Существовало ли время во Вселенной до Большого взрыва?

Здесь, в нашей Вселенной, время для всех наблюдателей течет с фиксированной скоростью: одна секунда в секунду. До Большого взрыва все было совсем иначе.

Насколько далеко мы можем заглянуть в нашу Вселенную, время всегда вело себя точно так же, как мы привыкли: неумолимо отсчитывая мгновения с одинаковой скоростью для всех наблюдателей.

Перенесете ли вы свои часы на поверхность Земли, на дно океана, на орбиту в космос, вблизи горизонта событий черной дыры или будете мчаться сквозь межгалактическое пространство со скоростью, близкой к световой – это не имеет значения.

Количество времени, необходимое для регулярных событий — для того, чтобы прошла секунда, для атомного перехода, для того, чтобы мимо вас прошла одна «волна» фотона определенной длины, и т.д. — будет одинаковым для любого наблюдателя в любых из этих условий. Фактически, все наблюдатели могут согласиться с тем, что для них самих время течет со скоростью одна секунда в секунду.

Конечно, теория относительности во многом странная, как при движении со скоростью, близкой к световой, так и при очень сильном искривлении пространства-времени. Длины сокращаются, временные интервалы расширяются, и разные наблюдатели делают разные выводы друг о друге по сравнению с самими собой. Но время все равно течет, и теория относительности позволяет нам согласовать эти различия. Но что, если мы отправимся в незнакомое место; что, если мы рассмотрим, что происходит до Большого взрыва?

Первое, что нужно понять: время в физике отличается от нашего обыденного представления о нем. Когда вы думаете о времени, вы, вероятно, представляете его как континуум: как своего рода «линию», которая всегда движется вперед с одинаковой скоростью для любого, кто ее воспринимает. В вашей повседневной жизни вы воспринимали время подобным образом на протяжении всего его течения: оно, кажется, проходит равномерно, измеримо, позволяя вам отмечать, «когда» произошло любое событие.

Все события, произошедшие в прошлом, навсегда неизменны; они произошли и не могут быть изменены. Все события, которые произойдут в будущем, все еще не определены; действия и события, которые развернутся с настоящего момента до времени их наступления, все еще могут на них повлиять.

И все это правда. Это хорошее приближение к истине, насколько это касается реальности с классической точки зрения. Во всех наших классических теориях физики — включая как специальную, так и общую теорию относительности — время — это просто непрерывный параметр, непрерывно движущийся вперед для всех, кто его испытывает. Конечно, есть некоторые странности:

если вы движетесь со скоростью света, время для вас вообще не течет,
если вы движетесь быстрее скорости света, вы становитесь тахионом и путешествуете назад во времени,
и если вы находитесь в другом месте, движетесь с другой скоростью или испытываете другое искривление пространства-времени, чем другой наблюдатель, вы и другой наблюдатель не сойдетесь во мнениях о том, сколько времени прошло,
но время все равно существует для всех. Применяя правила теории относительности должным образом, мы можем понять, что измерит для себя каждый наблюдатель.

Но в квантовой механике история меняется. Время больше нельзя рассматривать просто как параметр, который «отсчитывает тики», как в классической физике. Одно из самых больших различий между классической и квантовой механикой заключается в том, что вместо того, чтобы просто иметь значения для таких параметров, как:

положение (в пространстве),
импульс (включая направление),
угловой момент,
или энергия,

эти классические «величины» становятся операторами в квантовой физике. Объекты не обладают четко определенными «свойствами» в квантовом смысле; эти свойства могут быть известны и измерены только до определенного внутреннего предела: предела, установленного принципом неопределенности Гейзенберга.

Вы можете думать о неопределенности в терминах положения и импульса: чем точнее вы измеряете положение частицы, тем менее известен ее импульс (и наоборот). Действительно, это так, но это лишь один пример этих традиционных соотношений неопределенности. Существуют также соотношения неопределенности между:

ориентацией и угловым моментом,
спином частицы во взаимно перпендикулярных направлениях,
электрическим потенциалом и свободным электрическим зарядом,
магнитным потенциалом и свободным электрическим током,

а также многочисленные другие. Но если соотношение неопределенности для координаты и импульса — самый известный пример квантовой неопределенности, то вторым по известности должно быть соотношение между энергией и временем.

Это может вас озадачить, если вы лишь немного знакомы с квантовой физикой. В конце концов, положение и импульс являются операторами в стандартной квантовой механике, как и энергия. Но время, в отличие от этих других параметров, остается лишь независимой переменной в квантовой механике Шрёдингера, как может помнить любой, кто когда-либо проходил соответствующий курс.

Тем не менее, когда мы создаем короткоживущую квантовую частицу, например, топ-кварк, мы не обнаруживаем, что все созданные топ-кварки имеют одинаковую массу (или, согласно E = mc², одинаковую энергию), а скорее, что существует неопределенность в их массе покоя, соизмеримая с (неопределенным) коротким временем жизни самой частицы и соотношением неопределенности Гейзенберга.

Но это не недостаток наших квантовых уравнений; это следствие того, что квантовая механика Шрёдингера применима только к нерелятивистским системам. Когда мы переходим к более полной теории (релятивистской) квантовой механики, время действительно становится оператором и остается оператором также в квантовых теориях поля.

Классически пространство и время — это параметры или величины; с квантовой точки зрения они оба являются операторами. Это верно независимо от условий: при высоких или низких энергиях, вблизи или вдали от черной дыры, в поздние космические времена или очень ранние, даже вблизи Большого взрыва. Такое поведение пространства и времени, по-видимому, не меняется, независимо от того, где и когда мы исследуем Вселенную.

Тогда почему, можете вы спросить, так много людей утверждали, что до Большого взрыва «времени» не было? В конце концов, если вы прочитаете последнюю книгу Стивена Хокинга «Короткие ответы на большие вопросы», вы обнаружите, что он говорит следующее:

«Роль, которую играло время в начале Вселенной, я считаю, является последним ключом к устранению необходимости в Великом Замысле и раскрытию того, как Вселенная создала саму себя… Само время должно остановиться. Нельзя попасть во время до Большого взрыва, потому что до Большого взрыва времени не было. Мы наконец нашли то, что не имеет причины, потому что не было времени для существования причины».

И все же, когда космологи говорят о том, что произошло до Большого взрыва — то есть в период космической инфляции, который подготовил и предшествовал Большому взрыву, — время остается. Так почему же Хокинг утверждал, что само время должно остановиться? Почему он заявлял, что нельзя попасть во время до Большого взрыва? И почему он утверждал, что до Большого взрыва времени вообще не было?

Ненавижу это говорить, но это потому, что Стивен Хокинг говорит не о Большом взрыве в нашем общепринятом понимании: горячем, плотном, равномерно заполненном материей и излучением, быстро расширяющемся состоянии ранней Вселенной, которое мы связываем с началом Большого взрыва.

Он также не говорит о состоянии космической инфляции, которое предшествовало и подготовило горячий Большой взрыв. Вместо этого Хокинг говорит об очень старом представлении о Большом взрыве, которое в настоящее время является очень активно обсуждаемой темой (и активной областью исследований) в теоретической космологии: идее, что «Большой взрыв» означает происхождение самого пространства и времени.

Это имеет смысл, если вы поставите себя на место человека, который изучал Вселенную в те времена, когда ее изучал Хокинг: в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах. Хокинг (родившийся в 1942 году) вырос с тем же представлением о расширяющейся Вселенной, которое развили его предшественники — Жорж Леметр, Александр Фридман, Георгий Гамов, Ральф Альфер и др.: что Вселенная сегодня расширяется и остывает, и это означает, что в далеком прошлом она была горячее и плотнее.

Если экстраполировать назад произвольно далеко, к произвольно высоким температурам, энергиям и плотностям, вы придете к сингулярности, или состоянию, когда вся материя и излучение во Вселенной были сжаты в одну точку.

Эта идея сингулярности восходит к Леметру и Гамову, которые дали ей поэтические названия, такие как «первобытный атом» и «космическое яйцо». Это была первоначальная идея Большого взрыва, и когда появились наблюдательные данные, подтверждающие ее (например, реликтовое излучение), одновременно исключая другие основные альтернативы, это, казалось, закрепило эту картину в умах физиков, астрофизиков и космологов по всему миру.

Наша Вселенная началась с Большого взрыва, и сам Большой взрыв был синонимом идеи сингулярности: события творения, которое не только породило горячую, плотную, равномерно заполненную Вселенную, но и ознаменовало возникновение самого пространства и времени.

И это верно в общей теории относительности: сингулярность действительно определяет набор условий, при которых само время и пространство действительно разрушаются. Помните, согласно нашему лучшему пониманию физики — которое включает общую теорию относительности для структуры пространства и времени и того, что мы воспринимаем как силу гравитации, наряду с квантовой теорией поля как управляющими правилами для частиц, античастиц, а также электромагнитных и ядерных сил — существуют пределы:

насколько малым может быть масштаб длины,
насколько высокой может быть температура,
насколько коротким может быть временной масштаб,
и насколько энергетичным может быть квант энергии,

и если вы выйдете за эти пределы, вычисляемые вами величины больше не будут иметь физического смысла.

Когда Хокинг говорит о «Большом взрыве», он использует это понятие в устаревшем смысле: предполагая, что Вселенная действительно началась с сингулярности, и эта сингулярность знаменует рождение пространства и времени, и, следовательно, было «событие» окончательного творения, которое создало пространство, время и всю материю и излучение в нем.

Можно утверждать, что это оправдано, поскольку экстраполяция Вселенной, заполненной материей и излучением, назад во времени действительно приводит к сингулярности, и поскольку законы физики нарушаются в сингулярности, то в контексте общей теории относительности должно было произойти рождение пространства и времени. В конце концов, нет «снаружи», если нет пространства, и нет «до», если нет времени.

Но эта «картина» происхождения нашей Вселенной на сегодняшний день устарела более чем на 40 лет. Горячий Большой взрыв — или представление о том, что Вселенная возникла путем расширения и остывания из раннего горячего, плотного, почти идеально однородного состояния — больше не считается началом Вселенной, а скорее возникло как последствие более раннего периода, который предшествовал ему и подготовил его: периода космической инфляции.

Инфляция — это состояние, сильно отличающееся от всего, что связано с горячим Большим взрывом, поскольку вместо того, чтобы быть заполненной материей и излучением (или любым типом/видом частиц), она была заполнена исключительно энергией поля: энергией, присущей самой ткани пустого пространства.

Это создает совершенно другие условия! Когда ваша Вселенная заполнена материей и/или излучением, то по мере ее расширения она становится менее плотной. Поскольку плотность падает, в любом заданном объеме пространства становится меньше частиц, и поэтому скорость расширения (а также температура и средняя энергия каждой частицы) также падает. При экстраполяции к все более ранним временам эти величины также растут; при экстраполяции к все более поздним временам эти величины падают.

Но когда ваша Вселенная заполнена энергией поля, или количеством энергии, присущей самому пространству, тогда скорость расширения остается постоянной во все времена: по мере расширения пространства плотность энергии остается постоянной, и поэтому скорость расширения остается той же.

Это имеет поразительные последствия. Для Вселенной это означает, что любая изначально инфлирующая область растягивается до огромных масштабов, наделяя пространство повсюду одинаковыми свойствами, включая одинаковую температуру и одинаковую плотность энергии. Это означает, что независимо от того, какой была начальная пространственная кривизна, инфляция гарантирует, что она станет неотличимой от плоской, точно так же, как Земля казалась бы плоской, если бы вы раздули ее до размера в гугол (10^100) раз больше, чем сегодня.

Это означает, что любые присутствующие частицы разбавляются и «раздуваются» друг от друга, эффективно опустошая Вселенную. И это означает, что любые возникающие квантовые флуктуации растягиваются на космические масштабы, засевая Вселенную неоднородностями плотности. Когда инфляция заканчивается, начинается горячий Большой взрыв, и наша Вселенная развивается так, как все ожидали бы, начиная с Фридмана и Леметра.

Но в этот период инфляции плотность и энергия не уменьшаются с течением времени вперед и не увеличиваются, когда мы экстраполируем назад во времени. Тот факт, что наша плотность энергии остается постоянной, означает, что:

скорость расширения остается той же,
энергия поля в данном объеме пространства остается той же (плюс квантовые флуктуации),
пространственная кривизна растягивается до неотличимости от плоской (плюс квантовые флуктуации),
и что инфляция продолжается, неумолимо таким образом, в течение неопределенной длительности.

Единственное, что мы можем сказать о длительности, это то, что она должна была продолжаться не менее ~10^-32 секунд, и что она не могла продолжаться бесконечно долго, так как должно было существовать некое доинфляционное состояние (согласно теоремам о времениподобной полноте прошлого пространства-времени), которое предшествовало самой инфляции.

И на этом история в значительной степени заканчивается. Можно утверждать: «Ну, инфляция безвременна в том смысле, что мы можем исследовать только последние ~10^-32 секунды ее, но если бы она продолжалась наносекунду, минуту, год, триллион лет или гугол лет, у нас все равно была бы та же Вселенная», но это не меняет трех основных фактов:

время все еще течет в инфляционный период,
инфляционный период был конечным, что указывает на то, что «время» существовало и до него,
и что у нас практически нет ограничений на доинфляционное состояние, то есть мы не знаем, возникла ли инфляция из изначально сингулярного или несингулярного состояния.

Хотя многие по-прежнему исходят из предположения, что существовала сингулярность, из которой возникли само пространство и время — и, следовательно, в конечном счете, «безвременное» начальное состояние, — правда в том, что у нас нет способа получить какие-либо знания или информацию об этом состоянии, или, если на то пошло, о любом состоянии, которое существовало до последних ~10^-32 секунд космической инфляции. (В конце концов, по самой своей природе инфляция стирает любую такую информацию из ныне наблюдаемой Вселенной.)

Время течет как обычно во время горячего Большого взрыва и после него, а также в инфляционный период и в любой период, предшествовавший инфляционному. Было ли «безвременное» состояние до этого — возможно, и некоторые утверждали бы, что даже вероятно, но это остается недоказанным.

Возможное возникновение самого времени — забавный аспект природы для рассмотрения, но мы должны делать это ответственно: с полным пониманием того, что когда даже очень умные люди говорят о «безвременном» состоянии, они говорят не об инфляции; они говорят о создании/возникновении самого пространства и времени.

Это действительно могло произойти, но если и произошло, то это не просто до Большого взрыва. Это до горячего Большого взрыва, до инфляции и до того, что было еще раньше. Только тогда у нас появляется возможность вернуться к состоянию, в котором возникли само пространство и время, позволив Вселенной вообще существовать.

Итан Сигел, астрофизик-теоретик и научный писатель.

Мы на Дзен