Физика времени

О роли квантовых эффектов мы можем и здесь судить по соотношению неопределенностей «время-энергия». Произведение неопределенности во времени на неопределенность в энергии не меньше универсальной величины — постоянной Планка. Применяя это к условиям ранней Вселенной, нужно рассуждать так. Выделим мысленно в космологической среде какие-то две частицы и будем следить за их удалением друг от друга вследствие космологического расширения. Это движение можно характеризовать двумя величинами: кинетической энергией их разлета и промежутком времени, за которое расстояние между частицами удваивается. Если в этих двух величинах — времени и энергии — возникают квантовые неопределенности, то эти неопределенности должны быть связаны между собой общим квантовым соотношением.

Рассматривая состояния, все более и более близкие к сингулярности, мы видим, что одна из наших величин — время — неограниченно убывает. Но если речь идет о промежутках времени, стремящихся к нулю, то, значит, и неопределенность в длительности этих промежутков тоже стремится к нулю. Что же происходит при этом с энергией? Неопределенность в ней тем больше, чем меньше неопределенность во времени. Поэтому квантовая неопределенность энергии должна неограниченно расти, стремясь к бесконечности, когда время стремится к нулю. Ясно, что бесконечностью ни в каком случае нельзя пренебрегать. И, таким образом, важность квантовых эффектов на самых первых этапах расширения становится очевидной.

Мы пришли к этому заключению, рассуждая о времени и энергии. Но подобное рассуждение можно было бы провести и для другой квантовой пары величин — для координаты и скорости (импульса). Когда размеры мира стремятся к нулю при приближении к сингулярности, стремится к нулю и неопределенность в положении: все стягивается в точку. Но тогда должна стремиться к бесконечности неопределенность в скорости (импульсе).

Мы видим, что теория космологического расширения должна быть наполнена новым содержанием вблизи сингулярности: физические явления во Вселенной и, прежде всего, само ее расширение имели тогда существенно квантовый характер. Но что же в действительности происходило у «нуля времени»?

Увы, об этом остается пока что только строить предположения. Ведь чтобы основательно судить о самом раннем этапе эволюции Вселенной, нужно располагать теорией, которая объединяла бы в себе и общую теорию относительности, и квантовую теорию. Важность квантовых явлений мы доказали. Важность эффектов общей теории относительности сама по себе очевидна: в сверхплотном веществе исключительно сильны и поля тяготения. Единственная последовательная картина синтеза обеих теорий достигнута для гравитационных волн; но в них поля тяготения считаются слабыми. Квантовой теории сильных полей тяготения до сих пор нет — а именно она и нужна для исследования ранней Вселенной.

Мы не знаем, какой окажется эта теория будущего. Единственно, что мы можем делать сейчас, — это стараться угадать какие-то ее черты, строить правдоподобные рассуждения, пусть и не строго доказательные. В последнее время высказаны интересные соображения такого рода, которые заслуживают того, чтобы о них, хотя бы и очень кратко, рассказать.

Прежде всего, многие физики сходятся на той мысли, что учет квантовых явлений устранит сингулярность в теории Фридмана. Сингулярность должна, так сказать, «размазаться»): вместо исходной точки будет какой-то протяженный объем. О его размерах можно, по-видимому, судить по характерной длине порядка 10^-35 метра, о которой уже упоминалось. Эта ветчина возникает, как мы говорили, просто из комбинации трех физических констант — скорости света в пустоте, постоянной Планка и ньютоновской гравитационной постоянной. Но если теория будущего объединит в одно целое идеи относительности, квантовые законы и всемирное тяготение, то довольно разумно считать, что эти три составные части будут представлены в ней тремя названными физическими величинами. И если в каком-то физическом состоянии эффекты всех трех типов действуют в полную силу, то комбинации этих констант и в самом деле должны что-то значить. Эти комбинации получили название планковских «величин — они впервые встречаются в работах Планка. Кроме длины, среди величин такого рода имеются время порядка 10^-45 секунды, о котором уже упоминалось, и масса (порядка 10^-8 килограмма).

Из значений массы и длины можно составить еще одну планковскую величину — плотность. Она оказывается порядка 10⁹⁷ кг/м³. Это невообразимо большая, но все же конечная величина. Если Вселенная в начальном состоянии действительно занимала объем с поперечником около 10^-35 метра, то эта плотность должна считаться ее начальной плотностью.