В тази глава видяхме как за по-малко от половин век представата ни за Вселената, формирана в продължение на хилядолетия, се е променяла. Изходна точка за това бяха откритието на Хъбъл, че Вселената се разширява, и осъзнаването на незначителността на нашата собствена планета в безкрая на Вселената. С натрупването на експериментални и теоретични доказателства ставаше все по-ясно, че Вселената трябва да е имала начало във времето, докато най-сетне през 1970 г. двамата с Пенроуз го доказахме на базата на общата теория на относителността на Айнщайн. Това доказателство показа, че общата теория на относителността е просто една непълна теория: тя не може да ни каже какво е началото на Вселената, защото предвижда, че всички физични теории, включително и самата тя, са неприложими за началото на Вселената. Но общата теория на относителността твърди да е само една частна теория, така че това, което теоремите за сингулярност наистина показват, е, че в твърде ранната Вселена е имало период, когато Вселената е била толкова малка, че повече не бихме могли да пренебрегнем дребномащабните ефекти от друга важна частна теория на двадесетото столетие — квантовата механика. В началото на осемдесетте години бяхме принудени да се насочим към разбирането на Вселената, преминавайки от теорията за изключително голямото към теорията за нищожно малкото. Тази теория, квантовата механика, ще опишем по-нататък, преди да се обърнем към усилията за обединяване на двете частни теории в една-единствена квантова теория за гравитацията.
4. Принцип на неопределеността
Успехите на научните теории и особено на Нютоновата теория за гравитацията накарали френския учен маркиз Дьо Лаплас в началото на XIX в. да покаже, че Вселената е напълно детерминистична. Лаплас предположил, че трябва да съществува система от научни закони, които позволяват да предвидим всичко, което ще се случи във Вселената, ако знаем с точност състоянието на Вселената в даден момент. Ако например знаем положенията и скоростите на Слънцето и планетите в даден момент, можем да използваме законите на Нютон и да определим състоянието на Слънчевата система във всеки друг момент. В този случай детерминизмът изглежда твърде очевиден, но Лаплас не спрял дотук, а допуснал, че всичко, включително и поведението на човека, се управлява от подобни закони.
Доктрината за научен детерминизъм срещнала упоритата съпротива на мнозина, според които тя посяга на свободата на Бог да се намесва в света, но е останала като стандартно допускане в науката чак до началото на нашето столетие. Един от първите признаци, че това схващане трябва да се изостави, дойде от изчисленията на английските учени лорд Рейли и сър Джеймс Джийнс. Те предположиха, че едно горещо тяло или обект, като например една звезда, трябва да излъчва безкрайна енергия. Според законите, в които тогава вярвахме, едно горещо тяло трябва да освобождава електромагнитни вълни (например радиовълни, видима светлина или рентгенови лъчи) равномерно по всички честоти. Едно горещо тяло например трябва да излъчва едно и също количество енергия във вълни с честоти между един и два млрд. вълни в секунда, както и при честоти между два и три млрд. вълни в секунда. А щом броят вълни в секунда е неограничен, това значи, че общото количество излъчена енергия ще е безкрайно.
За да избегне този явно нелеп резултат, немският учен Макс Планк предположил през 1900 г., че светлинните, рентгеновите и другите вълни не могат да се излъчват произволно, а само на определени порции, които той нарича кванти. Освен това всеки квант притежава определено количество енергия, което е толкова по-голямо, колкото по-висока е честотата на вълните, така че при достатъчно висока честота излъчването на един-единствен квант би изисквало повече енергия от наличната. Така излъчването при високи честоти ще намалява, откъдето следва, че излъчената от тялото енергия ще бъде крайна.