Эти точки находятся далеко за пределами космологических горизонтов друг друга: их собственные грушевидные световые конусы прошлого не пересекаются друг с другом на всем их протяжении, если двигаться назад во времени вплоть до его начала. И все же наблюдаемые температуры фотонов, приходящих из точек A и B, одинаковы с точностью до одной тысячной доли процента. Как это возможно?
Фактически, когда в модели горячего Большого взрыва 1960-х мы наблюдаем CMB в направлениях, разделенных на небе более чем на несколько градусов, мы видим участки Вселенной, которым еще предстоит войти в контакт друг с другом. Наша сегодняшняя наблюдаемая Вселенная должна включать в себя не менее чем несколько миллионов таких независимых космических областей, ограниченных каждая своим горизонтом. В свете этого почти идеальная однородность CMB-излучения по небу становится не просто загадочной, но поистине таинственной. Если бы Эддингтон или Эйнштейн узнали об этом, «загадка горизонта» могла бы подтвердить их худшие опасения касательно идеи происхождения Вселенной – как если бы древние викинги, высадившись в Северной Америке, услышали, что аборигены разговаривают на их, викингов, языке.
Странная получается ситуация. Теорема Хокинга о сингулярности утверждает, что у Вселенной было начало. Но о том, как она началась, не говоря уж о том, почему при ее взрывном рождении в ней появилось почти идеально однородно распределенное CMB и множество других биофильных свойств, теорема умалчивает. Более того, она как бы выносит все вопросы об первопричине происхождения Вселенной и ее устройства за пределы науки, как будто оставляя их решение на произвол эддингтоновских сверхъестественных сил. Об этом нет необходимости философствовать – теория относительности предсказывает свой собственный крах. В диссертации Хокинга Большой взрыв – событие, не имеющее объяснения, потому что сингулярность на дне нашего прошлого возвещает нам о крахе времени, пространства и причинности, вместе взятых. Как сказал великий Джон Уилер, «существование пространственно-временных сингулярностей кладет конец принципу достаточного основания, а тем самым и предсказательной силе науки»[91]. Как это может быть? Как может физика вести к разрушению самой себя – к отрицанию физики? Чтобы распутать этот узел, нам придется более внимательно посмотреть, что в действительности имеют в виду физики, когда обещают предсказать, что произойдет.
Со времен Галилея и Ньютона физике присуща двойственность: она опирается на два резко различных источника информации. Во-первых, существуют законы эволюции: математические уравнения, описывающие, как физические системы изменяются во времени, переходя из одного состояния в другое. Во-вторых, имеются граничные условия: исчерпывающее описание состояния системы в данный момент времени. Используя законы эволюции, мы берем некоторое состояние и прослеживаем его развитие либо ретроспективно, либо вперед, то есть определяем, что система собой представляла в некоторый момент раньше или какой она будет в некоторый момент будущего. Именно сочетание законов эволюции и граничных условий устанавливает рамки для предсказаний, которые составляют предмет гордости физики и космологии.
Представьте, к примеру, что вы хотите предсказать, где и когда произойдет следующее солнечное затмение. Для этого мы можем использовать ньютоновы законы движения и тяготения и описать с их помощью будущие траектории Земли и Луны. Однако, чтобы применить эти законы, придется сначала задать положения и скорости Земли и Луны (и Юпитера в придачу) относительно Солнца в некоторый конкретный момент времени. Эти данные – описание состояния двух небесных тел в некоторый момент – и составляют граничные условия. Никто не требует, чтобы законы Ньютона объяснили, почему в этот момент положения тел именно таковы. Мы просто измерили их. Располагая этой информацией, мы теперь решим уравнения Ньютона и определим положения этих тел в любой другой момент времени в будущем, чтобы предсказать время и место следующего солнечного затмения, или в прошлом – чтобы задним числом подтвердить документированный момент, в который затмение уже произошло.
Этот пример показывает, как вообще делаются предсказания в физике. Физики полагают, что эволюция управляется универсальными законами Природы – законами, установлению которых и посвящена их деятельность. Но граничные условия содержат конкретную информацию о той или иной системе – они не рассматриваются как часть законов. В каком-то смысле граничные условия служат для очерчивания конкретных вопросов, которые мы решаем с помощью физических законов. В сущности, тот или иной динамический закон, вроде закона Ньютона, и конструируется из обобщенного опыта наблюдений в широком диапазоне различных граничных условий. Это и придает уравнениям универсальный характер и гибкость, необходимые для описания широкого разнообразия явлений. Выходит, что законы физики чем-то похожи на шахматные правила: как ни важны они сами по себе, они нужны вам только для того, чтобы понять, какой ход надо сделать в данной конкретной партии.
Но является ли различие между имеющими вид законов динамическими правилами игры и произвольными граничными условиями фундаментальным свойством Природы? Конечно, это различие вполне естественно и приемлемо в лабораторных ситуациях с их резким противопоставлением управляемого нами технического оборудования эксперимента – граничных условий – и законов, проверить или установить которые мы собираемся посредством данного эксперимента. Но в космологии это различие угрожает стать главным затруднением: ведь все наши эксперименты вместе с самими экспериментаторами, планетами, звездами и галактиками сами являются частью гораздо более масштабного процесса эволюции Вселенной как целого. Выходит, что при решении любой космологической задачи граничные условия исходного эксперимента сами определяются законами эволюции более крупномасштабной системы вместе с ее граничными условиями. Если вернуться к нашему примеру солнечного затмения, космолог-холистик мог бы сказать, что скорости и положения всех планет на любой данный момент – исходные граничные условия задачи – проистекают из истории этих планет, и что сама система «Солнце – Земля – Луна» есть результат истории формирования Солнечной системы в целом; а Солнечная система в свою очередь возникла вследствие конденсации остатков звездных систем предыдущих поколений, которые в конечном счете возникли из мельчайших вариаций плотности первичной Вселенной, а те произошли из… из чего?
И вот, когда мы доходим до самого начала, мы натыкаемся на парадокс: что определяет первичные граничные условия происхождения Вселенной? Ясно, что их выбираем не мы; не можем мы и заняться подстановкой различных возможных условий, чтобы посмотреть, какие виды вселенных при этом будут получаться. Таким образом, при описании начала Вселенной мы сталкиваемся с задачей отыскания граничных условий, которыми мы не управляем. И что интересно, начальные условия Большого взрыва оказываются заданными теми самыми законами, которые мы и стремимся найти. Однако описанный выше дуализм физики предполагает, что начальные граничные условия не являются частью физических законов. Более того, доказанная Стивеном теорема о сингулярности, в соответствии с которой пространство-время и все известные физические законы в момент Большого взрыва не существуют, тоже вроде бы согласуется с таким воззрением. Заметим, что этот парадокс возникает только в космологическом контексте: ведь только когда мы представляем себе эволюцию Вселенной во всей ее полноте, у нас не может быть никакого более раннего момента времени или большего объема пространства, которыми мы могли бы воспользоваться для выбора и определения граничных условий.
Стивен более, чем кто-либо иной из физиков его поколения, чувствовал, что научное понимание происхождения Вселенной потребует принципиального расширения столетиями не изменявшихся рамок физических предсказаний. Он видел, что мир не укладывается в узкие границы схемы «динамика – начальные условия». Этой проблемы он коснулся уже в своей диссертации, написав: «Одна из слабостей эйнштейновской теории относительности состоит в том, что, хотя она обеспечивает динамические полевые уравнения, она не устанавливает для них граничных условий. Следовательно, теория Эйнштейна не дает уникальной модели Вселенной. Очевидно, что теория, которая обеспечила бы граничные условия, была бы очень привлекательной… Теория Хойла именно такова. К сожалению, ее граничное условие исключает существование вселенных, которые, по-видимому, соответствуют реальной Вселенной, а именно ее расширяющихся моделей». Более подробно Хокинг осветил этот вопрос спустя почти пятнадцать лет в своей инаугурационной лекции при вступлении на Лукасовскую кафедру. Эта кафедра математики была основана в 1663 году Генри Лукасом, бывшим студентом Колледжа св. Иоанна, филантропом и политиком, членом парламента от Кембриджского университета. Годовое жалованье лукасовского профессора тогда составляло 100 фунтов. С 1669 по 1702 год кафедру занимал не кто иной, как Исаак Ньютон (Стивен часто саркастически замечал, что она в то время не была моторизована). К счастью для Ньютона, в документе об основании кафедры специально оговаривалось, что лукасовскому профессору не следует принимать священнического сана в англиканской церкви. Это означало, что Ньютон освобождался от принесения клятвы в вере в Святую Троицу – что было бы для него просто невозможно[92].
Стивен был избран семнадцатым лукасовским профессором в 1979 году. В инаугурационной лекции «Близок ли конец теоретической физики?», находясь на вершине своей уверенности в могуществе физической теории, он выдвинул спорное предсказание о том, что к концу столетия физики построят «теорию всего». И продолжал: «Полная теория заключает в себе кроме динамической теории также и набор граничных условий». Поясняя свое положение, он сказал: «Многие упорно утверждали, что роль науки ограничивается только первой из этих составляющих и что теоретическая физика достигнет своей цели, когда мы получим систему локальных динамических законов. Они считали, что вопрос граничных условий Вселенной относится к сфере метафизики или религии. Но у нас не будет полной теории, пока мы сможем всего лишь повторять, что вещи таковы, каковы они есть потому, что они были такими, какими они были».