Щоб говорити про природу Всесвіту і міркувати про те, чи має вона початок або кінець, слід утямити, що є наукова теорія. Ми виходитимемо з того наївного представлення, що теорія не більше ніж модель Всесвіту або деякої її частини, а також набір правив, які допомагають співвіднести абстрактні величини і практичні спостереження. Теорія існує тільки в наших умах і не має іншої реальності (що б не означало це слово).
Будь-яка теорія хороша, якщо вона задовольняє двом вимогам:
точно описує великий клас спостережень на основі моделі, що містить всього декілька довільних елементів;
дозволяє робити точні пророцтва про результати майбутніх спостережень.
Наприклад, Арістотель визнавав теорію Эмпедокла, згідно якої усе складається з чотирьох елементів : землі, повітря, вогню і води. Це була досить проста теорія, але вона не дозволяла робити ніяких певних пророцтв.
З іншого боку, теорія всесвітнього тяжіння Ньютона заснована на ще простішій моделі, згідно якої тіла притягують один одного з силою, пропорційною їх масам і обернено пропорційною до квадрата відстані між ними. Але незважаючи на свою простоту, ця теорія з високою точністю передбачає рух Сонця, Місяця і планет.
Будь-яка фізична теорія завжди умовна, в тому сенсі, що вона є лише припущенням: ви ніколи не зумієте довести її. Скільки б разів результати експериментів не співпадали з пророцтвами теорії, ви ніколи не можете бути упевнені, що наступного разу між ними не виникне протиріччя. З іншого боку, одне єдине спостереження, що не узгоджується з пророцтвами теорії, здатне її спростувати .
Як підкреслював філософ науки Карл Поппер, хороша теорія відрізняється тим, що робить безліч пророцтв, які в принципі можуть бути спростовані або, як говорять філософи, фальсифіковані спостереженнями. Кожного разу, коли результати нових експериментів узгоджуються з пророцтвами теорії, вона виживає і наша довіра до неї збільшується; але, якщо хоч одне спостереження суперечить теорії, ми повинні її відкинути або переглянути.
Принаймні, передбачається, що так повинно бути, проте ви завжди можете поставити під сумнів компетентність того, хто виконував спостереження.
На практиці нова теорія частенько є розвитком попередньої. Наприклад, дуже точні спостереження за планетою Меркурій виявили невеликі розбіжності між її реальним рухом і тим, що передбачає теорія всесвітнього тяжіння Ньютона. Пророцтва загальної теорії відносності Ейнштейна трохи розходяться з виводами теорії Ньютона. Те, що пророцтва Ейнштейна, на відміну від ньютонівських, співпали із спостереженнями, стало одним з найважливіших підтверджень нової теорії. Проте ми по колишньому використовуємо теорію Ньютона для практичних завдань, оскільки відмінність між її пророцтвами і пророцтвами загальної теорії відносності дуже невеликі. (А крім того, з теорією Ньютона набагато простіше працювати, чим з теорією Ейнштейна!)
Кінцева мета науки полягає в тому, щоб дати світу єдину теорію, яка описує увесь Всесвіт. Проте на практиці учені ділять це завдання на дві частини. Першу частину складають закони, що описують, як Всесвіт змінюється з часом. (Якщо ми знаємо стан Всесвіту в певний момент часу, то ці фізичні закони скажуть нам, який буде її стан згодом.) До другої частини відносяться питання, що стосуються первинного стану Всесвіту. Деякі люди переконані, що наука повинна займатися тільки першою частиною, залишивши питання про початковий стан метафізиці або релігії. Вони говорять, що Бог, будучи всемогутнім, міг дати початок Всесвіту будь-яким угодним Йому чином. Можливо і так, але тоді Він також міг змусити її розвиватися абсолютно довільним чином. Проте, схоже, що Творець наказав їй розвиватися в строгій відповідності з певними законами. Тому чи не розумніше припустити, що деякі закони управляли і початковим станом Всесвіту?
Виявляється, дуже важко умить винайти теорію, увесь Всесвіт, що описує. Замість цього ми розбиваємо завдання на частини і створюємо безліч приватних теорій.
Кожна з цих теорій описує і передбачає деякий обмежений клас спостережень, нехтуючи впливом інших співвідношень або представляючи їх простими наборами чисел. Можливо, цей підхід є в корені неправильним. Якщо усе у Всесвіті взаємозалежно найфундаментальнішим чином, то може трапитися, що не можна підійти до повного рішення, досліджуючи частини проблеми окремо. Проте, діючи у такий спосіб у минулому, учені досягли відомих успіхів. Класичний приклад — усе та ж теорія Ньютона, яка ставить гравітаційну взаємодію між двома тілами в залежність тільки від однієї їх якості, — маси, не враховуючи, з чого вони складені. Іншими словами, нам не потрібна теорія внутрішньої будови Сонця і планет для розрахунку їх орбіт .
Сьогодні учені описують Всесвіт в термінах двох основних приватних теорій — загальної теорії відносності і квантової механіки. Це найбільші досягнення розуму першої половини двадцятого століття. Загальна теорія відносності описує дію гравітації і великомасштабну структуру Всесвіту, тобто структуру на масштабах від декількох кілометрів до мільйона мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з двадцятьма чотирма нулями) кілометрів — розміру спостережуваного Всесвіту . Квантова механіка, навпаки, має справу з гранично малими масштабами, порядку мільйонної долі від мільйонної долі сантиметра . На жаль, але відомо, що ці дві теорії несумісні один з одним: разом вони не можуть бути правильні. Одному з головних завдань сьогоднішньої фізики і головною темою цієї книги є пошук нової теорії — квантової теорії гравітації, яка включить обидві нинішні теорії. Поки ще ми не маємо в розпорядженні такої теорії, і, можливо, нас чекає ще довгий шлях до неї, але нам вже відомий багато хто з тих властивостей, які вона повинна мати. І ми покажемо далі, що вже знаємо солідну кількість пророцтв, які повинна робити квантова теорія гравітації.