наблюдаваме днес. Отчасти това може би се дължи на склонността на човека да вярва във вечните истини, както и на утехата, която намира в мисълта, че дори той да остарее и умре, Вселената е вечна и неизменна.

Дори тези, които разбирали, че според теорията на Нютон за гравитацията Вселената не би могла да е статична, не се замисляли дали не се разширява. Вместо това те се опитвали Да видоизменят теорията, приемайки при много големи разстояния гравитационната сила за отблъскваща. Това не променяло значимо предсказанията им за движенията на планетите, но позволявало едно безкрайно разпределение на звездите да остава в равновесие, като силите на привличане между близките звезди се компенсират със силите на отблъскване от далечните. Но ние вече знаем, че такова равновесие ще е нестабилно: ако звездите от една област се сближат помежду си макар и незначително, силите на привличане между тях ще нараснат и ще надделеят над силите на отблъскване, така че звездите ще продължат да падат една към друга. От друга страна, ако звездите се раздалечат макар и малко, силите на отблъскване ще надделеят и още повече ще ги раздалечат.

Друго възражение към съществуването на безкрайна статична Вселена обикновено се приписва на немския философ Хайнрих Олберс, писал за тази теория през 1823 г. Всъщност проблемът е бил поставян от различни съвременници на Нютон, а статията на Олберс дори не е първата, съдържаща правдоподобни аргументи против. Тя обаче е първата, получила широка известност. Трудното е, че в една безкрайна статична Вселена почти всеки зрителен лъч би завършил върху повърхността на звезда. Поради това бихме могли да очакваме, че дори нощем цялото небе ще е ярко като Слънцето. Контрааргументът на Олберс бил, че светлината от далечните звезди отслабва поради поглъщане от междузвездното вещество. Ако е така обаче, това вещество би трябвало да се нагрява и накрая да засвети така ярко, както звездите. Единственият начин да избегнем извода, че цялото нощно небе трябва да е толкова ярко, колкото слънчевата повърхност, е да приемем, че звездите не са светили вечно, а само след някакъв момент от миналото. В такъв случай поглъщащото вещество може още да не се е нагряло или светлината от далечните звезди още да не е стигнала до нас. А това ни навежда на въпроса, преди всичко какво е накарало звездите да засветят.

Началото на Вселената, разбира се, е въпрос, който се разисква от много време. Според някои древни космологии и еврейско-християнско-мюсюлманските предания Вселената се е появила в определен, не твърде отдавнашен момент от миналото. Един от аргументите за такова начало е било разбирането, че е необходимо да има „Първопричина“, с която да се обясни съществуването на Вселената. (Вътре във Вселената винаги можете да обясните едно събитие като следствие от някакво предишно събитие, но съществуването на самата Вселена може да се обясни по този начин само ако тя е имала някакво начало.) Св. Августин излага друг аргумент в книгата си „Божият град“. Той отбелязва, че цивилизацията се развива и ние помним чие е това дело или кой е създал този метод. Така че човекът, а вероятно и Вселената, едва ли съществуват отдавна. Св. Августин приема датата на сътворението на Вселената приблизително 5000 г. пр.н.е. според „Битие“. (Интересно, че не е така далеч от края на последната ледникова епоха — около 10000 г. пр.н.е., когато според археолозите е началото на цивилизацията.)

От друга страна, Аристотел, а и повечето от другите гръцки философи не приемали идеята за сътворението, тъй като твърде много им намирисвала на божия намеса. Според тях човешката раса и светът край нея са съществували и ще съществуват вечно. Древните учени вече били разсъждавали върху аргумента за описаното по-горе развитие и намирали отговора в твърдението, че е имало периодични наводнения или други бедствия, които непрестанно връщали човечеството пак в началото на цивилизацията.

Въпросите, дали Вселената има начало във времето и дали е ограничена в пространството, били впоследствие широко изучени от философа Имануел Кант в неговия монументален (и твърде мъгляв) труд „Критика на чистия разум“, публикуван през 1781 г. Той нарича тези въпроси антиномии (т.е. противоречия) на чистия разум, защото според него имало еднакво силни аргументи да се вярва на тезата, че Вселената има начало, както и на антитезата, че е съществувала вечно. Неговият аргумент за тезата бил, че ако Вселената не е имала начало, би трябвало да съществува безкраен период от време преди което и да е събитие, а това според него е абсурд. Аргументът за антитезата бил, че ако Вселената е имала начало, би трябвало да съществува безкраен период от време преди това начало, така че защо трябва да има начало в някакъв определен момент? В действителност случаите както с тезата, така и с антитезата са наистина един и същ аргумент. И двата се базират на негласното му допускане, че времето може вечно да бъде продължено назад независимо дали Вселената е, или не е съществувала вечно. Както ще видим, концепцията за времето няма смисъл преди началото на Вселената. Това е отбелязано за първи път от св. Августин. Когато го запитали: „Какво е правил Бог, преди да създаде Вселената?“, Августин не отвърнал „Подготвял е ада за хора, които задават такива въпроси“, а казал, че времето е свойство на Вселената, създадена от Бог, и че времето не съществува преди началото на Вселената.

Когато повечето смятали, че Вселената е статична и неизменна, въпросът, дали е имала начало, всъщност бил от мета-) физиката или теологията. Човек можел еднакво добре да си обясни наблюдаваното както с теорията, че Вселената е съществувала вечно, така и с теорията, че се е появила в някакъв определен момент по такъв начин, като да изглежда, че е съществувала вечно. Но през 1929 г. Едуин Хъбъл направил епохалното наблюдение, че накъдето и да се обърнем, далечните галактики бързо се разбягват от нас. С други думи, Вселената се разширява. А това значи, че в по-ранни времена обектите са били по-близо един до друг. Фактически, изглежда, е имало време, преди около 10–20 млрд. години, когато всички те са били точно в едно и също място и когато поради това плътността на Вселената е била безкрайна. Това откритие най-сетне поставило въпроса за началото на Вселената пред науката.

Наблюденията на Хъбъл подсказват, че е имало време, наречено Големият взрив, когато Вселената е била безкрайно малка и безкрайно плътна. При такива условия всички научни закони, а следователно и цялата възможност да се предвиди бъдещето биха се провалили. Ако е имало събития преди това време, то те не биха оказали влияние върху това, което се случва в настоящия момент. Тяхното съществуване може да се пренебрегне, защото не би имало наблюдаеми последствия. Бихме могли да кажем, че времето е имало начало в момента на Големия взрив в смисъл, че просто не можем да дефинираме времена преди това. Трябва да отбележим, че това начало във времето е твърде различно от разглежданите преди. В неизменяща се Вселена едно начало във времето е нещо, което трябва да се въведе от някой извън Вселената; физическа необходимост от начало няма. Човек може да си представи, че Бог е създал Вселената буквално в кой да е момент в миналото. От друга страна, ако Вселената е разширяваща се, може да има физически причини за необходимостта да съществува начало. Пак можем да си представим, че Бог е създал Вселената в момента на Големия взрив, а даже след това, и то по такъв начин, че да изглежда като да е имало Голям взрив, но би било безсмислено да смятаме, че е била създадена преди Големия взрив. Една разширяваща се Вселена не изключва наличието на създател, но поставя граници върху това, кога би могъл да си свърши работата:

За да говорим за естеството на Вселената и да обсъждаме въпроси като този дали тя има начало или край, трябва да сме наясно с въпроса, какво значи научна теория. Аз ще приема елементарното гледище, че една теория е просто модел на Вселената или на ограничена нейна част, набор от правила, които свързват величините в модела с направените наблюдения. Тя съществува само в нашето съзнание и няма никаква друга реалност (каквото и да значи това). Една теория е добра, ако удовлетворява две изисквания: тя трябва точно да описва голям клас наблюдения на базата на модел, съдържащ само няколко произволни елемента, и да може да прави определени предсказвания за резултатите от бъдещи наблюдения. Например теорията на Аристотел, че всичко е съставено от четири елемента — земя, въздух, огън и вода, е достатъчно проста за качествена оценка, но тя не прави никакви определени предсказвания. От друга страна, Нютоновата теория за гравитацията се базира на още по-прост модел, в който телата се привличат помежду си със сила, пропорционална на величината, наречена тяхна маса, и обратнопропорционална на квадрата от разстоянието между тях. И въпреки това тя предсказва с висока точност движенията на Слънцето, Луната и планетите.

Всяка физична теория е винаги условна, в смисъл че тя е само хипотеза: никога не можеш да я докажеш. Няма значение колко пъти експерименталните резултати се съгласуват с дадена теория, човек никога не е сигурен дали следващия път резултатът няма да противоречи на теорията. От друга страна, можем да отречем някоя теория, като открием и едно-едничко наблюдение, което не се съгласува с предвижданията й. Както отбелязва философът на науката Карл Попър, една добра теория се характеризира с факта, че прави множество предсказания, които могат принципно да бъдат опровергани от наблюденията. Винаги когато новите експерименти се съгласуват с предвижданията, теорията оцелява и нашето доверие към нея нараства; но когато и само едно ново наблюдение не се съгласува, трябва да изоставим или видоизменим теорията. Поне така би трябвало да е, но човек винаги може да се усъмни в компетентността на лицето, провело наблюдението.

На практика най-често става така, че се създава нова теория, която всъщност е разширение на предишната. Например много точните наблюдения на планетата Меркурий показаха малки разлики между неговото движение и предсказанията на Нютоновата теория за гравитацията. Общата теория на относителността на Айнщайн предвижда малко по-различно движение в сравнение с Нютоновата теория. Фактът, че Айнщайновите предвиждания се съгласуват с наблюденията, докато Нютоновите — не, е едно от решаващите потвърждения на новата теория. Въпреки това ние си служим с теорията на Нютон в практиката, защото разликата между нейните предвиждания и тези на общата теория на относителността е много малка в случаите, с които обикновено си имаме работа. (Нютоновата теория има голямото предимство да е много по-проста за разлика от Айнщайновата!)

Крайната цел на науката е да даде една-единствена теория, която да описва цялата Вселена. Но подходът на повечето учени е да разделят задачата на две. Първо, съществуват закони, които ни казват как Вселената се изменя с времето. (Ако знаем каква е Вселената във всеки момент, тези физически закони ни казват каква ще бъде в кой да е по-късен момент.) Второ, остава въпросът за началното състояние на Вселената. Според някои науката би трябвало да се занимава само с първата задача; те гледат на въпроса за началното състояние като на предмет от метафизиката и религията. Според тях, бидейки всемогъщ, Бог е могъл да създаде Вселената както си иска. Може и така да е, но в такъв случай той би трябвало да я накара да се развива съвсем произволно. А, изглежда, е предпочел тя да се развива твърде правилно, съобразно с определени закони. Поради това е също толкова логично да предположим, че има и закони, управляващи началното състояние.

Излиза, че създаването на теория, която да описва Вселената изцяло, е трудна работа. Ето защо ние разделяме този проблем на части и измисляме много частни теории. Всяка от тези частни теории описва и предвижда някакъв ограничен клас наблюдения, като пренебрегва ефектите от другите величини или ги представя като прости множества от числа. А може би това е напълно погрешен подход. Ако всичко във Вселената зависи от всичко останало по някакъв фундаментален начин, може да се окаже невъзможно да се приближим към едно пълно решение, изследвайки изолирано частите на задачата. Въпреки това именно по този начин сме постигнали напредък в миналото. Класическият пример отново е Нютоновата теория за гравитацията, според която гравитационната сила между две тела зависи само от едно число, свързано с всяко тяло — неговата маса, но иначе е независима от материята на тези тела. Ето защо не се налага да разполагаме с теория за строежа и състава на Слънцето и планетите, за да изчислим техните орбити.

Днес учените описват Вселената в термини от двете основни частни теории — общата теория на относителността и квантовата механика. Те са големите интелектуални постижения от първата половина на нашия век. Общата теория на относителността описва силата на гравитация и едромащабната структура на Вселената, т.е. структурата в мащаб от няколко мили до 10²⁴ мили, размерите на наблюдаемата Вселена. От друга страна, квантовата механика се занимава с явления в изключително малки мащаби, такива като 10^–12 инча. За съжаление, както знаем, тези две теории са несъвместими една с друга; двете не могат да бъдат коректни едновременно. Един от основните стремежи във физиката днес, а и главната тема на тази книга е търсенето на нова теория, която да включи и двете, една квантова теория за гравитацията. Засега не разполагаме с такава теория и може би сме твърде далеч от нея, но вече знаем много от свойствата, които тя трябва да има. А в следващите глави ще видим, че вече знаем и доста от предсказанията, които една квантова теория на гравитацията трябва да направи.

И накрая, ако вярваме, че Вселената не е произволна, а се управлява от определени закони, трябва да съчетаем частните теории в една завършена единна теория, която да описва всичко във Вселената. Но в търсенето на такава завършена единна теория има един основен парадокс. Идеите за описаните по-горе научни теории предполагат да сме разумни същества, свободни да наблюдаваме Вселената както желаем и да правим логически изводи от видяното. В една такава схема е логично да предположим, че бихме могли да стигнем още по-близко до законите, управляващи Вселената. Но ако това наистина е завършена единна теория, тя вероятно би определила и нашите действия. Излиза, че самата теория трябва да определя резултата от търсенето й! А защо тя би определяла дали сме стигнали до правилни изводи от доказателствата? Не може ли еднакво добре да определя и погрешните изводи? Или че въобще няма извод?

Единственият отговор, който мога да дам на този въпрос, се базира на Дарвиновия принцип за естествения подбор. Идеята е, че във всяка популация от самовъзпроизвеждащи се организми ще настъпят изменения в генетичния материал и развитието за различните индивиди. Тези разлики ще означават, че някои индивиди са по-способни да намират правилните изводи за света около тях и да действуват по съответния начин. По-вероятно е тези индивиди да оцелеят и да се възпроизведат, така че техният модел на поведение и мислене ще надделее. Несъмнено така наречените от нас интелигентност и научно откривателство в миналото са изразявали едно предимство за оцеляване. Не е съвсем ясно дали и сега е така: нашите научни открития могат да доведат до унищожението ни, а дори това да не стане, една завършена единна теория може би няма кой знае колко да допринесе за шанса ни да оцелеем. Но след като Вселената се е развивала по правилен начин, можем да очакваме, че способността да разсъждаваме, дадена ни от естествения подбор, ще е валидна и за нашето търсене на завършена единна теория, така че няма да ни доведе до погрешни изводи.

След като частните теории, които вече имаме, са достатъчни, за да правим точни предсказания във всички случаи с изключение на екстремните, търсенето на окончателна теория за Вселената изглежда задача, трудна за оправдание от практическа гледна точка. Струва си да отбележим, че при все че подобни аргументи са използвани и срещу теорията на относителността, и срещу квантовата механика, тези теории са ни дали и ядрената енергия, и революцията в микроелектрониката! Ето защо откриването на завършена единна теория може и да ^ не помогне за оцеляването ни. Възможно е дори да не окаже влияние върху начина на живот. Но още от зората на цивилизацията хората не са се задоволявали да гледат на събитията като на нещо необяснимо и без взаимна връзка. Те са били жадни да разберат скрития ред в света. И днес ние горим от желание да разберем защо сме тук и откъде сме дошли. А най-съкровеният стремеж на хората към познание е достатъчно оправдание да продължим търсенето. И нашата цел е не друго, а пълното описание на Вселената, в която живеем.