r2u.org.ua / e2u.org.ua

Отже, звітуюсь:
Відгукнулися Сондра, Olesya_Gomin, Julia, Лена, Людмила. Ще я гадаю, що Анатолій, hope_clearwater, Вуодімєж теж пам'ятають за конкурс. Стосовно veta_veja, hedgehog та dani_fausse не знаю.

Привіт! Зараз у наступному повідомленні опублікую свій переклад шостого розділу.

Розділ 6. Чорні діри

Термін «чорна діра» з’явився зовсім недавно. Його створив 1969 року американський науковець Джон Вілер, щоб графічно описати поняття, яке народилося близько двохсот років тому, коли існувало двоє теорій про світло: згідно з першою теорією, яка була до вподоби Ньютонові, світло складалося із частинок; згідно з другою концепцією – із хвиль. Тепер ми вже знаємо, що насправді обидві теорії правильні. Згідно з постулатом квантової механіки про корпускулярно-хвильовий дуалізм, світло має властивості і хвилі, і частинки. Теорія, яка стверджувала, що світло складається із хвиль, не пояснювала, як воно реагує на силу тяжіння. Якщо ж припустити, що світло складається із частинок, то сила тяжіння діє на них так само, як на гарматні ядра, ракети та планети. Спочатку науковці гадали, що частинки світла рухаються із необмеженою швидкістю, і тому сила тяжіння не може сповільнити їхнього руху. Проте Ремер зробив відкриття, що світло рухається із обмеженою швидкістю, тому силою тяжіння знехтувати не вийде.

Спираючись на це припущення, викладач Кембридзького університету Джон Мічелл написав 1783 року статтю, яку надіслав до наукового часопису «Філософські праці Лондонського королівського товариства». У статті він зазначив, що достатньо масивна і компактна зоря матиме таке сильне ґравітаційне поле, що світло не зможе його покинути. Ґравітаційне притягання зорі не дасть світлові, що його випромінює поверхня зорі, вийти за її межі. Мічелл припустив, що у всесвіті може існувати сила-силенна таких зір. Ми не зможемо побачити їх, бо їхнє світло не досягає нашої планети, однак відчуваємо їхнє ґравітаційне тяжіння. Сьогодні такі об’єкти називають чорними дірами, адже саме так вони виглядають: чорні порожнини у космосі. Через кілька років незалежно від Мічелла подібну гіпотезу висунув французький науковець маркіз де Лаплас. Цікаво, що Лаплас згадує про це припущення тільки у першому та другому виданнях своєї книжки «Система світу» - у подальших виданнях його вже немає. Мабуть науковець вирішив, що це божевільна ідея. (Теорія про те, що світло складається із частинок, втратила своїх прихильників у ХІХ столітті. Тоді здавалося, що все можна пояснити за допомогою теорії хвиль, а вона не вказувала на те, що сила тяжіння якось впливає на світло).

До того ж, світло не варто порівнювати з гарматним ядром, бо це дещо суперечить закону тяжіння Ньютона, адже світло рухається зі сталою швидкістю. (Гарматне ядро, яке летить угору від поверхні землі, сповільнить свій рух під впливом сили тяжіння і врешті-решт зупиниться і почне падати вниз; тоді як фотон продовжуватиме рухатися угору зі сталою швидкістю. То ж як впливає Ньютонова сила тяжіння на світло?) Послідовна теорія про те, як сила тяжіння впливає на світло, з’явилася допіру тоді, коли 1915 року Айнштайн запропонував загальну теорію відносності. Та минуло ще чимало часу, поки його теорію застосували до масивних зір. Щоб збагнути, як утворюється чорна діра, потрібно спершу зрозуміти життєвий цикл зорі. Зоря утворюється тоді, коли велика кількість газу (здебільшого водню) під дією сил ґравітації утворює газову кулю. Вона стискається, атоми газу дедалі частіше стикаються на щораз більшій і більшій швидкості – і газ нагрівається. Врешті-решт, газ стає таким гарячим, що атоми водню при зіткненні вже не відбиваються один від одного, а злипаються, утворюючи гелій. Тепло, яке виділяється під час цієї реакції, що схожа на контрольований вибух водневої бомби, змушує зорю світитися. Додаткове тепло підвищує тиск газу доти, доки він не урівноважить силу ґравітаційного притягання і газ не перестане стискатися. Схоже на повітряну кульку, де існує баланс між тиском повітря усередині, яке намагається збільшити розміри кулі, та натягом гуми, яка силкується зробити кульку меншою. Зорі залишатимуться у такому стабільному стані ще довго, допоки тепло від ядерних реакцій урівноважуватиме ґравітаційне притягання. Однак врешті-решт у зорі закінчиться водень та інше ядерне паливо. Звучить як парадокс, але що більше палива зоря має з самого початку, то швидше воно закінчується. Справа ось у чому: що масивніша зоря, то більше тепла вона потребує, щоб урівноважити своє ґравітаційне притягання. А що вона гарячіша, то швидше вона використає паливо. Нашому Сонцю вистачить палива щонайменше на п’ять тисяч мільйонів років, однак масивніші зорі можуть вичерпати все паливо всього за сотню мільйонів років – за менше часу, ніж існує наш усесвіт. Коли у зорі закінчується паливо, вона холоне і стискається. А що стається з нею опісля науковці вперше збагнули наприкінці 1920-х років.

Року 1928 індійський аспірант Субраманьян Чандрасекар вирушив до Англії, де навчався у Кембриджі із британським астрономом сером Артуром Еддінґтоном, фахівцем із загальної теорії відносності. (Кажуть, що на початку 1920-х років один журналіст сказав Еддінґтонові, що чув, нібито лише троє людей у всьому світі розуміли загальну теорію відносності. Еддінґтон на мить задумався, а тоді відповів: «Я намагаюся згадати, хто цей третій».). Під час морської подорожі з Індії Чандрасекар вирахував, наскільки великою може бути зоря, і як вона опиратиметься силі власного тяжіння після того, як використає усе паливо. Ось до якого висновку він дійшов: коли зоря зменшується, частинки речовини наближаються одна до одної, а згідно з принципом Паулі, вони мусять мати зовсім різні швидкості. Частинки віддаляються одна від одної, а зоря збільшується. Таким чином зоря зберігає постійний радіус, утримуючи рівновагу між ґравітаційним притяганням і виштовхуванням, яке випливає з принципу Паулі – так само, як свого часу тепло зрівноважувало гравітацію. Утім Чандрасекар розумів, що виштовхування згідно з принципом Паулі має певні межі. Теорія відносності стверджує, що максимальна різниця у швидкостях частинок речовини у зорі дорівнює швидкості світла. Це означає, що коли зоря стане достатньо щільною, виштовхування, спричинене принципом Паулі, буде слабше за ґравітаційне притягання. Чандрасекар вирахував, що холодна зоря, маса якої у півтора рази перевищує масу сонця, не зможе встояти перед власною ґравітацією. (Цю масу називають Чандрасекаровою границею). Таке ж відкриття зробив у той самий час російський науковець Лев Давидович Ландау.

Це має неабияке значення для подальшої долі масивних зір. Якщо маса зорі менша за Чандрасекарову границю, зоря врешті-решт перестане скорочуватися і перетвориться на «білого карлика» з радіусом кілька тисяч миль і щільністю декілька сотень тон на кубічний дюйм. Білий карлик утримує стабільний стан внаслідок відштовхування електронів у його речовині згідно з принципом Паулі. Ми спостерігаємо за силою-силенною білих карликів. Однією із перших виявили зорю, що рухається уздовж орбіти Сиріуса, найяскравішої зорі на нічному небі.

Ландау заявив, що зоря може мати ще один кінцевий стан, за якого її маса щонайбільше вдвічі перевищує масу сонця, а розміри менші ніж у білого карлика. Ці зорі утримують стабільний стан внаслідок відштовхування нейтронів і протонів, а не електронів, згідно з принципом Паулі. Через це такі зорі назвали нейтронними. Їхній радіус дорівнює щонайбільше десять миль, а щільність – сотні мільйонів тон на кубічний дюйм. Коли було вперше передбачено, що нейтронні зорі існують, не було жодних способів довести це. Нейтронні зорі відкрили значно пізніше.

Натомість зорі, маса яких перевищує Чандрасекарову границю, потрапляють у халепу, коли закінчується їхнє паливо. У деяких випадках вони вибухають або позбуваються певної кількості речовини, щоб їхня маса була меншою за границю, і таким чином уникають катастрофічного ґравітаційного колапсу. Але важко повірити у те, що так відбувається завжди, хоч би якою великою була зоря. Як вона знає, що їй потрібно скинути вагу? Та й навіть якщо кожній зорі вдасться позбутися достатньо маси, щоб уникнути колапсу – що трапиться, якщо маса білого карлика чи нейтронної зорі раптом перевищить границю? Чи тоді зоря стягнеться до нескінченної щільності? Еддінґтона приголомшило таке припущення і він не повірив висновкам Чандрасекара. Еддінґтон вважав, що зоря просто не може стягнутися в одну точку. Так гадало більшість науковців: сам Айнштайн написав статтю, у якій заявив, що зорі не можуть стягнутися до нульового розміру. Аґресивна реакція інших науковців, особливо Еддінґтона, його колишнього вчителя і чільного фахівця із структури зір, переконала Чандрасекара відмовитися від подальших досліджень у цьому напрямі і взятися натомість за проблеми в астрономії, як-от рух скупчення зір. Року 1983 науковець отримав Нобелівську премію – почасти і за ранні дослідження крайньої маси холодних зір.

Чандрасекар довів, що принцип Паулі не може зупинити колапс зорі, маса якої перевищує Чандрасекарову границю. Однак відповідь на запитання, що ж станеться із такою зорею згідно з засадами загальної теорії відносності, уперше дав молодий американець Роберт Оппенгаймер 1939 року. Утім він дійшов висновку, що тогочасні телескопи не зможуть помітити того, що відбувається. Невдовзі вибухнула Друга світова війна, і Оппенгаймер долучився до проекту розробки атомної бомби. Після війни проблема ґравітаційного колапсу зосталася збоку, позаяк більшість науковців зацікавилися тим, що відбувається в атомі та його ядрі. Інтерес до великомасштабних проблем астрономії і космології відродився у 1960-х роках, коли поява сучасних технологій дала змогу проводити дедалі більше масштабних астрономічних спостережень. Тоді ж багато-хто знову відкрив праці Оппенгаймера і взявся їх продовжувати.

Ось які висновки можна зробити з дослідження Оппенгаймера. Ґравітаційне поле зорі змінює шлях світлових променів у просторі-часі від тієї траєкторії, якою б вони рухалися, якби перед ними не постала зоря. Світлові конуси, що позначають шляхи, якими рухаються у просторі й часі спалахи світла, що їх випромінюють верхівки конусів, дещо ввігнуті у бік поверхні зорі. Про це свідчить і викривлення світлових променів від далеких зір, яке можна спостерігати під час затемнення сонця. Коли зоря стискається, ґравітаційне поле біля її поверхні сильнішає, а світлові конуси вгинаються ще більше. Світлу стає щораз важче покинути поверхню зорі, тому далекому спостерігачеві світло здається тьмянішим і червонішим. Врешті-решт, зоря стягується до критичного радіусу, і ґравітаційне поле біля її поверхні стає таким сильним, що світло не має жодних шансів покинути зорю, адже світлові конуси занадто сильно ввігнуті. Ілюстрація 6:1.

Згідно з теорією відносності, ніщо не може рухатися швидше за світло. Якщо світло не може вирватися з поверхні зорі, то щось інше і поготів. Ґравітаційне поле тягне все назад. Отож маємо послідовність подій, ділянку простору-часу, з якої ніщо не може вирватися і потрапити у поле бачення далекого спостерігача. Тепер цю ділянку називають чорної дірою. Її край зветься горизонтом подій, і він збігається із траєкторіями світлових променів, яким не вдалося вирватися із чорної діри.

Якщо ви хочете зрозуміти, що б ви побачили, якби спостерігали за тим, як зоря стягується і утворює чорну діру, то мусите пам’ятати, що згідно з теорією відносності абсолютного часу не існує. Кожен спостерігач по-своєму вимірює час. З огляду на ґравітаційне поле зорі той, хто знаходиться на її поверхні, по-іншому сприймає час ніж той, хто спостерігає на відстані.

Уявімо собі, що на поверхні зорі, що стягується, перебуває сміливий космонавт. Як показує його годинник, він щосекунди посилає сигнал на космічний корабель, що рухається уздовж орбіти зорі. Однієї миті, наприклад об 11:00, зоря стягнеться до критичного радіусу, і ґравітаційне поле стане таким сильним, що ніщо не зможе його покинути. Отож сигнал космонавта не долетить до корабля. Незадовго до 11:00 колеги на кораблі помітять, що сигнали від космонавта приходять щораз із довшими інтервалами, однак усе зміниться о 10:59:59. Між сигналами, що їх сміливець послав о 10:59:58 і 10:59:59, мине трішки більше секунди, а от сигналу за 11:00 його приятелі так і не дочекаються. Світлові хвилі, що покинуть поверхню зорі між 10:59:59 і 11:00 за годинником космонавта, розтягнуться за міркою зорельота на нескінченний проміжок часу. Часовий інтервал між прибуттям наступних хвиль на корабель ставатиме щораз довшим, тому світло зорі здаватиметься чимраз червонішим і слабшим. Врешті-решт зоря стане такою тьмяною, що її не буде видно з космічного корабля: залишиться тільки чорна діра у космосі. Попри це сила ґравітації зорі й далі діятиме на космічний корабель, який продовжуватиме рухатися уздовж орбіти чорної діри. Утім такий сценарій не зовсім правдоподібний. Справа ось у чім: що далі від зорі ви перебуваєте, то слабша її сила тяжіння. Тому на ноги нашого космонавта-сміливця завжди діятиме сильніша ґравітаційна сила, ніж на його голову. Ця різниця між ґравітаційними силами розтягне нашого космонавта як спагеті або розірве його на шматки ще до того, як зоря стягнеться до критичного радіусу, коли утворюється горизонт подій! Утім ми віримо, що у всесвіті існують значно більші об’єкти, як-от центральні області галактик, які також переживають ґравітаційний колапс і утворюють чорні діри. Якщо космонавт полетить на один із таких об’єктів, то його не розірве на шматки ще до того, як виникне чорна діра. Насправді він не відчуватиме нічого особливого, коли наблизиться до критичного радіусу, і взагалі незчується, як мине точку неповернення. Проте область продовжуватиме стягуватися, і через декілька годин різниця між ґравітаційними силами, що діятимуть на голову та ноги космонавта, зросте настільки, що таки розірве його на шматки.

У 1965-1970 роках Роджер Пенроуз і я провели дослідження, які доводять, що згідно із загальною теорією відносності, у чорній дірі мусить існувати синґулярність нескінченної густини та кривини простору-часу. Щось схоже на великий вибух на початку часів, тільки цього разу це кінець часу для тіла, що стягується, і космонавта. У такій синґулярності настане крах усіх законів науки і здатності прогнозувати майбутнє. Однак непрогнозовність жодним чином не вплине на спостерігача, що перебуватиме осторонь від чорної діри, адже із синґулярності його не досягне ані світло, ані якийсь інший сигнал. З огляду на цей чудовий факт Роджер Пенроуз висунув гіпотезу космічної цензури, яку можна перефразувати ось так: «Бог відчуває огиду до голої синґулярності». Іншими словами, синґулярності, спричинені ґравітаційним колапсом, відбуваються тільки у місцях на кшталт чорних дір, де горизонт подій ховає їх від стороннього ока. Власне кажучи, це так звана слабка гіпотеза космічної цензури: вона захищає спостерігачів, які знаходяться осторонь від чорної діри, від наслідків непрогнозовності, що трапилася у синґулярності, але вона жодним чином не може зарадити бідолашному космонавтові, який упав у діру.

Існує кілька розв’язків рівняння загальної теорії відносності, які дадуть змогу нашому космонавтові побачити голу синґулярність: можливо, він уникне зіткнення із синґулярністю, а натомість провалиться крізь «червоточину» і вилетить в іншій області всесвіту. Такий варіант розвитку подій подарував би чудову можливість мандрувати крізь простір і час, але, на жаль, усі ці розв’язки досить нестабільні. Найменше втручання, наприклад, присутність космонавта, змінить розв’язок так, що космонавт не побачить синґулярності, аж поки не зіткнеться з нею, і його час не добіжить кінця. Іншими словами, синґулярність завжди перебуватиме у його майбутньому, і ніколи – у минулому. Сильна версія гіпотези космічної цензури стверджує, що у реалістичному розв’язку синґулярності завжди перебуватимуть повністю у майбутньому (як синґулярності ґравітаційного колапсу) або повністю у минулому (як великий вибух). Я твердо вірю у космічну цензуру, тому я побився об заклад із Кіпом Торном і Джоном Прескіллом із Каліфорнійського технологічного інституту, що ця гіпотеза завжди буде справедливою. Однак я програв через технічні деталі, тому що вони подали приклади розв’язків для синґулярності, яку було видно здалеку. Отож мені довелося розкошелитися і, згідно з умовою нашого змагання, укрити їхню наготу. Але моральна перемога – за мною. Голі синґулярності були нестабільними: через найменше втручання вони або зникали, або ховалися за горизонтом подій. Тому вони не можуть трапитися у реалістичних ситуаціях.

Горизонт подій – бар’єр ділянки простору-часу, з якої неможливо вирватися – діє як однобічно проникна мембрана довкола чорної діри: об’єкти на кшталт необачного космонавта можуть провалитися крізь горизонт подій у чорну діру, але ніщо не може вибратися з чорної діри через горизонт подій. (Не забувайте, що горизонт подій – це траєкторія у просторі-часі світла, яке силкується покинути чорну діру, а ніщо не рухається швидше за світло). Горизонт подій можна описати так само, як поет Данте описав вхід до Пекла: «Хто йде сюди, покинь усі надії!» Усе і усяк, хто провалиться крізь горизонт подій, незабаром досягне ділянки нескінченної щільності та кінця часу.
Теорія загальної відносності прогнозує, що важкі рухомі об’єкти спричинять випромінювання ґравітаційних хвиль – брижів у кривині простору, що рухаються зі швидкістю світла. Вони схожі на світлові хвилі, що є брижами електромагнетного поля, однак їх значно важче виявити. Ґравітаційні хвилі можна помітити завдяки тому, що вони утворюють ледь помітну відстань між об’єктами, які вільно рухаються. Сполучені Штати, Європа та Японія будують декілька детекторів, які вимірюватимуть зміщення однієї частини серед тисячі мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з 21 нулем) або ж частини, меншої за ядро атома, на відстані десяти миль.

Як і світло, ґравітаційні хвилі забирають енергію від об’єктів, що її виділяють. У такому випадку можна спрогнозувати, що система масивних об’єктів врешті-решт заспокоїться і перейде у стаціонарний стан, адже випромінювання ґравітаційних хвиль забере енергію усякого руху. (Те ж саме відбудеться, якщо кинути у воду поплавець: спочатку він декілька разів вигулькне на поверхню і зануриться назад під воду, але брижі поволі заберуть його енергію, і він перейде у стаціонарний стан). До прикладу, рух Землі уздовж своєї орбіти довкола Сонця спричиняє ґравітаційні хвилі. Через втрату енергії орбіта Землі змінюється: Земля наближатиметься щораз ближче до Сонця, зрештою зіткнеться з ним і перейде у стаціонарний стан. Рівень енергетичних втрат у випадку Землі та Сонця дуже низький – цієї енергії вистачить хіба що на маленький електрообігрівач. Тобто Земля зіткнеться із Сонцем щонайменше за тисячу мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів років. Отож нема чого хвилюватися! Орбіта Землі змінюється занадто повільно, щоб її зафіксувати, але ось уже кілька років спостерігають за таким самим явищем у системі PSR 1913 + 16 (PSR означає “пульсар,” особливий тип нейтронної зорі, що випромінює регулярні радіоімпульси). До цієї системи входять дві нейтронні зорі, що рухаються уздовж орбіти одна навколо одної. Енергія, яку вони втрачають через випромінювання ґравітаційних хвиль, змушує їх рухатися по спіралі у бік одна до одної. Дж. Г. Тейлор і Р. А. Галс підтвердили таким чином теорію загальної відносності – і здобули за це 1993 року Нобелівську премію. Ці нейтронні зорі зіткнуться через три сотні мільйонів років. Незадовго до цієї миті вони так швидко рухатимуться уздовж орбіти, що випромінюватимуть силу-силенну ґравітаційних хвиль, що їх зможуть зафіксувати детектори на кшталт LIGO.

У випадку ґравітаційного колапсу, зоря, яка має перетворитися на чорну діру, рухатиметься набагато швидше, тому рівень викиду енергії теж буде істотно вищим. Отож зоря і незчується, як перейде у стаціонарний стан. Як же вона тоді виглядатиме? Можна припустити, що це залежатиме від усіх властивостей зорі – не тільки її маси та швидкості обертання, а й від різниці у щільності різних частин зорі та складного руху газів усередині. А якщо б чорні діри бували такими ж різноманітними, як об’єкти, що з них вони утворилися, то було б страшенно важко хоч щось спрогнозувати про чорні діри загалом.

Утім року 1967 канадський науковець Вернер Ізраель (який народився у Берліні, виріс у Південній Африці та захистив докторську дисертацію в Ірландії) здійснив справжнісіньку революцію у дослідженні чорних дір. Ізраель довів, що згідно із загальною теорією відносності, необертні чорні діри напрочуд прості; вони мають ідеальну сферичну форму, їхній розмір залежить тільки від маси, і будь-які дві чорні діри з одинаковою масою – ідентичні. Чорні діри можна, по суті, описати окремим розв’язком рівнянь Айнштайна, відомим ще з 1917 року. Цей розв’язок знайшов Карл Шварцшільд невдовзі після того, як було відкрито теорію загальної відносності. Спочатку багато науковців, зокрема й сам Ізраель, стверджували, що оскільки чорні діри ідеально сферичні, то вони можуть утворитися тільки від колапсу ідеально сферичного об’єкта. Отож будь-яка реальна зоря – яка ніколи не буває ідеально сферичною – може внаслідок колапсу утворити тільки голу синґулярність.

Однак Роджер Пенроуз і Джон Вілер витлумачили гіпотезу Ізраеля по-іншому. Вони заявили: під час колапсу зоря рухається дуже швидко, випромінюючи ґравітаційні хвилі, що роблять її форму більш сферичною. І до того моменту, коли зоря перейде у стаціонарний стан, вона буде ідеально сферичною. Згідно з цим твердженням, хоч яку складну форму чи внутрішню структуру мала зоря, після ґравітаційного колапсу вона перетвориться на ідеально сферичну чорну діру, розмір якої залежатиме тільки від її маси. Подальші розрахунки підтвердили цю теорію, яку незабаром було офіційно визнано.

Ізраель вивчав чорні діри, що утворилися тільки з необертних тіл. Року 1963 новозеландець Рой Керр знайшов сукупність розв’язків рівнянь загальної теорії відносності, що описували обертні чорні діри. Ці «Керрові» чорні діри обертаються зі сталою швидкістю, а їхній розмір і форма залежать тільки від маси та швидкості обертання. Якщо швидкість дорівнює нулю, чорна діра ідеально кругла, а розв’язок тотожний Шварцшильдовому розв’язкові. Якщо ж швидкість не дорівнює нулю, то чорна діра випинається назовні поблизу екватора (так само як випинаються земля чи сонце, які обертаються), і що швидше вона обертається, то більше випинається. Щоб поширити теорію Ізраеля на обертні тіла, побудували гіпотезу, що усяке обертне тіло, яке внаслідок колапсу утворило чорну діру, врешті-решт перейде до стаціонарного стану, що його описує розв’язок Керра. Року 1970 мій кембридзький колега-аспірант Брендон Картер зробив перший крок до доведення цієї гіпотези. Він довів, що якщо стаціонарна обертна чорна діра має вісь симетрії – як така собі дзиґа – то її розмір і форма залежатимуть тільки від маси та швидкості обертання. Тоді 1971 року я довів, що будь-яка стаціонарна обертна чорна діра без жодного сумніву матиме таку вісь симетрії. Зрештою, 1973 року Девід Робінсон із Королівського коледжа у Лондоні скористався моїми та Картеровими розрахунками і довів, що гіпотеза правильна: така чорна діра буде розв’язком Керра. Отож після ґравітаційного колапсу чорна діра перейде у стан, у якому вона обертатиметься, та не пульсуватиме. До того ж, її розмір і форма залежатимуть тільки від її маси та швидкості обертання, а не від природи тіла, що утворило чорну діру внаслідок колапсу. Цей висновок підсумовує славнозвісне твердження: «Чорна діра не має волосся». «Безволоса» теорема має величезне практичне значення, адже вона обмежує можливу кількість типів чорних дір. Тепер ми маємо змогу створити детальні моделі об’єктів, що можуть містити чорні діри, і порівняти прогноз на основі моделі з результатами спостереження. Крім того, це означає, що коли утворюється чорна діра, ми втрачаємо силу-силенну інформації про тіло, що зазнало колапсу, адже опісля ми можемо виміряти хіба що масу та швидкість обертання цього тіла. У наступному розділі ми поговоримо про те, чому це так важливо.

Чорні діри – це лише один із небагатьох випадків в історії науки, коли теорію докладно побудували як математичну модель ще до того, як результати спостережень довели, що вона правильна. Звісно, що так звучав основний аргумент противників чорних дір: як можна вірити в об’єкти, єдиний доказ існування яких – це розрахунки на підставі сумнівної загальної теорії відносності? Однак року 1963 астроном Паломарської обсерваторії у Каліфорнії Маартен Шмідт виміряв червоний зсув ледь помітного зореподібного об’єкта у напрямі джерела радіохвиль під назвою 3C273 (номер джерела 273 у третьому Кембридзькому каталозі радіоджерел). Він визначив, що ґравітаційне поле не могло спричинити такого значного зсуву: якби це був ґравітаційний червоний зсув, об’єкт був би таким масивним і близьким до нас, що порушив би орбіти планет у Сонячній системі. Отож, червоний зсув спровокувало ширшання всесвіту, а це значило, що об’єкт перебуває на дуже великій відстані. І оскільки нам усе-таки вдалося його помітити, то він мусив бути надзвичайно яскравим, тобто мусив виділяти гігантську кількість енергії. На думку спало одне-єдине явище, яке б могло виділити таку шалену кількість енергії – ґравітаційний колапс, тільки не однієї зорі, а всієї центральної області галактики. Було виявлено ще кілька схожих «квазизоревих об’єктів» або ж квазарів зі значними червоними зсувами. Проте всі вони знаходяться занадто далеко – і через це за ними важко спостерігати, щоб надати переконливі докази існування чорних дір.

Ще один аргумент на користь існування чорних дір з’явився 1967 року, коли кембридзька аспірантка Джоселін Белл-Бернелл виявила у небі об’єкти, що випромінювали регулярні імпульси радіохвиль. Спочатку Белл та її науковий керівник Ентоні Г’юїш подумали, що вони вийшли на зв’язок із позаземною цивілізацією у галактиці! Я пригадую, що на семінарі, на якому вони оголосили про своє відкриття, вони назвали перші чотири джерела LGM 1 – 4 (абревіатура LGM розшифровувалася як «Little Green Men» - «Маленькі зелені чоловічки»). Однак згодом і першовідкривачі, і всі решта дійшли до менш романтичного висновку, що ці об’єкти – так звані «пульсари» – це насправді обертні нейтронні зорі, які випромінювали імпульси радіохвиль через складну взаємодію між їхніми магнетними полями та навколишньою матерією. Погана новина для авторів космічних вестернів, але дуже втішна для вузького кола тих, хто тоді вірив в існування чорних дір: це був перший ствердний доказ, що нейтронні зорі існують. Нейтронна зоря має радіус завбільшки десять миль – у кілька разів більший за критичний радіус, при якому зоря перетворюється на чорну діру. Якщо зоря стягнулася до такого малого розміру, то цілком можна припустити, що й інші зорі здатні стягнутися до ще меншого розміру і стати чорними дірами.

Чи ж не марними були наші надії виявити чорну діру, яка за означенням не випромінює світла? Це ж те саме, що шукати чорну кішку в темній кімнаті. На щастя, вихід знайшовся. Як зазначив Джон Мічелл у своїй новаторській праці 1783 року, ґравітаційна сила чорної діри і далі діє на поблизькі об’єкти. Астрономи виявили чимало систем, де дві зорі рухаються уздовж орбіти одна навколо одної, а притягує їх сила тяжіння. Крім того, вони побачили системи, де одна видима зоря рухається уздовж орбіти довкола якогось невидимого супутника. Однак не можна відразу ж заявити, що цим супутником є чорна діра: можливо це всього-лиш занадто слабка зоря. Утім деякі з цих систем, зокрема Cygnus X-1 (ілюстрація 6:2), є до того ж потужними джерелами Рентґенового проміння.

Найкраще пояснити це явище ось так: з поверхні видимої зорі було видмухнуто матерію. Падаючи на невидимого супутника, вона рухається уздовж спіралі (немов вода, що стікає з ванни), нагрівається і випромінює Рентґенове проміння. Ілюстрація 6:3

Такий варіант розвитку подій вимагає, щоб невидимий об’єкт був крихітний – як білий карлик, нейтронна зоря або чорна діра. Найменшу можливу масу невидимого об’єкта можна визначити зі спостережуваної орбіти видимої зорі. У випадку Cygnus X-l вона у шість разів перевищує масу сонця – а згідно з обчисленнями Чандрасекара, невидимий об’єкт із такою масою не може бути білим карликом. Нейтронна зоря теж не може бути така гігантська. Отож, усе вказує на те, що це чорна діра.

Існують моделі, які стверджують, що у системі Cygnus X-1 немає чорної діри, але всі вони виглядають надумано. Чорна діра – ось єдине справді природне пояснення цих спостережень. Попри це я таки побився об заклад із Кіпом Торном із Каліфорнійського технологічного інституту, що система Cygnus X-1 не містить чорної діри! Таким чином я застрахував себе. Адже я присвятив стільки часу і зусиль чорним дірам – і вся моя праця виявиться марною, якщо чорних дір не існує. Та навіть якщо так трапиться, я виграю заклад і втішуся – адже отримаю передплату на журнал «Приватний детектив» (Private Eye) на чотири роки. Ситуація із Cygnus X-1 практично не змінилася, відколи ми у 1975 році зайшли в заклад, однак сьогодні існує стільки даних спостереження, що я добровільно визнав свою поразку. І заплатив за це штраф – передплатив Кіпові журнал «Пентгауз» (Penthouse) на один рік, наразившись на гнів його емансипованої дружини.

Уже є докази, що у системах на кшталт Cygnus X-1 у нашій галактиці та у двох сусідніх галактиках, які називаються Магеланові хмари, існує декілька чорних дір. Звісно, що чорних дір набагато більше; за чималу історію усесвіту не одна зоря мала б спалити все ядерне паливо та сколапсувати. І це ще не все: цілком можливо, що чорних дір існує більше, ніж видимих зір – а їх налічується сотня тисяч мільйонів тільки у нашій галактиці. Така величезна кількість чорних дір створює додаткове ґравітаційне притягання – і це могло би пояснити, чому наша галактика обертається з конкретною швидкістю, адже маси видимих зір тут не достатньо. Крім того, ми маємо докази, що у центрі нашої галактики розташована гігантська чорна діра, маса якої у сотню тисяч разів перевищує масу Сонця. Якщо зорі у галактиці впритул наблизяться до цієї чорної діри, то різниця у силі ґравітації, що діятиме на прилеглу та відлеглу сторони зір, розірве їх на шматки. Їхні рештки та газ, що його скидають інші зорі, полетять у бік чорної діри. Як і у випадку з Cygnus X-l, газ рухатиметься уздовж спіралі та нагріватиметься, хоч і не так сильно. Його температури не вистачить для того, щоб випромінювати Рентґенове проміння, а от щоб стати компактним джерелом радіохвиль та інфрачервоного проміння, що його ми спостерігаємо у центрі галактики – цілком.

Вважають, що схожі, тільки ще більші чорні діри, маса яких у сотню мільйонів разів перевищує масу сонця, розташовані у центрах квазарів. До прикладу, спостереження, проведені за допомогою телескопа Габбл у галактиці M87, виявили, що там міститься диск із газом діаметром 130 світлових років, який обертається довкола центрального об’єкта, маса якого у дві тисячі мільйонів разів перевищує масу Сонця. Це, безсумнівно, чорна діра. Єдине джерело, здатне генерувати гігантську кількість енергії, що її випромінюють ці об’єкти – це матерія, яка падає у надмасивну чорну діру. Коли матерія рухається уздовж спіралі до чорної діри, вона змушує чорну діру обертатися у тому ж напрямі та створити магнетне поле – на кшталт того, що має Земля. Матерія, що падає, створює поблизу чорної діри надвисокоенергетичні частинки. Магнетне поле буде таке потужне, що згрупує усі частинки у струмини, які виводитимуться назовні навколо осі обертання чорної діри, тобто у напрямі до північного та південного полюсів. Такі струмини спостерігають у кількох галактиках і квазарах. Цілком імовірно, що існують чорні діри, маса яких значно менша за масу сонця. Такі чорні діри не могли утворитися шляхом ґравітаційного колапсу, адже їхня маса менша за Чандрасекарову границю: зорі з такою малою масою чинитимуть опір силі тяжіння навіть після того, як вичерпають ядерне паливо. Чорні діри з малою масою можуть утворитися тільки якщо матерія стиснеться до максимальної щільності під дією колосального зовнішнього тиску. Такі умови можуть виникнути у величезній водневій бомбі: фізик Джон Вілер якось вирахував, що якщо взяти всю важку воду з усіх світових океанів, то можна створити водневу бомбу, яка так сильно стисне матерію у центрі, що утвориться чорна діра. (Звісно, що цього вже ніхто не побачить!) Імовірніше, що такі чорні діри з малою масою утворилися в умовах високих температур і тиску у надранньому всесвіті. Чорні діри могли з’явитися за умови, що ранній Всесвіт не був досконало гладкий і рівномірний. Інакше для того, щоб утворити чорну діру, можна було б стиснути тільки невелику, щільнішу за інших ділянку. Натомість ми знаємо, що тоді існували певні неоднорідності – коли ж ні, то матерія у всесвіті була б до сучасної епохи розподілена ідеально рівномірно, а не зібгана у формі зір і галактик.

Чи неоднорідності, з яких сформувалися зорі та галактики, причетні і до утворення сили-силенної «первісних» чорних дір? Це залежить від особливостей умов у ранньому всесвіті. Отож якби ми змогли визначити, скільки у всесвіті первісних чорних дір, ми чимало дізналися б про надранні етапи розвитку всесвіту. Первісні чорні діри, маса яких перевищує тисячу мільйонів тон (масу великої гори), можна виявити тільки якщо вони чинять ґравітаційний вплив на іншу, видиму матерію чи на ширшання всесвіту. Однак у наступному розділі ми дізнаємося, що чорні діри насправді зовсім не чорні – вони жевріють як гаряче тіло. І що вони менші, то сильніше жевріють. Тому хоч як це дивно звучить, але малі чорні діри легше виявити, ніж великі!

Через кілька днів викладу на розгляд 9 розділ. Ще треба відредагувати як слід на "свіжу" голову. Не хочу забігати наперед, але була б рада взяти участь і в наступних конкурсах по перекладу книг)

маєте ще 10 днів

РОЗДІЛ 9
СТРІЛА ЧАСУ
У попередніх розділах ми бачили, як змінювалися наші погляди на природу часу за ці роки. До початку цього століття люди вірили в абсолютний час. Таким чином, кожну подію унікальним способом можна було б позначити так званим «часом», і всі точні годинники будуть показувати інтервал часу між двома подіями. Проте, відкриття того, що швидкість світла виявилася однаковою для кожного спостерігача, незалежно від того, як він рухається, призвело до теорії відносності, яка заперечує існування унікального абсолютного часу. Замість цього, кожен спостерігач має свою власну міру часу, яку показує його годинник: годинники різних спостерігачів не обов'язково збігаються. При цьому час став більш особистою концепцією по відношенню до спостерігача, який його вимірює.
Спроби об'єднати гравітацію з квантовою механікою призвели до появи поняття "уявного" часу. Уявний час нічим не відрізняється від напрямку в просторі. Йдучи на північ, можна обернутися і піти на південь; Аналогічно, йдучи вперед в уявному часі, можна повернутися і піти назад. Це означає, що не може бути ніякої важливої відмінності між прямим і зворотнім напрямками уявного часу. З іншого боку, якщо подивитися на "реальний" час, є дуже велика різниця між прямим і зворотнім напрямками, як всі ми знаємо. Звідки взялася ця різниця між минулим і майбутнім? Чому ми пам'ятаємо минуле, але не пам'ятаємо майбутнє?
Закони науки не виокремлюють минуле та майбутнє. Точніше, як зазначалося вище, закони науки не змінюються під комбінацією операцій (або симетрій), відомої як C, Р і T. (C означає заміну частки античасткою, P - дзеркальне відображення, коли ліво та право міняються місцями, і Т - зміна напрямку руху всіх частинок: по суті, зворотній рух). Закони науки, які регулюють поведінку речовини при всіх нормальних ситуаціях, є самі по собі незмінними при комбінації двох операцій С і Р. Іншими словами, життя було б точно таким же для мешканців іншої планети, якби вони були дзеркальним відображенням нас і якби вони були зроблені з антиречовини, а не навпаки.
Якщо закони науки не змінюються при поєднанні операцій С і Р, а також в комбінації С, Р, Т, вони також повинні бути незмінними під час операції однієї T. Все ж є велика різниця між прямим і зворотнім напрямками реального часу в звичайному житті. Уявіть собі чашку води, яка падає зі столу і розбивається на уламки об підлогу. Якщо зафільмувати цей процес, можна легко сказати, в якому напрямку прокручується плівка. Якщо запустити плівку назад, то ми побачимо, як частинки раптом зберуться з підлоги, піднімуться назад та приймуть форму цілої чашки на столі. Ви можете сказати, що фільм був запущений назад, тому що така поведінка ніколи не спостерігається в звичайному житті. Якби це мало дійсність, виробники посуду збанкрутіли б.
Пояснення стосовно того, чому ми не бачимо розбиті чашки, які піднімаються назад з підлоги і опиняються знову на столі, суперечить другому закону термодинаміки. В ньому говориться про те, що в будь-якій замкнутій системі безлад, або ентропія, завжди з часом зростає. Іншими словами, це форма закону Мерфі: речі завжди мають тенденцію йти не так, як потрібно! Ціла чашка на столі - це стан високого порядку, але розбита чашка на підлозі є станом безладу. Можна легко пройти шлях від цілої чашки на столі в минулому до розбитої чашки на підлозі в майбутньому, але не навпаки.
Зростання безладу чи ентропії з плином часу є одним з прикладів того, що називається стріла часу, те, що відрізняє минуле від майбутнього, даючи напрямок часу. Існують щонайменше три різних стріли часу. По-перше, існує термодинамічна стріла часу, напрямок часу, в якому безлад або ентропія зростає. Крім того, є психологічна стріла часу. Це напрямок, в якому ми відчуваємо, як проходить час, напрямок, в якому ми пам'ятаємо минуле, але не майбутнє. Нарешті, існує космологічна стріла часу. Це напрямок часу, в якому Всесвіт розширюється, а не скорочується.
У цьому розділі я доведу, що відсутність граничної умови для Всесвіту разом із слабким антропним принципом не може пояснити, чому всі три стрілки вказують у тому ж напрямку - і більше того, чому чітко визначена стріла часу має існувати взагалі. Я доведу, що психологічна стріла визначається термодинамічною стрілою, і що ці дві стріли обов'язково завжди вказують у тому ж напрямку. Якщо припустити, що гранична умова для Всесвіту відсутня, ми побачимо, що повинні бути чітко визначені термодинамічні та космологічної стріли часу, але вони не будуть вказувати в тому ж напрямку за всю історію Всесвіту. Проте, я доведу, що це відбувається лише тоді, коли вони вказують у тому ж напрямку, і що умови сприятливі для розвитку розумних істот, які можуть поставити запитання: чому безлад зростає в тому ж напрямку часу, в якому розширюється Всесвіт?
Спочатку я хочу обговорити термодинамічну стрілу часу. Другий закон термодинаміки пов'язаний з тим, що завжди існує набагато більше інших станів безладу, ніж упорядкованих. Розглянемо, наприклад, частини мозаїки на кубиках. Існує одна і тільки одна комбінація, за допомогою якої ці частини утворюють повну картинку. З іншого боку, існує велика кількість комбінацій, в результаті яких частини невпорядковані та не утворюють картинки.
Припустимо, що система починається в одному із небагатьох станів порядку. З часом система буде розвиватися відповідно до законів науки і її стан зміниться. Згодом більш ймовірним буде те, що система перейде в стан безладу, оскільки станів безладу існує більше. Таким чином безлад з плином часу матиме тенденцію до зростання, якщо система дотримуватиметься початкової умови високого порядку.
Припустимо, що частини мозаїки знаходилися на кубиках в упорядкованій комбінації, в якій вони утворюють картинку. Якщо потрусити коробку, частини утворять іншу комбінацію. Це, ймовірно, буде неупорядкована комбінація, в якій частини не утворюють правильної картинки лише тому, що існує ще дуже багато неупорядкованих комбінацій. Деякі групи частин можуть і досі утворювати частини картинки, але чим більше ви трусите коробку, тим більша вірогідність того, що ці групи будуть роз’єднані, а частини будуть повністю перемішані та не утворюватимуть цілої картинки. Таким чином, безлад з часом зростатиме, так як частини спочатку перебували у стані високого порядку.
Однак, припустимо, Бог вирішив, що Всесвіт повинен закінчитися в стані високого порядку, незважаючи на те, в якому стані він утворився. У ранні часи Всесвіт, ймовірно, був у стані безладу. Це б означало, що безлад з часом зменшуватиметься. Тоді ви б бачили розбиті чашки, які збираються в одне ціле і опиняються на столі. Проте, будь-які людські істоти, які спостерігали за чашкою, повинні жити у Всесвіті, в якому безлад з часом зменшується. Я стверджую, що такі істоти мають психологічну стрілу часу в зворотному напрямку. Тобто, вони будуть пам'ятати події в майбутньому, і не пам'ятатимуть подій в їхньому минулому. Коли чашка розбита, вони пам'ятатимуть те, що вона стоїть на столі, але коли вона знаходитиметься на столі, вони не пам'ятатимуть те, що вона була на підлозі.
Досить важко говорити про людську пам'ять, тому що ми не знаємо детально, як працює мозок. Однак, ми знаємо все про те, як працює пам'ять комп'ютера. Тому я буду обговорювати психологічну стрілу часу для комп'ютерів. Я думаю, що було б розумно припустити, що стріла для комп'ютерів є тим же, що і для людей. Якби її не існувало, можна було б спричинити обвал на фондовій біржі, маючи комп'ютер, який буде пам'ятати ціни завтрашнього дня! Пам'ять комп'ютера – це по суті пристрій, що містить елементи, які можуть існувати в одному з двох станів. Простим прикладом є рахівниця. У своїй найпростішій формі вона складається з безлічі дротів; на кожному дроті розташовано безліч кульок, які можуть бути розміщені в одному з двох положень. До того, як значення буде записано в пам'ять комп'ютера, вона знаходиться в стані безладу, з рівними ймовірностями для двох можливих станів (кульки рахівниці у довільному стані розміщені на дротах рахівниці). Після взаємодії пам'яті з системою потрібно пам'ятати, що це безперечно буде або в одному, або в іншому стані, залежно від стану системи. (Кожна кулька рахівниці буде або на лівій, або на правій стороні дроту рахівниці). Таким чином пам'ять перейшла від стану безладу до стану порядку. Однак, для того, щоб переконатися, що пам'ять у потрібному стані, необхідно використовувати певну кількість енергії (наприклад, для переміщення кульки або для живлення комп'ютера). Ця енергія розсіюється у вигляді тепла і збільшує кількість безладу у Всесвіті. Можна показати, що це зростання в стані безладу завжди більше, ніж зростання в стані порядку самої пам'яті. Таким чином, тепло, яке виділяється вентилятором охолодження комп'ютера, означає, що, коли комп'ютер записує значення до пам'яті, загальна величина безладу у Всесвіті все ще зростає. Напрямок часу, в якому комп'ютер запам'ятовує минуле, такий же, як той, в якому зростає безлад.
Наше суб'єктивне відчуття напрямку часу - психологічна стріла часу - визначається в межах нашого мозку термодинамічною стрілою часу. Так само, як і комп'ютер, ми повинні пам'ятати речі в порядку, в якому зростає ентропія. Це робить другий закон термодинаміки майже тривіальним. Безлад з часом зростає, тому що ми вимірюємо час у напрямку, в якому зростає безлад. Не можна не посперечатися з цим!
Але чому термодинамічна стріла часу взагалі повинна існувати? Або, іншими словами, чому Всесвіт повинен перебувати в стані високого порядку в одному кінці часу, кінці, який ми називаємо минулим? Чому він постійно не перебуває в стані повного безладу? Зрештою, це може здатися більш імовірнішим. І чому цей напрямок часу, в якому безлад зростає, такий же, як і той, в якому Всесвіт розширюється?
Класична загальна теорія відносності не може вирахувати, як виник би Всесвіт, тому що всі відомі закони науки були б порушені сингулярністю «великого вибуху». Всесвіт міг виникнути в однорідному та дуже впорядкованому стані. Це призвело б до чітко визначених термодинамічних і космологічних стріл часу, як ми і спостерігаємо. Але Всесвіт також міг би рівною мірою виникнути в дуже неоднорідному та невпорядкованому стані. У цьому випадку, Всесвіт вже був би у стані повного безладу, тому безлад не міг би зростати з часом. Всесвіт міг би залишитися незмінним, і в цьому випадку не було б ніякої чітко визначеної термодинамічної стріли часу, або він міг би зменшуватися, і в цьому випадку термодинамічна стріла часу вказувала б у напрямку, протилежному напрямку космологічного стріли. Жодна з цих можливостей не підтверджує те, що ми спостерігаємо. Однак, як ми вже бачили, класична загальна теорія відносності передбачає свою власну загибель. Коли викривлення простору-часу стає завеликим, стануть важливими квантові гравітаційні ефекти і класична теорія перестане бути хорошим описом Всесвіту. Потрібно використовувати квантову теорію гравітації, щоб зрозуміти, як виник Всесвіт.
Для того, щоб визначити стан Всесвіту у квантовій теорії гравітації, як ми бачили в попередньому розділі, необхідно було б ще згадати і про те, як можливі історії Всесвіту будуть поводитись на межі простору-часу в минулому. Необхідність знати те, що ми не знаємо і не можемо знати, відпадає лише тоді, коли історії не задовольняють відсутність граничної умови: вони є кінцевим ступенем, але не мають меж, країв або особливостей. У тому випадку, початок часу був би постійною, рівною точкою простору-часу і Всесвіт почав би своє розширення в дуже однорідному та впорядкованому стані. Всесвіт не міг бути повністю неоднорідним, тому що це б порушило принцип невизначеності квантової теорії. Там мали б бути невеликі коливання в щільності та швидкості частинок. Однак, за умови відсутності границь, ці коливання повинні були б бути настільки малими, щоб відповідати принципу невизначеності.
Всесвіт вже давно б вийшов на період експоненціального або "інфляційного" розширення, в якому він збільшиться до дуже великого розміру. Під час цього розширення, щільність флуктуації залишилася б спочатку невеликою, але пізніше почала б зростати. В регіонах, в яких щільність була дещо вищою, ніж середнє її значення, розширення сповільнилось би ґравітаційним притяганням додаткової маси. Зрештою, такі регіони перестануть розширюватися і спричинять формування галактик, зірок та істот, як ми. Всесвіт виник би у однорідному та впорядкованому стані і з часом перейшов би в неоднорідний та невпорядкований. Це могло б пояснити існування термодинамічної стріли часу.
Але що ж сталося б, якби Всесвіт перестав би розширюватися і почав стискатися? Чи повернулася б назад термодинамічна стріла і чи почався б зменшуватися безлад з плином часу? Для людей, які вижили б в проміжку фаз розширення та стиснення відкрилися б різного роду науково-фантастичні можливості. Чи будуть вони бачити розбиті чашки, які збираються в одне ціле з підлоги і опиняються знову на столі? Чи зможуть вони згадати завтрашні ціни і розбагатіти на фондовому ринку? Трохи упередженим може здатися хвилювання про те, що станеться, якщо Всесвіт знову почне колапсувати, так як він не почне скорочуватися ще як мінімум десять тисяч мільйонів років. Але є і більш швидкий спосіб дізнатися, що станеться: стрибнути в чорну діру.
Колапс зірок в стані чорної діри подібний пізній стадії розпаду усього Всесвіту. Отже, якщо безлад зменшуватиметься в фазі стискання Всесвіту, можна також очікувати, що він зменшиться і всередині чорної діри. Тому, можливо, астронавт, який потрапив у чорну діру, зможе заробити гроші, граючи в рулетку. Він вже буде знати, де опиниться м'ячик, перш ніж зробить свою ставку. (Однак, нажаль, він не зможе довго грати, лише до того часу, поки не перетвориться в спагетті. При цьому він не зможе повідомити нас про зміну термодинамічної стріли, або, навіть, банк про свій виграш, так як він перебуватиме в пастці за горизонтом подій чорної діри).
Спочатку я вважав, що безлад зменшиться, коли Всесвіт поновить реконтракційне стискання. Я так вважав тому, що Всесвіт повернеться до однорідного та упорядкованого стану, коли він знову буде малим. Це означатиме, що фаза стискання буде якраз протилежною фазі розширення. Люди в стані стискання будуть жити своїм життям, але в зворотному напрямку: вони помруть, перш ніж народяться і будуть молодшати по мірі того, як Всесвіт буде стискатися.
Ця ідея приваблива тим, що означатиме хорошу симетрію між фазою розширення та фазою стискання. Тим не менше, ніхто не може сприйняти це як належне, незалежно від інших уявлень про Всесвіт. Залишається питанням: чи слідує це з відсутності граничної умови, чи є несумісним з тією умовою? Як вже говорилось, спочатку я подумав, що відсутність граничної умови дійсно має на увазі те, що безлад буде зменшуватися в фазі стискання. Мене частково ввела в оману аналогія з поверхнею Землі. Припустимо, якщо початок Всесвіту відповідає Північному полюсу, тоді кінець Всесвіту повинен бути подібним на початок так само, як Південний полюс схожий на Північний. Не зважаючи на це, Північний і Південний полюси відповідають початку і кінцю Всесвіту в уявному часі. Початок і кінець в реальному часі можуть дуже відрізнятися один від одного. Я був також введений в оману роботою, в якій я розглядав просту модель Всесвіту, де фаза колапсу виглядала як час, зворотній до фази розширення. Тим не менш, мій колега Дон Пейдж з Університету штату Пенсильванія зазначив, що відсутність граничної умови не вимагає обов’язково того, щоб фаза стискання була зворотною в часі фазою розширення. Крім того, один з моїх студентів Реймонд Лефлемм встановив, що в більш складній моделі колапс Всесвіту сильно відрізняється від її розширення. Я зрозумів, що зробив помилку: відсутність граничної умови не має на увазі, що безлад дійсно повинен продовжувати зростати при стисненні. Термодинамічні і психологічні стріли часу не змінять свого напрямку, ні тоді, коли Всесвіт почне відновлюватись, ні всередині чорних дір.
Що б ви робили, якби дізнались, що зробили таку ж помилку? Деякі люди ніколи не визнають, що вони не праві, і продовжують знаходити нові і часто взаємно суперечливі аргументи на підтримку своєї справи – так як Еддінгтон виступив проти теорії чорних дір. Інші стверджують, що вони насправді ніколи не підтримували неправильної думки, або, якщо й підтримували, то це було тільки для того, щоб показати, що вона була суперечливою. Мені здається, що набагато кращим і менш бентежним буде, якщо ви визнаєте письмово те, що були неправі. Хорошим прикладом цього був Айнштайн, який ввів космологічну постійну, яку назвав найбільшою помилкою у своєму житті, намагаючись зробити статичну модель Всесвіту.
Повертаючись до стріли часу, залишається одне питання: чому ж ми спостерігаємо те, що термодинамічні і космологічні стріли вказують в однаковому напрямку? Або, іншими словами, чому безлад збільшується в тому ж самому напрямку часу, в якому розширюється Всесвіт? Якщо вважати, що Всесвіт буде розширюватися, а потім знову скорочуватися, що очевидно через відсутність граничної межі, постає питання про те, чому ми повинні бути в фазі розширення, а не у фазі стискання.
Відповідь на це запитання полягає в основі слабких людських принципів. Умови в фазі розширення не будуть придатними для існування розумних істот, які могли б поставити запитання: чому безлад зростає в тому ж напрямку, що і час, в якому розширюється Всесвіт? Вздуття на ранніх стадіях Всесвіту передбачає відсутність граничної межі. Це означає, що Всесвіт повинен розширюватися на дуже близькій до критичної швидкості, при якій можливість колапсу виключається, і тому стискання не відбудеться ще протягом дуже довгого часу. До того часу всі зірки згорять і протони та нейтрони в них, ймовірно, розпадуться на частинки світла і радіацію. Всесвіт залишиться в стані майже повного безладу, в якому буде відсутня сильна термодинамічна стріла часу. Безлад не міг би набагато зрости, тому що Всесвіт був би вже у стані майже повного безладу. Тим не менш, сильна термодинамічна стріла необхідна для функціонування розумного життя. Для того щоб вижити, люди повинні споживати їжу, яка представляє собою упорядковану форму енергії, та перетворювати її в тепло, яке є невпорядкованою формою енергії. Таким чином, розумне життя не може існувати в фазі стискання Всесвіту. Це є поясненням того, чому ми бачимо, що термодинамічна та космологічна стріли часу направлені в тому ж напрямку. Не можна сказати, що розширення Всесвіту призводить до зростання безладу. Скоріш за все, це означає, що через відсутність граничної умови безлад зростає, і умови, придатні для розумного життя, тільки в фазі розширення.
Підведемо підсумки. Закони науки не вирізняють прямий і зворотній напрямки часу. Крім того, існує щонайменше три стріли часу, які відділяють минуле від майбутнього. Це: термодинамічна стріла - напрямок часу, в якому зростає безлад; психологічна стріла - напрямок часу, в якому ми пам'ятаємо минуле, але не пам’ятаємо майбутнє; і космологічна стріла - напрямок часу, в якому Всесвіт розширюється, а не стискається. Я показав, що психологічна стріла по суті є такою ж, як і термодинамічна стріла, тобто обидві завжди вказують в одному напрямку. Відсутність граничної межі для Всесвіту не передбачає існування чітко визначеної термодинамічної стріли часу, тому що Всесвіт повинен виникнути в однорідному і впорядкованому стані. А причина збігу термодинамічної стріли з космологічною стрілою, як ми спостерігаємо, полягає в тому, що розумні істоти можуть існувати тільки в фазі розширення. Фаза стискання для них непридатна, тому що вона не має сильної термодинамічної стріли часу.
Прогрес людської раси в розумінні Всесвіту сприяв створенню малого куточка порядку в зростаючому безладі Всесвіту. Якщо ви пам'ятаєте кожне слово в цій книзі, ваша пам'ять запише близько двох мільйонів одиниць інформації: порядок у вашій голові збільшиться приблизно на два мільйони одиниць. Крім того, у той час, коли ви читали книгу, ви перетворювали принаймні тисячу калорій впорядкованої енергії, яку отримували у вигляді їжі, в невпорядковану енергію у вигляді тепла, яке ви виділяєте в оточуюче середовище за рахунок конвекції та потіння. Це призведе до зростання безладу у Всесвіті приблизно на двадцять мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів одиниць - або близько десяти мільйонів мільйонів мільйонів разів зростання порядку у вашому мозку - і це лише в тому випадку, якщо Ви запам'ятаєте все в цій книзі. У наступному розділі, я все ж спробую навести порядок у наших головах, пояснюючи те, як люди намагаються поєднати окремі теорії часток, які я описав, щоб сформувати повну єдину теорію, яка охоплювала б усе, що відбувається у Всесвіті.

Доброго дня! До зазначеного терміну переклад буде готовий!

Розділ 10
Червоточини та подорожі у часі

У попередньому розділі йшлося про те, чому ми вважаємо, що час рухається уперед: чому безлад зростає і ми пам’ятаємо лише минуле, а майбутнє ні. Для нас час завжди був залізничною колією, якою можна рухатися лише уперед або назад.

Та що, якби колія розгалуджувалась на кілька гілок та петель, якими можна було б рухатись уперед, час від часу повертаючись на попередні станції? Іншими словами, чи можливі подорожі у майбутнє або у минуле?

Г.Д. Уелс, як і багато інших письменників-фантастів, дослідив це питання у своїй книзі “Машина Часу”. У той же час, багато ідей описаних у цих творах, наприклад, підводні човни, подорожі на місяць, стали науковими фактами. Так які ж перспективи чекають на подорожі у часі?

Перші ознаки того, що закони фізики можуть дозволити людині подорожувати у часі зявилися у 1949 році, коли завдяки загальній теорії відносності Курт Годел відкрив новий простір-час. Годел був відомим математиком. Він став відомим після того, як довів, що неможливо довести усі вірні твердження, навіть у такому сухому та точному предметі, як арифметика. Як і принцип невизначеності, теорія незавершеності Годела може суттєво обмежити нашу здатність розуміти та передбачати всесвіт. Та поки що, вона не перешкоджає нам у пошуках єдиної загальної теорії.

Годел відкрив загальну відносність разом з Ейнштейном під час роботи у Інституті для спеціальних досліджень. Його простір-час передбачав, що увесь всесвіт обертається. Ви можете спитати: “Обертається по відношенню до чого?” Відповім: віддалена матерія оберталася б відносно напрямків у яких вказують гіроскопи.

Та тоді б стала можливою ситуація, у якій хтось вирушає у космос і повертається ще до того, як відлетів. Це суттєво засмутило Ейнштейна, котрий вважав, що загальна відносність не дозволить подорожувати у часі. Та, можливо, зважаючи на його необгрунтоване заперечення гравітаційного колапсу і принципу невизначеності, це стало обнадійливим знаком. Рішення, яке знайшов Годел неможливо застосувати до нашого всесвіту, оскільки ми можемо довести, що він не обертається. Він також мав ненульове значення космологічної константи, яку ввів Ейнштейн, коли думав, що всесвіт незмінний. Після того, як Хаббл відкрив розширення всесвіту, необхідність у космологічній константі відпало, і нині прийнято вважати, що вона дорівнює нулю. Однак, з того часу були відкриті інші, більш прийнятні простори-часи, що можливі за умови загальної відносності, і які дозволяють подорожувати у минуле. Один з них знаходиться усередині чорної діри. Інший простір-час містить у собі дві космічні струни, що рухаються наввипередки на високій швидкості. Як випливає з їх назви, космічні струни дійсно схожі на струни - у них є довжина і малесенький поперечний перетин. Насправді, вони більш схожі на гумку, оскільки знаходяться під неймовірним напруженням у мільйони мільйони мільйони тон. Якби космічну струну прикріпити до Землі, вона б могла розігнати її з 0 миль на годину до 60 миль на годину за 1/30 секунди. Космічні струни у чомусь можуть здатись науковою фантастикою, та є вагомі причини вважати, що вони сформувалися у ранньому всесвіті унаслідок розриву симетрії, про який ми говорили у Розділі 5. Перебуваючи під неймовірною напругою у будь-якому положенні, випрямляючись, вони могли б набувати значного прискорення.

Згідно рішенню Годела та простору-часу космічних струн, виходить, подорожі у часі були можливими завжди. Можливо, Бог і створив настільки закручений всесвіт, та у нас немає жодних підстав вірити, що так і є. Спостереження мікрохвильового фону і концентрації світлових елементів вказують на те, що викривлення раннього всесвіту не дозволяло подорожі у часі. Якщо вважати, що припущення щодо відсутності меж вірне, дійдемо того ж висновку. І ось питання: Якщо всесвіт з самого початку не мав викривлення необхідного для подорожей у часі, то чи можемо ми викривити певні відрізки простору-часу, щоб зробити їх можливими?

Ще одна тісно пов’язана з цим проблема, якою також переймаються письменники-фантасти - це міжзіркові та міжгалактичні подорожі. Згідно відносності, ніщо не може бути швидшим за світло. І якщо ми відправимо космічний корабель до найближчої до нас зірки Альфа-Центавра, що знаходиться на відстані чотирьох світлових років, нам прийдеться чекати принаймні вісім років, доки космонавти повернуться і розкажуть нам як же ж там. Якщо ж ми відправимо його до центру галактики, чекати прийдеться принаймні сто тисяч років. Проте теорія відносності залишає нам одну втіху - так званий парадокс Близнюків, про який ми говорили у Розділі 2.

Оскільки не існує єдиного стандарту часу - у кожного свій власний час, який вимірюється годинником, цілком можливо, що для космонавтів подорож пройде набагато швидше ніж для тих, хто лишився на Землі. Та мабуть не дуже приємно було б повернутись з космічної подорожі лише на кілька років старшим і дізнатись, що усі друзі та родичі померли тисячі років тому. Тож аби хоч якось зацікавити читача, фантастам прийшлось припустити, що одного дня ми зможемо подорожувати швидше за світло. Та усі ці письменники не врахували один момент, що якщо ми можемо подорожувати швидше за світло, то згідно теорії відносності є можливість, що ми потрапимо у минуле.

За теорією відносності не існує якогось єдиного виміру часу, з яким би погодилися усі, кожен вимірює час по-своєму. Якщо ракета, рухаючись повільніше за світло може дістатись від точки А (скажімо, фіналу стометрового забігу на Олімпійських іграх 202 року) до точки Б (скажімо, відкриття 100 004 зборів конгресу Альфа-Центаври), то усі, напевне, погодяться, що згідно їхніх вимірів часу А сталося раніше за Б. Та припустимо, що ракеті прийшлось би рухатись швидше за світло, щоб донести результат перегонів на Конгрес. У такому випадку, спостерігачі, рухаючись на різній швидкості, можуть не зійтись щодо того що сталося раніше - А або Б. Якщо подивитись з точки зору спостерігача, що знаходиться у статичному положенні відносно Землі, можливо відкриття Конгресу й сталося після перегонів. Хоча тоді це було б можливим лише за умови, що ракета знехтувала б обмеженням швидкості світла. Однак, спострігачу з Альфа-Центаври, котрий би віддалявся від Землі на швидкості близькій до швидкості світла, здалось би, що Б (відкриття Конгресу) сталося раніше ніж стометрівка А. Згідно теорії відносності, закони фізики однакові для спостерігачів, що рухаються на одній швидкості.
Тому спостерігач, що рухається сказав би, якщо подорожі на швидкості світла можливі, то можливим було б і переміщення від Б, відкриття Конгресу до А, 100-метрових перегонів. І якби рухатися трохи швидше, можна було б навіть закластися на результат перегонів точно знаючи хто переможе.
Та є проблема з подоланням швидкості світла. Згідно теорії відносності, потужність, що розганяє ракету зростає, що більше вона наближається до швидкості світла. І у нас є докази - результати екпериментів, проте не з ракетами, а з елементарними частками у розгонювачах, на кшталт тих, що знаходяться у Європейському центрі ядерних досліджень. Ми можемо розігнати частки до 99,99 відсотків швидкості світла, та як би далі ми їх не розганяли, ми не можемо перевищити цей бар’єр. Те ж саме з космічними кораблями, наскільки б потужними вони не були, швидше за світло розігнатись не може жоден. Здавалося б, про швидкісні космічні подорожі та подорожі у часі можна забути. Однак, є вихід. Можливо простір-час можна вигнути так, що утвориться коротка дорога між А і Б. Один з варіантів - це створити червоточину між А і Б. Як випливає з назви, червоточина - це вузький прохід із простору-часу, який може з’єднувати дві майже пласкі області, що знаходяться далеко одна від одної. Протяжність червоточини не обов’язково буде залежати від віддаленості її кінців. Уявіть червоточину, яка б вела із Сонячної Системи прямо до Альфа-Центаври. Протяжність червоточини могла б складати лічені мільойони миль, хоча у космосі відстань між Землею та Альфа-Центаврою складає двадцять мільйонів мільйонів миль. Це дозволило б учасникам конгресу отримати результати сто метрових перегонів. У той же час, якщо спостерігач буде рухатись у напрямку Землі, він помітить ще одну червоточину, крізь яку він міг би повернутися з Альфа-Центаври на Землю ще до початку перегонів. Тож червоточини, як і будь-який інший спосіб надсвітлових подорожей, зробили б можливими подорожі у минуле.
Червоточини між різними просторами-часами - не вигадка письменників-фантастів, а відкриття досить поважних вчених.
У 1935 році Ейнштейн та Нейтан Розен написали доповідь, у якій йшлося про те, що загальна відносність дозволяє формувати “мости”, які нині відомі як червоточини.
Та жоден космічний корабель не встиг би пройти цими мостами, червоточина б закрилась, а він би потрапив у сингулярність. Хоча, були припущення, що майбутня більш розвинена цивілізація зможе утримувати червоточину відкритою. Для того, щоб викривити простір-час і зробити подорожі у часі можливими, знадобилася б область простору-часу з від’ємним викривленням, схожа на сідло. Звичайна матерія з позитивною щільністю енергії надає простору-часу позитивного викривлення, як поверхня сфери. Тож для того, щоб подорожувати у минуле, потрібна матерія з негативною щільністю енергії.
Енергія трохи схожа на гроші: якщо у вас позитивний баланс, ви можете витрачати його як заманеться, та згідно з класичними законами вийти в мінус ви не можете. Згідно з цими класичними законами, подорожі у часі неможливі. Та як було написано у попередніх розділах, класичним законам передували квантові, що базувалися на принципі непевності. Квантові закони більш ліберальні і дають можливість виходити в мінус, якщо загальний баланс залишається позитивним. Іншими словами, квантова теорія припускає негативну щільність енергії у деяких місцях, за умови що у інших місцях і загалом вона буде позитивною. Прикладом того, що квантова теорія дозволяє негативну щільність енергії є ефект Казіміра. У Розділі 7 було сказано, що навіть ті місця у космосі, які ми вважаємо “пустими”, насправді заповнені парами віртуальних часток і античасток, які стикаються, відштовхуються і знову зіткнувшись, знищують одна одну. Припустімо, що є дві металічні пластини, що знаходяться поряд, паралельно одна напроти одної. Пластини будуть своєрідними дзеркалами для віртуальних фотонів часток світла. Між ними утвориться порожнина, щось на кшталт органної труби, яка резонує лише на певних нотах. Це значить, що віртуальні фотони можуть потрапити у простір між пластинами лише якщо довжина їхніх хвиль (відстань між верхівкою однієї хвилі до іншої) у проміжку між пластинами складе ціле число. Якщо ж у цьому проміжку вміститься хоч на долю хвилі більше, вони кілька разів відзеркаляться від плит, верхівки одних хвиль зіткнуться з впадинами інших і у результаті вони взаємознищаться.
Між пластинами буде менше фотонів, адже там вони можуть мати лише резонуючу довжину хвиль, на відміну від фотонів, що знаходяться поза пластинами, які можуть мати будь-яку довжину хвиль. Можна припустити, що сила фотонів буде давити на пластини зближуючи їх. Ця сила вже відома і вона має певну величину. Тож у нас є експериментальні докази того, що віртуальні частки існують і мають вплив.
Те, що між пластинами фотонів менше, означає, що щільність їх енергії там буде меншою ніж будь-де. Але щільність енергії у “пустоті” десь далеко має дорівнювати нулю, бо у інакшому випадку щільність енергії закручувала б космос і він би не був майже пласким. Тож якщо щільність енергії між пластинами менша ніж щільність енергії десь далеко, то напевне вона негативна.
Таким чином ми маємо експериментальні докази того, що простір-час можна закрутити (як світло під час затемнення) і, що вигнувши його, можна подорожувати у часі (ефект Казіміра). Можна було б припустити, що рано чи пізно, ми доростемо до настільки високого рівня у науці та технологіях, що зрештою збудуємо машину часу. Та якщо так, чого ж ніхто з майбутнього досі не приїхав і не розповів нам як її збудувати? Звісно, напевне є вагома причина чому нам не відкривають цих секретів на нинішньому примітивному рівні розвитку. Дуже важко віриться у те, що ніхто б досі не проговорився, хіба що з часом людська природа зазнала настільки радикальних змін. Звісно, хтось сказав би, що появи НЛО - це докази того, що нас відвідують або інопланетяни, або люди з майбутнього. (Інопланетяни також мали б летіти швидше світла, щоб дістатись сюди, тому обидві версії еквівалентні).
Однак, на мою думку, якщо б інопланетяни все ж вирішили прилетіти сюди, це було б набагато очевиднішим та набагато менш приємним. Якщо вони вирішли б відкритись людям, то чому ж з’являтися лише божевільним? Якщо вони хочуть застерегти нас від якоїсь небезпеки, у них поки не дуже виходить. Можна пояснити відсутність гостей з майбутнього тим, що минуле є сталим - ми його пережили і бачили, що воно не настільки закручене, щоб дозволити подорожі з майбутнього у теперішнє. З іншого боку, майбутнє - невідоме та відкрите, і можливо воно має необхідну закрученість. Це означало б, що будь які подорожі у часі обмежуються подорожами у майбутнє. У капітана Кірка та Ентерпрайз не було б шансів з’явитися тут і тепер.
Можливо це пояснює той факт, що теперішній світ ще не заполонили туристи з майбутнього, та проблем було б не уникнути, якщо можна було б повертатися назад і змінювати історію. Припустімо, ви повернулися назад у часі і вбили свого пра-пра-пра дідуся, коли він ще був дитиною. Існує багато версій цього парадоксу, та усі вони дуже схожі: якщо буде можливість змінювати минуле, виникнуть суперечності.
Є два можливих вирішення парадоксів, що можуть дозволити подорожі у часі. Перший я назву підхід послідовної історії. Йдеться про те, що навіть якщо простір-час міг би настільки закручуватись, щоб дозволити подорожі у минуле, згідно законам фізики, існувало б якесь відповідне рішення. Тобто, якщо хтось вже повертався у минуле і вбив свого пра-пра-пра дідуся або вчинив щось, що протирічить тому, що є у теперішньому часі, подорож у минуле була б неможливою. Більше того, якщо б хтось подорожував у минуле, він не міг би змінювати записану історію. Іншими словами, не було б свободи вчинків та волі. Звісно, можна сказати, що свобода волі усе рівно є ілюзією. Якщо існує повна єдина теорія, яка керує усім, то логічно, що вона й визначає дії і вчинки кожного. Та відбувається це таким чином, що такий складний організм, як людина не може це вирахувати. Ми вважаємо, що у людей є свобода волі через те, що не знаємо, що буде далі. Однак, якщо людина вирушить на ракеті і повернеться ще до того, як відлетіла, ми зможемо передбачити її вчинки, бо це буде частиною записаної історії. Але у цьому випадку, у людини немає свободи волі.
Друге рішення парадоксів подорожей у часі можна назвати гіпотезою альтернативної історії. Суть у тому, що коли хтось вирушає у минуле, то потрапляє у альтернативну історію, яка відрізняється від записаної. Таким чином виходить, що можна вільно робити усе, що заманеться і не перейматися через можливі протиріччя з власною попередньою історією. Стівен Спілберг трохи познущався з цього рішення у своєму фільмі Назад у майбутнє: Марті МакФлай зміг повернутися у минуле і змінити історію своїх батьків на краще.
Гіпотеза альтернативної історії дещо скидається на спосіб у який Річард Фейнман пояснює квантову теорію, ми це розглядали у Розділах 4 та 8. Йшлося про те, що всесвіт не має однієї єдиної історії, він має кожну з можливих. Однак, є суттєва різниця між тим, що запропонував Фейнман і альтернативними історіями. У Фейнмана кожна історія містить у собі завершений простір-час. Цей простір-час може бути настільки закрученим, що стає можливо повернутися на ракеті у минуле. Та ракета при цьому залишиться у тому ж просторі-часі і у тій же послідовній історії. Виходить, гіпотеза Фейнмана більше підтримує гіпотезу послідовної історії, ніж альтернативної.
Теорія Фейнмана все ж дозволяє подорожі у часі хоч і у мікроскопічних масштабах. У Розділі 9 ми вже бачили, що від комбінацій С,Р і Т закони науки залишаються незмінними. Іншими словами, античастку, що крутиться проти годинникової стрілки і рухається від А до В можна вважати звичайною часткою, що крутиться за годинниковою стрілкою від В до А. Таким чином, звичайна частка, що рухається вперед у часі еквівалентна античастці, що рухається назад. Як уже йшлося у цьому розділі та у Розділі 7, “пустий” простір заповнений парами віртуальних часток і античасток, що стикаються, віддаляються та знову стикаються ліквідуючи одна одну.
Тому можна вважати, що пара часток - це одна частка, що рухається по замкнутому колу у просторі-часі. Якщо пара рухається вперед у часі (від моменту її появи до моменту взаємної ліквідації), вона називається часткою. Але якщо частка рухається назад у часі (від моменту взаємної ліквідації до моменту появи), вона називається античасткою, що рухається вперед у часі.

Як було сказано у Розділі 7, здатність чорних дір випромінювати радіацію можна пояснти наступним чином: скажімо, один з членів віртуальної пари часток або античасток (скажімо античастка) потрапляє у чорну діру, залишаючи іншого члена пари самого, йому ні з ким ліквідуватися. Покинута частка також може потрапити у діру, але може й вирватись. У такому разі, здалеку може здатися, що чорна діра випромінює цю частку.
Водночас можна розглядати механізм випромінення з чорної діри з іншого боку. Можна припустити, що член віртуальної пари, що потрапив у чорну діру (скажімо античастка) рухається з неї, назад у часі. І коли наступає момент воззєднання обох часток, пара розсіюється гравітаціним полем і відокремлена частка тепер починає рухатись уперед у часі і таким чином уникає чорну діру. Якщо ж натомість членом пари, що потрапив у чорну діру була частка, можна було б вважати, що це античастка, що рухається назад у часі і виходить з чорної діри. На підставі цього, можна зробити висновок, що квантова теорія дозволяє подорожі назад у часі у мікроскопічному масштабі і, що подібні подорожі у часі ми можемо спостерігати.
Тут може виникнути питання, чи можливі з квантовою теорією подорожі у часі у макроскопічному масштабі, щоб людина мала з них якусь користь? На перший погляд, здається, що можливі. Гіпотеза Фейнмана включає у себе усі історії. Виходить, вона може містити історії, де простір-час настільки закручений, що стає можливим подорожувати назад у часі. Чому ж ми досі не заплуталися у нашій історії? Хтось міг би повернутися до нацистів і відкрити їм технологію створення атомної бомби.
Цих проблем можна уникнути згідно припущення хронологічного захисту. Згідно з цим припущенням закони фізики “домовляються” між собою, не допускаючи передачі інформації у минуле макроскопічними тілами. Як і припущення космічної цензури, воно ще не доведене, та є причини вважати, що воно правдиве.
Однією з таких причин є те, що коли простір-час настільки закручений, що подорож у минуле стає можливою, віртуальні частки, що рухаються по замкнутим петлям у просторі-часі, можуть стати реальними частками, що рухаються уперед у часі зі швидкістю рівною або більше швидкості світла. І так як ці частки можуть рухатися петлями безкінечно, вони проходять кожну точку шляху багато разів. Таким чином їхня енергія множиться і її щільність стає значною. Це може надати простору-часу позитивну кривизну, що унеможливлює подорожі назад у часі. Ще не зовсім зрозуміло, чи самі частки спричиняють позитивну або негативну кривизну, чи сама кривизна спричинена якимись віртуальними частками анулює кривизну спричинену іншими частками. Тому питання можливості подорожей у часі ще залишається відкритим. Та я не буду закладатись. У мого опонента може бути суттєва перевага - він може знати майбутнє.

Розділ 4
ПРИНЦИП НЕВИЗНАЧЕНОСТІ
Успіх наукових теорій, а особливо Ньютонівської теорії тяжіння, на початку дев’ятнадцятого сторіччя підштовхнув французького науковця маркіза де Лапласа до ствердження, що всесвіт цілком визначений. Лаплас висловив припущення про існування набору наукових законів, які дозволять людям передбачити будь-яку подію у всесвіті, якщо тільки знати повний стан цього всесвіту в певний час. Наприклад, якщо знати позиції та швидкості Сонця і планет у якийсь один момент, то можна застосувати ньютонівські закони для визначення стану Сонячної Системи в будь-який інший момент. У цьому випадку детермінізм здається досить очевидним, але Лаплас на цьому не спинився і припустив, що такі ж самі закони керують усім іншим, включно з людською поведінкою.
Із доктриною наукового детермінізму категорично не погоджувалися багато людей, які вважали, що та зазіхає на Божу свободу керувати світом, але до початку цього століття вона залишалася звичайним науковим припущенням. Одна з перших ознак того, що від цього переконання варто відмовитися, з’явилася, коли розрахунки британського науковця лорда Релея та сера Джеймса Джинса дали привід припустити, що енергія, яку випромінює гарячий об’єкт або тіло, таке як зірка, – нескінченна. Згідно з законами, у які вірили в той час, гаряче тіло має випромінювати електромагнітні хвилі (такі як радіохвилі, хвилі видимого діапазону або рентгенівські) з однаковою потужністю на всіх частотах. Наприклад, розподіл потужності випромінюваних гарячим тілом хвиль має бути однаковий на частотах від одного до двох мегагерц та від двох до трьох мегагерц. А позаяк діапазон частот необмежений, це означатиме, що загальна кількість випроміненої енергії буде безкінечна.
Для уникнення цього відверто безглуздого результату німецький науковець Макс Планк у 1900 році висловив припущення, що світло, рентгенівські промені та інші хвилі випромінюються не довільно, а лише певними групами, які він назвав квантами. Ба більше, кожен квант має визначену кількість енергії – що вища частота хвиль, то більшу, тож на досить високих частотах випромінювання одного кванта потребуватиме більше енергії, ніж її є. Відповідно, випромінювання на високих частотах буде зменшене, тож загальна кількість випроміненої енергії – скінченна.
Квантова гіпотеза дуже добре пояснила спостережену кількість випромінювання з гарячих тіл, але її значення для детермінізму стало зрозумілим лише в 1926-му, коли інший німецький науковець, Вернер Гайзенберг, сформував свій знаменитий принцип невизначеності. Щоб передбачити майбутню позицію і швидкість частки, має існувати можливість точно визначити її поточну позицію і швидкість. Очевидний спосіб це зробити – спрямувати на цю частку світло. Частка розсіє якісь зі світлових хвиль, і це вкаже на її позицію. Однак неможливо визначити позицію частки точніше, ніж довжина хвилі, тож потрібно застосовувати короткохвильове світлове випромінювання, щоб якнайточніше визначити позицію частки. Тепер, із Планковою квантовою гіпотезою, не можна застосовувати довільно малу кількість світла; треба взяти хоча б квант. Цей квант порушить рух частки й змінить її швидкість передбачуваним чином. Ба більше, що точніше треба визначити позицію частки, то коротші потрібні світлові хвилі, застосовані для цього, й, відповідно, більша енергія одного кванта. Тож швидкість частки буде порушена більшою кількістю енергії. Іншими словами, що точніше ви намагаєтеся визначити позицію частки, то менш точно можете виміряти її швидкість і навпаки. Гайзенберг продемонстрував, що добуток невизначеності позиції частки, невизначеності її швидкості та маси частки не може бути менший за якусь певну кількість, відому як стала Планка. Навіть більше, це обмеження не залежить ні від способу визначення позиції чи швидкості частки, ні від типу частки: Гайзенбергів принцип невизначеності – фундаментальна, непереборна риса світу.
Принцип невизначеності глибоко вплинув на те, як ми дивимося на світ. Навіть через понад сімдесят років цей вплив не був гідно оцінений багатьма філософами, і досі є приводом для запеклих дискусій. Принцип невизначеності покінчив із Лапласовою мрією про цілком визначену модель всесвіту: безсумнівно, неможливо повністю передбачити майбутні події без здатності навіть точно визначити поточний стан всесвіту. Тим не менш, ми можемо уявити, що є набір законів, що цілком визначають плин подій для якоїсь надприродної істоти, що може спостерігати поточний стан всесвіту, не порушуючи його. Однак такі моделі всесвіту нас, простих смертних, не особливо цікавлять. Здається, краще застосувати принцип економії, відомий як «Лезо Оккама», щоб відсікти всі ті елементи вчення, що їх спостерегти неможливо. Цей підхід підштовхнув Гайзенберга, Ервіна Шрьодінгера та Поля Дірака в 1920-х роках переформулювати механіку в нову теорію, названу квантовою механікою, що спиралася на принцип невизначеності. Згідно з цією теорією частки більше не мали окремих, чітко визначених позицій та швидкостей, яких не можна було спостерегти. Натомість вони мали квантовий стан – комбінацію позиції та швидкості.
Загалом квантова механіка не передбачає одного певного результату спостереження. Натомість вона визначає кілька різних можливих наслідків і вказує вірогідність кожного з них. Інакше кажучи, якщо виконати однакові заміри великої кількості однакових систем, кожен із яких почався однаково, виявиться, що результат заміру в якихось випадках буде А, в інших – Б, і так далі. Можна передбачити приблизну кількість разів, яку випаде результат А чи Б, але неможливо передбачити точний результат якогось окремого заміру. Таким чином квантова механіка впроваджує в науку неуникний елемент непередбачуваності або випадковості. Айнштайн палко це заперечував, попри важливу роль, яку відіграв у розвиткові цих уявлень. Айнштайн дістав Нобелівську премію за внесок у квантову теорію. Тим не менш, Айнштайн ніколи не признавав, що всесвітом керує випадок; його почуття відбилися у знаменитому висловлюванні: «Господь не грає в кості». Однак більшість інших науковців радо прийняли квантову механіку, бо вона ідеально співпадала з дослідженнями. Справді, це була винятково успішна теорія, що є підґрунтям майже усіх сучасних наук та технологій. Вона керує поведінкою транзисторів та мікросхем, що є невід’ємною частиною таких електронних приладів, як телевізори та комп’ютери, й також лежить в основі сучасної хімії та біології. Єдині галузі природничих наук, куди ще не зовсім впроваджена квантова механіка, – це гравітація й великомасштабна структура всесвіту.
Хоч світло й складається з хвиль, Планкова квантова гіпотеза розповідає, що в певній мірі воно поводиться так, наче не з хвиль, а з часток: воно випромінюється чи всотується тільки групами або квантами. Разом із тим, під Гайзенберговим принципом невизначеності розуміється, що частки поводяться в якомусь сенсі як хвилі: в них немає визначеної позиції, але вони «розмазані» за якимось певним ймовірнісним розподілом. Теорія квантової механіки спирається на цілковито новий тип математики, що більше не описує об’єктивний світ у категоріях часток і хвиль; лише спостереження цього світу можна так описати. Тож у квантовій механіці є деяка двоїстість між хвилями й частками: для певних цілей доцільно думати про частки як хвилі, а для інших – про хвилі як частки. Важливим наслідком такого підходу є можливість спостерігати таке явище, як інтерференція двох груп хвиль або часток. Іншими словами, максиимуми однієї групи хвиль може співпадати з мінімумами іншої групи. В такому разі дві групи хвиль можуть нейтралізувати одна одну замість того, щоб, як очікувано, скластися й сформувати потужнішу хвилю.
Добре знаним прикладом інтерференції у випадку світла є різні кольори, що їх часто видно на мильних бульбашках. Причиною цьому є відбиття світла від двох боків тонкої водяної плівки, що становить бульбашку. Біле світло складається зі світлових хвиль різної довжини або кольору. Максимуми хвиль певної довжини, що відбиваються від одного боку мильної плівки, співпадають із мінімумами хвиль, що відбиваються від іншого боку. Кольорів, відповідних до хвиль цієї довжини, у відбитому світлі немає, і воно таким чином здається забарвленим. Інтерференція може також трапитися і з частками, через двоїстість, впроваджену квантовою механікою. Знаменитий цьому приклад – так званий двопрорізний експеримент.
Розгляньмо перегородку з двома вузькими паралельними прорізами. З одного боку перегородки є джерело світла якогось певного кольору (а отже, хвиль певної довжини). Більшість світла наштовхнеться на перегородку, але невелика кількість пройде через прорізи. Тепер припустімо, що поставлено екран із боку перегородки, дальшої від джерела світла. На будь-яку точку екрану падатимуть хвилі з двох прорізів. Однак, загалом, відстань, яку світло має подолати від джерела до екрану через два прорізи, буде різна. Це означатиме, що хвилі з прорізів не співпадатимуть по фазі, коли дістануться екрану: в якихось місцях вони нейтралізують одна одну, а в інших – підсилять. Результатом стане характерний візерунок світлих і темних інтерференційних смуг.
Дивовижно, що як замінити джерело світла джерелом часток, таких як електрони з якоюсь певною швидкістю (це означає, що відповідні хвилі мають якусь певну довжину), виходять такі самісінькі смуги. І це здається ще дивнішим, бо якщо мати лише один проріз, то смуг не буде, просто однорідний розподіл електронів по екранові. Відповідно, можна подумати, що відкриття іншого прорізу просто збільшить кількість електронів, що дістаються кожної точки екрану, але, через інтерференцію, насправді в деяких місцях їхня кількість зменшується. Якщо електрони пропускати через проріз по одному, то, очікувано, вони проходитимуть через той чи той проріз і таким чином поводитимуться так, ніби проріз, через який вони пройшли, і є лише один, і формуватимуть рівномірний розподіл на екрані. Насправді ж, однак, навіть якщо пропускати електрони по одному, все одно з’являються смуги. Тому – кожен електрон, певно, водночас проходить через обидва прорізи!

Явище інтерференції часток стало визначним для нашого розуміння структури атомів, основних одиниць хімії й біології та структурних елементів, із яких зроблені ми та все навколо нас. На початку цього століття вважалося, що атоми схожі на планети, що рухаються по орбіті Сонця, бо електрони (негативно заряджені частки) рухаються навколо центральних ядер, що мають позитивний заряд. За загальним уявленням тяжіння між позитивно та негативно зарядженими частками утримувало електрони на їхніх орбітах таким самим чином, як гравітаційне тяжіння між Сонцем та планетами утримує планети на їхніх орбітах. Єдина проблема полягала в тому, що закони механіки й електрики до появи квантової механіки передбачали, що електрони втратять енергію й таким чином спіралеподібно падатимуть, аж доки зіткнуться з ядрами. А це означатиме, що атом, а разом із тим – будь-яка матерія, швидко обвалиться до стану дуже високої щільності. Часткове розв’язання цієї проблеми відкрив датський науковець Нільс Бор у 1913 році. Він висловив припущення, що електрони рухаються по орбіті не на будь-якій відстані від центрального ядра, а лише на певних встановлених відстанях. Якщо також припустити, що лише один чи два електрони можуть рухатися по орбіті на одній із цих відстаней, це розв’яже проблему падіння атома, бо електрони не можуть рухатися по спіралі далі, ніж для наповнення орбіт на найменших відстанях та з найменшою енергією.
Ця модель досить добре пояснила структуру найпростішого атома – атома гідрогену, бо навколо ядра рухається по орбіті лише один електрон. Але не ясно, як вона пошириться на складніші атоми. Ба більше, уявлення про обмежену кількість допустимих орбіт здається зовсім необґрунтованим. Нова теорія квантової механіки розв’язала цю проблему. Вона показала, що електрон, який рухається по орбіті навколо ядра, можна вважати хвилею зі своєю довжиною, залежною від швидкості. Застосовно до певних орбіт довжина орбіти відповідатиме цілій кількості (на противагу дробній) довжин хвилі електрона. Для цих орбіт максимум хвилі щоразу буде в однаковій позиції, тож хвилі додаватимуться: такі орбіти відповідатимуть Боровим допустимим орбітам. Однак для орбіт, чиї довжини не є цілою кількістю довжин хвиль, кожен максимум хвилі буде врешті анульований мінімумом, коли електрони рухатимуться другим колом; такі орбіти не будуть допустимими.
Добрий спосіб уявити двоїстість хвилі/частки – це так звані підсумовані історії, введені американським науковцем Річардом Фейнманом. За цим підходом частка не має мати єдину історію чи шлях у просторово-часовому континуумі, як би вона мала за класичною, неквантовою теорією. Натомість, очікувано, вона має пройти від точки А до точки Б кожним можливим шляхом. Із кожним шляхом пов’язано кілька чисел: одне представляє амплітуду хвилі, інше – фазу. Вірогідність проходження від точки А до точки Б вираховується додаванням хвиль усього шляху. Загалом, якщо порівняти групу сусідніх шляхів, фази чи позиції у колі значно відрізнятимуться. А це означає, що хвилі, пов’язані з цими шляхами, майже точно одна одну нейтралізують. Однак у випадку деяких груп сусідніх шляхів фаза між ними не буде значно відрізнятися. Хвилі таких шляхів не нейтралізуються. Такі шляхи відповідають Боровим допустимим орбітам.
Із цими уявленнями в їхній чітко окресленій математичній формі було відносно просто вирахувати допустимі орбіти в складніших атомів та навіть молекул, що складаються із якоїсь кількості атомів, утримуваних разом електронами на орбітах, що обертаються навколо декількох ядер. Позаяк на структурі молекул та їхніх відносинах між собою ґрунтуються уся хімія і біологія, квантова механіка, загалом, дозволяє нам передбачити майже все навколо нас, у рамках обмежень, встановлених принципом невизначеності. (Однак на практиці розрахунки, потрібні для систем, що містять більш як кілька електронів, такі складні, що ми не в змозі їх виконати).
Айнштайнова загальна теорія відносності, здається, керує великомасштабною структурою всесвіту. Вона належить до теорій, що їх називають класичними; це означає, що вона не бере до уваги принцип невизначеності чи квантову механіку, як було б варто для схожістю з іншими теоріями. І це не призводить до якихось незбіжностей із спостереженнями, бо всі гравітаційні поля, під вплив яких ми зазвичай підпадаємо, дуже слабкі. Однак теореми сингулярності, розглянуті вище, вказують, що гравітаційне поле має ставати дуже сильним у принаймні двох ситуаціях: чорні діри й великий вибух. У таких сильних полях дія квантової механіки має бути важливою. А отже, в якомусь сенсі, класична загальна теорія відносності, передбачаючи точки нескінченної щільності, передбачає свою загибель, так само, як класична (а значить, неквантова) механіка передбачила свою загибель, припускаючи, що атоми мають обвалитися до нескінченної щільності. Й досі в нас немає повної цільної теорії, що уніфікувала б загальну теорію відносності і квантову механіку, але ми знаємо набір рис, що їй варто мати. Наслідки цього для чорних дір та великого вибуху буде описано в подальших розділах. Однак наразі ми маємо перейти до найсвіжіших спроб звести разом наше розуміння інших сил природи в одну, уніфіковану квантову теорію.

Розділ 5
Елементарні частинки та сили природи


На думку Аристотеля, вся матерія у всесвіті була створена з чотирьох базових елементів – землі, повітря, вогню та води. Ці елементи приходили у взаємодію завдяки двом силам: силі тяжіння, властивості землі та води опускатися, та левітації, схильності повітря та вогню підніматися. Такий підхід до устрою Всесвіту, коли все поділяється на матерію та сили, використовується і сьогодні.
Аристотель вважав, що матерія є невичерпною, тобто можна поділити частину матерії на менші та ще менші шматочки без жодного обмеження: ніколи не буде знайдено крупинку матерії, яку не можна ділити далі. Деякі грецькі вчені, зокрема Демокрит, стверджували, що матерія є спадково подільною і що все складається з величезної кількості різноманітних атомів. (Слово «атом» позначає «неподільний» з грецької.) Протягом сторіч дискусія продовжувалась не маючи жодних доказів з іншої сторони, але у 1803 британський фізик та хімік Джон Делтон зауважив, що той факт що хімічні сполуки завжди поєднуються в певному співвідношенні може бути пояснено об'єднанням атомів з ціллю утворити елементи, що називаються молекулами. Проте, дискусія між цими двома науковими позиціями не була остаточно вирішена на якість атомістів ще до початку цього століття. Однин з найважливіших фізичних доказів був зроблений Ейнштейном.
У статті, написаній в 1905 році за кілька тижнів до знаменитої роботи зі спеціальної теорії відносності, Ейнштейн вказував, що так званий броунівський рух – нерегулярний, хаотичний рух дрібних частинок пилу, завислих у рідині – може бути пояснено як ефект зіткнення атомів рідини з частинками пилу.
На цей час вже були підозри, що зрештою атоми не є неподільними. Кілька років тому член Трініті-коледжу, Кембридж, Дж. Дж. Томсон, продемонстрував існування частинки матерії, називаної електроном, що мала масу менше однієї тисячної частини найлегшого атома. Він використав установку, що діяла за принципом сучасного кінескопа телевізора: розпечений метал нитки випускав електрони, а через те, що вони мають негативний електричний заряд, електричне поле може бути використано для прискорення їх до вкритого фосфором екрану. Колу вони потрапляють в екран, то виробляють спалахи світла. Незабаром стало ясно, що ці електрони повинні виходити зсередини самих атомів, а в 1911 році фізик Ернест Резерфорд з Нової Зеландії, нарешті, показав, що атоми речовини мають внутрішню структуру: вони складаються з дуже маленького, позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертається велика кількість електронів. Він вивів це, аналізуючи те, як альфа-частинки(позитивно заряджені часточки, що виділяються радіоактивними атомами), відхиляються, коли вони стикаються з атомами.
Спочатку вважалося, що ядро атома було складено з електронів і різноманітного числа позитивно заряджених частинок, названих протонами, від грецького слова «перший», тому що їх вважали найменшими одиницями, з яких складалася матерія. Але в 1932 році колега Резерфорда в Кембриджі, Джеймс Чедвік виявив, що ядро містить іншу частинку, названу нейтроном, яка мала майже таку саму масу як і протон, але не мала електричного заряду. Чедвік отримав Нобелівську премію за відкриття, і був обраний Головою коледжу Гонвілл і Кай, Кембридж (це коледж, членом якого я зараз являюсь). Пізніше він пішов у відставку з посади Голови через розбіжності з іншими членами. Після повернення молодших членів з війни більшість з них проголосувала за зміщення старших членів з їх посад у керівних органах, які вони займали протягом довгого часу, що викликало значні суперечки. Ці події відбувалися ще до мене; я приєднався до коледжу в 1965 році у самому кінці внутрішньої кризи, коли подібні розбіжності змусили сера Невілла Мотта, іншого Голову, власника Нобелівської премії, піти у відставку.
Близько тридцять років тому вважалося, що протони і нейтрони були «елементарними» частинками, але експерименти, в яких протони стикалися з іншими протонами або електронами на високих швидкостях вказали, що вони насправді складаються з більш дрібних частинок. Ці частинки були названі кварками фізиком Мюрреєм Гелл-Манном з Каліфорнійського технологічного інституту, який отримав Нобелівську премію в 1969 році за свою роботу з ними. Назва походить від загадкової цитати Джеймса Джойса: «Три кварка для Містера Марка!» Слово quark(кварк) має вимовлятися як quart(кварт), на кінці з к замість т, але зазвичай вимовляється як рима до lark(жайворонок, веселий жарт).
Існує численна кількість різноманітних кварків: є шість «ароматів»(фізична характеристика кварка) u-кварк(верхній), d-кварк(нижній), s-кварк(дивний), с-кварк(чарівний), b-кварк(красивий), t-кварк(правдивий). Перші три аромати відомі з 1960х рр., але чарівний кварк було відкрито лише у 1974, красивий - у 1977 і правдивий – у 1995. Кожен з ароматів виражається у трьох «кольорах», червоному, зеленому та синьому. (Слід відзначити, що ці терміни слід розуміти як умовні: кварки набагато менші за довжину хвилі видимого світла і тому не мають кольору у звичному сенсі. Такі назви пов’язані з тим, що сучасні фізики використовують більш асоціативні методи для вибору назв новим частинкам і феноменам – вони більше не прив’язують себе настільки строго до грецької!) Протон чи нейтрон складаються з трьох кварків, по одному кожного кольору. Протон містить два верхніх кварка і один нижній; нейтрон складається з двох нижніх кварків та одного верхнього. Можливо створити частинки з інших кварків(дивного, чарівного, красивого і правдивого), але всі вони будуть мати набагато більшу масу і дуже швидко розпадуться на протони та нейтрони.
Відомо, що ні атоми, ні протони та нейтрони всередині неподільні. Таким чином стає питання: що являється насправді елементарними частинками, базовими будівельними одиницями з яких все зроблено? Оскільки довжина хвилі світла набагато більше, ніж розмір атома, ми не можемо сподіватися "побачити" частини атома звичайним способом. Нам потрібно використовувати щось, з набагато меншою довжиною хвилі. Як ми переконалися в попередньому розділі, квантова механіка стверджує, що всі частинки насправді є хвилями, і що чим вище енергія частинки, тим менше довжина відповідної хвилі. Так що краща відповідь, яку ми можемо дати залежить від того, наскільки високі енергії частинок ми маємо в нашому розпорядженні, так як від цього залежить довжина шкали яку ми можемо побачити. Ці енергії частинок вимірюються в електрон-вольтах. (В експериментах Томсона з електронами, він використовував електричне поле для прискорення електронів. Енергія, що електрон отримував від електричного поля в один вольт, і є електрон-вольтом). У дев'ятнадцятому столітті, коли люди знали, як використовувати тільки енергію частинок, що була низькою енергією у кілька електрон-вольт, породжених хімічною реакцією такою як окиснення, вважалося, що атоми були найменшою одиницею. В експерименті Резерфорда, альфа-частинки мають енергію мільйонів електрон-вольт. Зовсім недавно ми дізналися, як використовувати електромагнітні поля для отримання частинок енергії перших мільйонів а потім і мільярдів електрон-вольт. Отже ми знаємо, що частинки, які вважалися «елементарними» тридцять років тому, по суті, складається з більш дрібних частинок.
Можливо так, через те, що ми піднімаємося до більш високих енергій, виявиться, що вони складаються з ще менших частинок? Це, звісно, ймовірно, але існують деякі теоретичні підстави вважати, що вже відкриті, або дуже близько до відкриття, найменші елементи природи.
Використання дуалізму хвиля/частинка освітлюється в останній главі. Все у Всесвіті, включаючи світло і гравітацію, може бути описано на енергетичному рівні частинок. Ці частинки правильно називати спін. Щоб зрозуміти природу спіна, треба уявити частинки, як маленькі крапки, що обертаються навколо осі. Однак, це може ввести в оману, тому що квантова механіка стверджує, що частинки не мають чітко визначеної осі. Насправді спін частинки надає дані про те, як частинка виглядає з різних напрямів. Частинка зі спіном 0 схожа на точку: вона виглядає однаково з усіх боків. З іншого боку, частинки зі спіном 1, схожа на стрілу: її вигляд різний в різних напрямках. Частинка виглядає однаково тільки у випадку, коли вона робить повний оберт (360градусів). Частинка зі спіном 2 виглядає як двостороння стрілка, при цьому вона виглядає однаково кожні півоберта (180 градусів). Аналогічним чином, частинки з вищими спинами виглядають так само через більш дрібні проміжки повного обороту. Все це здається досить простим, але існують частинки, які не виглядають так само тільки через один оберт: необхідно повернути їх на два повні оберти! Вони називаються частинки за спіном ½.
Всі відомі частинки у Всесвіті можна розділити на дві групи: частинки зі спіном ½, що утворюють матерію у Всесвіті, і частинки зі спіном 0, 1, і 2, котрі, як ми побачимо, призводять до взаємодії сил між частинками матерії.
Частинки матерії слідують так званому принципу виключення Паулі. Принцип був відкритий у 1925 році австрійським фізиком Вольфгангом Паулі, котрий отримав Нобелівську премію в 1945 році. Науковець був нетиповим фізиком-теоретиком: про нього говорили, що навіть його присутність в одному приміщенні змушує експерименти йти не так! Принцип Паулі стверджує, що дві подібні частинки не може існувати в однаковому стані; тобто, вони не можуть мати однакове місце і рухатись з тією ж швидкістю, в межах, зазначених принципом невизначеності. Принцип виключення важливий, тому що це пояснює, чому частинки речовини не руйнуються у стані дуже високої щільності під впливом сил, створюваних частинками зі спіном 0, 1 і 2: якщо частинки матерії мають дуже близькі позиції, то вони повинні мати різні швидкості, тобто вони не будуть залишатися в одному положенні надовго. Якби світ було створено без принципу виключення, кварки не сформували б окремі, чітко окреслені протони і нейтрони. І вони, у свою чергу не змогли б, разом з електронами, утворити окремі, чітко окреслені атоми. Усі ці частинки перетворилися б на більш-менш однорідний, густий «первісний бульйон».
Правильне уявлення про електрон і інші частинки зі спіном 1/2 було відсутнє до 1928 р., коли Поль Дірак запропонував теорію для опису цих частинок. Згодом Дірак став головою кафедри математики в Кембриджі (отримав посаду, яку свого часу займав Ньютон і яку зараз обіймаю я). Теорія Дірака була першою теорією такого роду, яка узгоджувалася і з квантовою механікою, і зі спеціальною теорією відносності. У ній давалося математичне пояснення того, чому спін електрона дорівнює 1/2, тобто чому при одноразовому повному обороті електрона він не приймає колишній вигляд, а при дворазовому приймає. Теорія Дірака передбачала також, що у електрона повинен бути партнер - антиелектрон, або, інакше, позитрон. Відкриття позитрона в 1932 р. підтвердило теорію Дірака, і в 1933 р. він отримав Нобелівську премію з фізики. Зараз ми знаємо, що кожній частці відповідає античастинка, з якою вона може анігілювати. (У випадку частинок, що забезпечують взаємодію, частка і античастинка - одне і те ж). Могли б існувати цілі антислова й антилюди, що складаються з античастинок. Але зустрівши антисебе, не здумайте привітатися з ним за руку! Виникне сліпучий спалах світла, і ви обидва зникнете. Надзвичайно важливе питання, чому навколо нас набагато більше часток, ніж античастинок. Ми до нього ще повернемося в цьому розділі.
У квантовій механіці передбачається, що всі сили, або взаємодії, між частинками речовини переносяться частинками з цілочисловим спіном, рівним 0, 1 або 2. Частка речовини, наприклад електрон або кварк, випускає частинку, яка є переносником взаємодії. В результаті віддачі швидкість частинки речовини змінюється. Потім частинка-переносник налітає на іншу частинку речовини і поглинається нею. Цей співудар змінює швидкість другої частинки, як ніби між цими двома частинками речовини діє сила. Частинки переносники взаємодії володіють однією важливою властивістю: вони не підкоряються принципу виключення Паулі. Це означає відсутність обмежень для числа обмінюваних частинок, так що виникаюча сила взаємодії може виявитися великою. Але якщо маса частинок-переносників велика, то на великих відстанях їх народження та обмін будуть ускладнені. Таким чином, сили, що переносяться ними, будуть короткодіючими. Якщо ж частинки переносники не матимуть власну масу, то виникнуть далекодіючі сили. Частинки переносники, якими обмінюються частинки речовини, називаються віртуальними, тому що на відміну від реальних їх не можна безпосередньо зареєструвати за допомогою детектора частинок. Однак ми знаємо, що віртуальні частинки існують, тому що вони створюють ефекти, піддаються виміру: завдяки віртуальним часткам виникають сили, що діють між частинками речовини. За деяких умов частинки зі спинами 0, 1, 2 існують і як реальні, тоді їх можна безпосередньо зареєструвати. З точки зору класичної фізики такі частинки зустрічаються нам у вигляді хвиль, скажімо світлових або гравітаційних. Вони іноді випускаються при взаємодії частинок речовини, що протікає за рахунок обміну частинками-переносниками взаємодії. (Наприклад, електрична сила взаємного відштовхування між двома електронами виникає за рахунок обміну віртуальними фотонами, які не можна безпосередньо зареєструвати. Але якщо електрони пролітають один повз одного, то можливо випускання реальних фотонів, які будуть зареєстровані як світлові хвилі).
Частинки-переносники можна розділити на чотири типи залежно від величини перенесеної ними взаємодії і від того, з якими частинками вони взаємодіяли. Підкреслимо, що такий поділ є цілком штучним; ця схема, зручна для розробки окремих теорій, нічого серйознішого в ній, ймовірно, немає. Більшість фізиків сподівається, що врешті-решт вдасться створити єдину теорію, в якій всі чотири сили виявилися б різновидами однієї і тієї ж сили. Багато хто навіть бачать у цьому головну мету сучасної фізики. Нещодавно увінчалися успіхом спроби об'єднання трьох сил. У цій главі я ще збираюся про них розповісти. Про те, як йде справа з включенням до такого об'єднання гравітації, ми поговоримо трохи пізніше.
Отже, перший різновид сил - гравітаційна сила. Гравітаційні сили носять універсальний характер. Це означає, що всяка частка перебуває під впливом гравітаційної сили, величина якої залежить від маси або енергії частинки. Гравітація набагато слабша трьох інших сил. Це дуже слабка сила, яку ми взагалі не помітили б, якби не дві її специфічні властивості: гравітаційні сили діють на великих відстанях і завжди є силами тяжіння.
Дуже слабкі гравітаційні сили взаємодії окремих частинок в двох тілах великого розміру, таких, наприклад, як Земля і Сонце, можуть в сумі дати дуже велику силу. Три інші види взаємодії або діють тільки на малих відстанях, або то відштовхують, то притягують, що призводить до загальному компенсації. У квантово-механічному підході до гравітаційного поля вважається, що гравітаційна сила, що діє між двома частинками матерії, переноситься часткою зі спіном 2, яка називається Гравітоном. Гравітон не володіє власною масою, і тому сила, що ним переноситься, є далекодіючею. Гравітаційна взаємодія між Сонцем і Землею пояснюється тим, що частинки, з яких складаються Земля і Сонце, обмінюються гравітонами. Незважаючи на те що в обміні беруть участь лише віртуальні частинки, створюваний ними ефект безумовно піддається виміру, тому що цей ефект - обертання Землі навколо Сонця! Реальні гравітони поширюються у вигляді хвиль, які в класичній фізиці називаються гравітаційними, але вони дуже слабкі, і їх так важко зареєструвати, що досі це нікому не вдалося зробити.
Наступний тип взаємодії створюється електромагнітними силами, які діють між електрично зарядженими частинками, як, наприклад, електрони і кварки, але не відповідають за взаємодію таких незаряджених частинок, як Гравітон. Електромагнітні взаємодії набагато сильніше гравітаційних: електромагнітна сила, що діє між двома електронами, приблизно в мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з сорока двома нулями) разів більше гравітаційної сили. Але існують два види електричного заряду - позитивний і негативний. Між двома позитивними зарядами так само, як і між двома негативними, діє сила відштовхування, а між позитивним і негативним зарядами - сила тяжіння. У великих тілах, наприклад у Землі або Сонці, вміст позитивних і негативних зарядів майже однаковий, і, отже, сили тяжіння і відштовхування майже компенсують одна одну, і залишається дуже мала чисто електромагнітна сила. Однак, у малих кількостях атомів і молекул, електромагнітні сили домінують. Під дією електромагнітного тяжіння між негативно зарядженими електронами і позитивно зарядженими протонами в ядрі, електрони в атомі обертаються навколо ядра повністю так само, як під дією гравітаційного тяжіння Земля обертається навколо Сонця. Електромагнітне притягання описується як результат обміну великим числом віртуальних безмасових частинок зі спіном 1, які називаються фотонами. Як і у випадку гравітонів, фотони, які здійснюють обмін, є віртуальними, але при переході електрона з однієї дозволеної орбіти на іншу, розташовану ближче до ядра, звільняється енергія, і в результаті випускається реальний фотон, який при відповідній довжині хвилі можна спостерігати людським оком як видиме світло, або ж за допомогою якого-небудь детектора фотонів, наприклад фотоплівки. Аналогічним чином при зіткненні реального фотона з атомом може відбутися перехід електрона з однієї орбіти на іншу, більш далеку від ядра. Цей перехід відбувається за рахунок енергії фотона, що поглинається атомом.
Взаємодія третього типу називається слабкою взаємодією. Вона відповідає за радіоактивність і існує між усіма частинками речовини зі спіном 1/2, але в ній не беруть участь частки зі спіном 0, 1, 2 - фотони і Гравітон. До 1967 г. Властивості слабких сил були погано вивчені, а в 1967 р. Абдус Салам, теоретик з Лондонського Імперіал коледжу, і Стівен Вайнберг з Гарвардського університету одночасно запропонували теорію, яка об'єднувала слабку взаємодія з електромагнітною аналогічно тому, як на сто років раніше Максвелл об'єднав електрику і магнетизм. Вайнберг і Салам висловили припущення про те, що на додаток до фотона існують ще три частинки зі спіном 1, які всі разом називаються важкими векторними бозонами і є переносниками слабкої взаємодії. Ці бозони були позначені символами W +, W – і Z0, маса кожного з них становила 100 ГеВ (ГеВ означає гігаелектрон-вольт, тобто тисяча мільйонів електрон-вольт). Теорія Вайнберга-Салама має властивість так званого спонтанного порушення симетрії. Це означає, що частинки, зовсім різні при низьких енергіях, при високих енергіях виявляються насправді однієї і тієї ж частинкою, що перебуває в різних станах. Це в якомусь сенсі схоже на поведінку кульки при грі в рулетку. При всіх високих енергіях (тобто при швидкому обертанні колеса) кулька поводиться завжди майже однаково - безупинно обертається. Але коли колесо сповільниться, енергія кульки зменшується, і врешті-решт він провалюється в одну з тридцяти семи канавок, наявних на колесі. Іншими словами, при низьких енергіях кулька може існувати в тридцяти семи станах. Якби ми чомусь могли спостерігати кульку тільки при низьких енергіях, то вважали б, що існує тридцять сім різних типів кульок!
Теорія Вайнберга Салама стверджувала, що при енергіях, що значно перевищують 100 ГеВ, три нові частинки і фотон мають поводитись однаково, а при більш низьких енергіях часток, тобто в більшості звичайних ситуацій, ця «симетрія» повинна порушуватися. Маси W +, W – і Z0 бозонів мали бути великими, щоб створювані ними сили були дуже малого радіусу дії. Коли Вайнберг і Салам висунули свою теорію, їм мало хто вірив, а на малопотужних прискорювачах тих часів неможливо було досягти енергії в 100 ГеВ, необхідної для народження реальних W +, W – і Z0 частинок. Однак років через десять передбачення, отримані в цій теорії при низьких енергіях, настільки добре підтвердилися експериментально, що Вайнбергу і Саламу була присуджена Нобелівська премія 1979 спільно з Шелдоном Глешоу (теж з Гарварду), який запропонував схожу єдину теорію електромагнітних і слабких ядерних взаємодій.
Комітет з Нобелівських премій був позбавлений неприємностей, які могли б виникнути у зв’язку з помилковим відкриттям трьох масивних партнерів фотона з правильними значеннями маси та іншими передбаченими характеристиками 1983 р. у ЦЕРНі (Європейському Центрі Ядерних Досліджень). Карло Руббіа, який очолив групу з декількох сотень фізиків, яким належало це відкриття, отримав Нобелівську премію 1984 р., присуджену йому спільно з інженером ЦЕРНу Симоном Ван дер Меєром, автором проекту накопичувача античастинок, використаного в експерименті. (У наш час надзвичайно важко залишити свій слід в експериментальній фізиці, хіба що ви вже знаходитесь на вершині!).
Сильна ядерна взаємодія являє собою взаємодію четвертого типу, що утримує кварки всередині протона і нейтрона, а протони і нейтрони всередині атомного ядра. Переносником сильної взаємодії вважається ще одна частка зі спіном 1, яка називається глюоном.
Глюони взаємодіють тільки з кварками і з іншими глюонами. У сильної взаємодії є одна надзвичайна властивість - вона володіє конфайнментом (confinement - обмеження, утримання).
Конфайнмент полягає в тому, що частинки завжди утримуються в безбарвних комбінаціях. Один кварк не може існувати сам по собі, тому що тоді він мав би мати колір (червоний, зелений або синій). Тому червоний кварк має бути з'єднаний із зеленим і синім за допомогою глюонного «променя» (червоний + зелений + синій = білий). Такий триплет виявляється протоном або нейтроном. Існує й інша можливість, коли кварк і антикварк об'єднуються в пару (червоний + античервоний, або зелений + антизелений, або синій + антисиній = білий). Такі комбінації входять до складу частинок, званих мезонами. Ці частинки нестабільні, тому що кварк і антикварк можуть анігілювати один з одним, утворюючи електрони та інші частинки. Аналогічним чином, один глюон не може існувати сам по собі через конфайнмент, тому що глюони теж володіють кольором. Отже, глюони повинні групуватися таким чином, щоб їх кольори в сумі давали білий колір. Описана група глюонів утворює нестабільну частинку - глюбол.
Ми не можемо спостерігати окремий кварк або глюон через конфайнмент. Чи не означає це, що саме уявлення про кварки і глюони як про частинки кілька метафізично? Ні, тому що сильна взаємодія характеризується ще однією властивістю, яка називається асимптотичною свободою. Завдяки цій властивості поняття кварків і глюонів стає цілком визначеним. За звичайних енергії сильна взаємодія дійсно є сильною і щільно притискає кварки один до одного. Але, як показують експерименти на потужних прискорювачах, при високих енергіях сильна взаємодія помітно слабшає і кварки та глюони починають вести себе майже як вільні частки. На мал. 5.2 представлений фотознімок зіткнення протона і антипротона високої енергії. Ми бачимо, що кілька майже вільних кварків, що народилися в результаті взаємодії, утворили «промені» треків, які видно на фотографії.
Підсумком успішного об'єднання електромагнітної і слабкої взаємодій стали спроби поєднати ці два види взаємодій з сильною взаємодією, щоб в результаті вийшла так звана теорія великого об'єднання. У цій назві є деяке перебільшення: по-перше, теорії великого об'єднання не такі вже великі, а по друге, вони не об'єднують повністю всі взаємодії, тому що в них не входить гравітація. Крім того, всі ці теорії насправді неповні, тому що містять параметри, які не можна передбачити теоретично і які треба обчислювати, порівнюючи теоретичні та експериментальні результати. Проте такі теорії можуть стати кроком до повної теорії об'єднання, що охоплює всі взаємодії. Основна ідея побудови теорій великого об'єднання полягає в наступному: як уже говорилося, сильні взаємодії при високих енергіях стають слабше, ніж при низьких. У той же час електромагнітні і слабкі сили асимптотично не вільні, і при високих енергіях вони зростають. Тоді при якомусь дуже великому значенні енергії - при енергії великого об'єднання - ці три сили могли б зрівнятися між собою і стати просто різновидами однієї і тієї ж сили. Теорії великого об'єднання передбачають, що при цій енергії різні частинки речовини зі спіном 1/2, такі, як кварки і електрони, теж перестали б різнитися, що було б ще одним кроком до об'єднання.
Значення енергії великого об'єднання не дуже добре відомо, але воно має становити щонайменше тисячу мільйонів мільйонів ГеВ. У прискорювачах сучасного покоління стикаються частинки з енергіями близько 100 ГеВ, а в майбутніх проектах ця величина повинна зрости до декількох тисяч ГеВ. Але для прискорення частинок до енергії великого об'єднання потрібен прискорювач розміром з Сонячну систему. Малоймовірно, щоб в нинішній економічній ситуації хто-небудь наважився її фінансувати. Ось чому неможлива безпосередня експериментальна перевірка теорій великого об'єднання. Але тут, як і у випадку електрослабкої єдиної теорії, існують низькоенергетичні слідства, які можна перевірити.
Найцікавіше у таких слідствах те, що протони, які становлять більшу частину маси звичайної речовини, можуть спонтанно розпадатися на більш легкі частинки, такі, як антиелектрони. Причина в тому, що при енергії великого об'єднання немає істотної різниці між кварком і антиелектроном. Три кварка всередині протона зазвичай не мають достатньої кількості енергії для перетворення на антиелектрони, але один з кварків може зовсім випадково отримати одного разу енергію, достатню для цього перетворення, тому що в силу принципу невизначеності неможливо точно зафіксувати енергію кварків всередині протона. Тоді протон повинен розпастися, але ймовірність того, що кварк матиме достатню енергію, настільки мала, що чекати цього доведеться принаймні мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з тридцятьма нулями) років, що набагато більше часу, що пройшов з моменту великого вибуху, який не перевищує десяти тисяч мільйонів років або щось близько того (одиниця з десятьма нулями). Звідси напрошується висновок, що можливість спонтанного розпаду протона не можливо експериментально перевірити. Можна, однак, збільшити ймовірність спостереження розпаду протона, вивчаючи дуже велике число протонів. (Спостерігаючи, наприклад, 1 з тридцятьма одним нулем протонів протягом року, можна сподіватися виявити, згідно однієї з найпростіших теорій великого об'єднання, більше одного розпаду протона).
Кілька таких експериментів вже виконано, але вони не дали певних відомостей про розпадах протона або нейтрона. Один з експериментів, в якому використовувалося вісім тисяч тонн води, проводився в соляній шахті штату Огайо (для того, щоб виключити космічні перешкоди, які можна прийняти за розпад протона). Оскільки протягом усього експерименту не було зареєстровано жодного розпаду протона, можна вирахувати, що час життя протона має бути більше, ніж десять мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з тридцятьма одним нулем) років. Цей результат перевищує передбачення найпростішої теорії великого об'єднання, але є і більш складні теорії, що дають більш високу оцінку. Для їх перевірки будуть потрібні ще більш точні експерименти з ще більшими кількостями речовини.
Незважаючи на труднощі спостереження розпаду протона, не виключено, що саме наше існування є наслідком зворотного процесу - утворення протонів або, ще простіше, кварків на самій початковій стадії, коли кварків було не більше, ніж антикварків. Така картина початку Всесвіту видається найбільш природною. Земна речовина в основному складається з протонів і нейтронів, які в свою чергу складаються з кварків, але в ній немає ні антипротонів, ні антинейтронів, що складаються з антикварків, якщо не вважати ті кілька, що були отримані на великих прискорювачах. Експерименти з космічними променями підтверджують, що те ж саме справедливо і для всієї речовини в нашій Галактиці: у ній немає ні антипротонів, ні антинейтронів, за винятком тієї невеликої кількості античастинок, яка виникає в результаті народження пар частинка-античастинка в зіткненнях частинок при високих енергіях. Якби в нашій Галактиці були великі ділянки антиречовини, то можна було б очікувати сильного випромінювання на межах розділу речовини і антиречовини, де виникала би безліч зіткнень частинок і античастинок, які, анігілюючи, випускали би випромінювання високої енергії.
У нас немає прямих вказівок на те, чи складається речовина інших галактик з протонів і нейтронів або з антипротонів і антинейтронів, але вона має складатися з частинок одного типу: в межах однієї галактики не може бути суміші частинок і античастинок, тому що в результаті їх анігіляції випускалося б потужне випромінювання. Тому ми вважаємо, що всі галактики складаються з кварків, а не з антикварків; навряд чи одні галактики складалися з речовини, а інші - з антиречовини.
Але чому кварків має бути настільки більше, ніж антикварків? Чому число їх не однаково? Нам дуже пощастило, що це так, адже якби кварків і антикварків було порівну, то майже всі кварки і антикварки проанігілювали б один з одним в ранньому Всесвіті, наповнивши його випромінюванням, але навряд чи залишивши хоч яку-небудь речовину. Не було б ні галактик, ні зірок, ні планет, на яких могло б розвиватися людське життя. За допомогою теорій великого об'єднання можна пояснити, чому у Всесвіті кварків має бути зараз більше, ніж антикварків, навіть у тому випадку, якщо на самому початку їх було порівну. Як ми вже знаємо, в теоріях великого об'єднання при високих енергіях кварки можуть перетворюватися на антиелектрони. Можливі й зворотні процеси, коли антикварки перетворюються на електрони, а електрони і антиелектрони - у антикварки і кварки. Колись на дуже ранній стадії розвитку Всесвіту він був таким гарячим, що енергії частинок було достатньо для подібних перетворень. Але чому ж у результаті кварків стало більше, ніж антикварків? Причина криється в тому, що закони фізики не зовсім однакові для частинок і античастинок.
До 1956 р. вважалося, що закони фізики інваріантні щодо трьох перетворень симетрії - C, P і T. Симетрія С означає, що всі закони однакові для частинок і античастинок. Симетрія P означає, що закони фізики однакові для будь-якого явища і для його дзеркального відображення (дзеркальним відображенням частинки, що обертається за годинниковою стрілкою, буде частка, що обертається проти годинникової стрілки). Нарешті, зміст симетрії Т полягає в тому, що при зміні напрямку руху всіх частинок і античастинок на зворотне система повернеться в той стан, в якому вона перебувала раніше; іншими словами, закони однакові при русі в часі вперед або назад.
У 1956 р. два американських фізика, Тзундао Лі і Чженьнін Янг, висловили припущення, що слабка взаємодія насправді не інваріантна щодо Р перетворень. Іншими словами, в результаті слабкої взаємодії, розвиток Всесвіту може піти інакше, ніж розвиток його дзеркального зображення. У тому ж році Цзіньсян By, колега Лі та Янга, зуміла довести, що їх припущення вірне. Розташувавши в магнітному полі ядра радіоактивних атомів так, щоб їхні спини були спрямовані однаково, вона показала, що в одному напрямку електронів вилітає більше, ніж в іншому. У наступному році Лі та Янг за своє відкриття були удостоєні Нобелівської премії. Виявилося, що слабкі взаємодії не підкоряються і симетрії С. Це означає, що Всесвіт, що складається з античастинок, буде вести себе інакше, ніж наш Всесвіт. Всім, проте, здавалося, що слабка взаємодія повинна все-таки підкорятися комбінованій симетрії CP, тобто розвиток Всесвіту має відбуватися так само, як і розвиток його дзеркального відображення, якщо, відбивши його у дзеркалі, ми ще кожну частку замінимо античастинкою! Але у 1964 р. ще два американці, Джеймс Кронін і Вел Фітч, виявили, що в розпаді частинок, які називаються K-мезонами, порушується навіть CP-симетрія.
У результаті в 1980 р. Кронін і Фітч отримали за свою роботу Нобелівську премію. (Яке величезна кількість премій присуджено за роботи, в яких показано, що Всесвіт не такий простий, як нам здається).
Існує математична теорема, в якій стверджується, що будь-яка теорія, що підкоряється квантовій механіці та теорії відносності, повинна завжди бути інваріантна щодо комбінованої симетрії CPT. Іншими словами, поведінка Всесвіту не зміниться, якщо замінити частинки античастинками, відобразити все в дзеркалі і ще змінити напрямок часу на зворотній. Але Кронін і Фітч показали, що замінити частинки античастинками і відобразити дзеркальне зображення, але при цьому не змінювати напрямок часу на зворотне, то Всесвіт буде вести себе по іншому. Отже, при зверненні часу закони фізики мають змінитися, тобто вони інваріантні щодо симетрії Т.
Зрозуміло, що в ранньому Всесвіті порушувалася симетрія Т: коли час тече вперед, Всесвіт розширюється, а якщо би час пішов назад, то Всесвіт почав би стискатися. А оскільки існують сили, не інваріантні щодо симетрії Т, то звідси випливає, що по мірі розширення Всесвіту під дією цих сил антиелектрони повинні перетворюватися на кварки частіше, ніж електрони в антикварки.
Потім, коли Всесвіт розширювався і охолоджувався, антикварки і кварки повинні були анігілювати, але оскільки кварків виявилося б більше, ніж антикварків, кварки залишилися би в невеликому надлишку. Вони і є ті самі кварки, з яких складається сьогоднішня матерія, яку ми бачимо і з якої створені ми самі. Таким чином, саме наше існування можна розглядати як підтвердження теорії великого об'єднання, правда, тільки як якісне підтвердження. Невизначеності трапляються через те, що ми не можемо передбачити, ні скільки кварків залишиться після анігіляції, ні навіть чи будуть ці частинки кварками або антикварками. (Щоправда, якби у надлишку залишилися антикварки, ми б просто перейменували їх у кварки, а кварки - у антикварки).
Теорії великого об'єднання не включають в себе гравітаційну взаємодію. Це не дуже істотно, тому що гравітаційні сили настільки малі, що їх впливом можна просто знехтувати, коли ми маємо справу з елементарними частинками або атомами. Однак той факт, що гравітаційні сили є далекодіючими, та ще й завжди силами тяжіння, означає, що результати їх впливу завжди сумуються. Отже, якщо є достатня кількість частинок речовини, то гравітаційні сили можуть стати більше всіх інших сил. Ось чому еволюція Всесвіту визначається саме гравітацією. Навіть у випадку об'єктів розміром із зірку гравітаційне тяжіння може переважити всі інші сили і привести до колапсу зірки. У 70-х роках я займався дослідженням чорних дір, які можуть виникнути в результаті такого зоряного колапсу, і оточуючих їх сильних гравітаційних полів. Саме в ході цієї роботи у мене з'явилися перші здогадки про те, як квантова механіка і загальна теорія відносності можуть впливати одна на одну - зародки форми тієї квантової теорії гравітації, яку ще належить розробити.