Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

Главным приложением общей теории относительности была космология, изучение вселенной. Этот предмет включал в себя несколько хорошо известных решений уравнений Эйнштейна, найденных благодаря упрощающим допущениям, таким как однородность пространства.

Ключевым прорывом оказалось открытие Эдвина Хаббла в 1929 году, что все галактики (за исключением наших ближайших соседей, которые связаны гравитационно) удаляются друг от друга. Интерпретировали этот факт так, что космос постоянно расширяется с возрастающей скоростью.

Две школы ученых спорили по поводу того, что означает такое расширение. Первая, возглавляемая Георгием Гамовым и базирующаяся на идеях Александра Фридмана, Жоржа Леметра и других, отстаивала тезис, что вселенная должна иметь горячее начало, когда вся материя и энергия были сосредоточены в крохотном объеме. Гамов приводил для этого два доказательства, о первом мы уже знаем, это расширение космоса, второе – создание более сложных элементов из простых, гелия – из водорода. Объем гелия, который мы наблюдаем сейчас, мог быть создан только в исключительно горячих условиях юной компактной вселенной, звезды просто не в состоянии сгенерировать такое его количество.

Гамов работал с Ральфом Алфером и опубликовал свою гипотезу в 1948 году. Играя с греческим алфавитом, с первыми тремя буквами, альфа, бета и гамма, он поместил Бете между собой и Алфером, пусть даже Бете непосредственно не участвовал в работе. После этого с Алфером, Бете и Гамовым в заголовке теория стала называться «альфа-бета-гамма теорией».

Три астронома, Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд, составляли оппозиционный лагерь. Хойл именовал модель Гамова «Большим взрывом» и насмехался, что вся материя и энергия в ней появились в один миг из чистого ничего. Его собственная гипотеза называлась «стационарной моделью», и в ней постулировалось постепенное возникновение новой материи в крошечных количествах на протяжении долгих эонов. Вселенная расширяется, и девственная материя медленно сгущается в зарождающиеся галактики, которые постепенно заполняют пространство между старыми.

Следовательно, космос выглядит примерно одинаковым всегда.

И Большой взрыв, и стационарная модель подчиняются космологическому принципу, который определяет, что пространство и распространенная в нем материя однородны по всем направлениям. Иными словами, никакая часть вселенной в принципе не отличается от любой другой.

В результате они описываются в общей теории относительности простыми решениями уравнений Эйнштейна, которые одновременно изотропны (идентичны по всем направлениям) и гомогенны (сходны везде).

Однако лишь некоторые решения отвечают таким требованиям.

Как подчеркивали Бонди и Голд, стационарная модель соответствует тому, что они называли «совершенным космологическим принципом». Более строгий, он требовал, чтобы вселенная как целое выглядела примерно одинаково во времени, как и в пространстве. Поскольку новые галактики возникают везде, где существуют провалы между старыми, мироздание постоянно получает «уколы» космического коллагена и стареет так же мало, как Дориан Грей.

Подобно простому космологическому принципу, совершенный космологический принцип ограничивает число возможных решений уравнений Эйнштейна.

Поскольку хватало небольшой ее части для понимания известных космологических решений, и имелось лишь несколько приложений в других областях, общая теория относительности не имела шансов привлечь физиков в начале пятидесятых. Многие смотрели на нее как на «песочницу для математиков»⁸¹.

Тем не менее свежий взгляд, представленный в статье Оппенгеймера от 1939 года, и собственные мысли по поводу фундаментальных ингредиентов природы воодушевили Уилера на то, чтобы пойти против тенденции, оживить старую тему.

Края общей теории относительности

В начале 1952 года, когда проект «Маттерхорн» был в полном разгаре, мысли Уилера редко обращались к фундаментальным основам вселенной. Обозревая совместную с Нильсом Бором работу в ядерной отрасли, он наверняка возвращался к 1 сентября 1939 года, когда вышла их известная статья в Physical Review.

В том же самом выпуске была и другая статья, написанная Оппенгеймером и его студентом Хартландом Снайдером, озаглавленная «О безграничном гравитационном сжатии» и посвященная возможному сценарию последних стадий жизни массивных звезд.

Это выглядело странно, но Оппенгеймер и Снайдер предсказали, что при определенных обстоятельствах тяжелая звезда, исчерпавшая запасы ядерного топлива и лишившаяся способности выбросить большую часть своего вещества, неограниченно сжимается.

В пределах некоторого периода такие звездные гиганты превращались в бесконечно плотные объекты, именуемые сингулярностями. Их гравитационное притяжение становилось таким сильным, что даже свет, не говоря уже о других видах излучения, не мог покинуть маленькую сферическую область вокруг их центральной точки. Следовательно, никто не имел шансов заглянуть внутрь и зафиксировать, что там происходит.

Много позже Уилер назвал такие объекты «черными дырами».