Вечность. В поисках окончательной теории времени - Кэрролл Шон (читаем книги онлайн бесплатно TXT) 📗

Какой же ответ они получили? Энтропии согласованны. Как минимум в этом конкретном примере черную дыру можно плавно превратить в относительно обычный объем вещества, для которого мы точно знаем, как выглядит пространство микросостояний, и энтропия из формулы Больцмана будет совпадать с энтропией из формулы Хокинга с точностью до численного коэффициента.

У нас нет абсолютно общего понимания пространства состояний в квантовой гравитации, поэтому, что касается энтропии, впереди нас ждет еще очень много загадок. Но в конкретном случае, рассмотренном Строминджером и Вафой (и различных схожих ситуациях, изученных впоследствии), пространство состояний, предсказываемое теорией струн, в точности совпадает с ожиданиями из расчетов Хокинга, выполненных в квантовой теории поля в искривленном пространстве—времени. [237] Это дает надежду на то, что последующие исследования в этом направлении помогут нам разобраться и в других загадочных свойствах квантовой гравитации, в том числе позволят узнать, что произошло в момент Большого взрыва.

Глава 13 Жизнь Вселенной

Как должна выглядеть Вселенная?

Наверное, это не самый осмысленный вопрос. Вселенная — сущность уникальная; по самой своей природе она не похожа ни на какие другие вещи, обычно занимающие наши мысли и существующие во Вселенной. Объекты в пределах Вселенной объединяются в группы, имеющие общие свойства. Наблюдая за этими свойствами, мы получаем представление о том, чего можно ожидать от объектов. Согласно нашим ожиданиям, у всех кошек должно быть по четыре лапы, мороженое должно быть сладким, а сверхмассивные черные дыры должны скрываться в центре спиральных галактик. Однако никакие подобные ожидания не могут быть абсолютными; мы говорим о тенденциях, а не о законах природы. Тем не менее наш опыт учит, что определенные типы вещей обычно обладают определенными свойствами, поэтому в возникающих периодически необычных обстоятельствах, когда наши ожидания не оправдываются, мы совершенно естественно начинаем искать объяснение. Увидев кошку на трех лапах, мы задаемся вопросом, что случилось с ее четвертой лапой.

Вселенная не такая. Она сама по себе, а не представитель какого-то более крупного класса. (Другие Вселенные также могут существовать, по крайней мере в контексте подходящего определения понятия «Вселенная», но мы абсолютно точно не можем наблюдать ни одной помимо нашей собственной.) Это означает, что мы не можем применить индуктивные, эмпирические рассуждения такого типа — «рассматривая множество примеров чего-то, идентифицировать общие свойства», — чтобы проверить свои ожидания относительно того, какой должна быть Вселенная. [238]

Тем не менее ученые постоянно делают заявления о том, что определенные свойства Вселенной все же могут считаться «естественными». К примеру, далее я собираюсь предположить, что низкая энтропия ранней Вселенной — удивительное явление, и приведу аргументы, что это явление должно объясняться основополагающими глубинными причинами. Когда мы замечаем, что неразбитое яйцо обладает низкоэнтропийной по сравнению с омлетом конфигурацией, то объяснение этому находится моментально: яйцо — это не замкнутая система. Его снесла курица, которая, в свою очередь, является частью экосистемы Земли, которая, как мы знаем, входит в состав Вселенной с низкоэнтропийным прошлым. В то же время Вселенная, по крайней мере на первый взгляд, кажется замкнутой системой, — продолжая аналогию, она не была снесена никакой Вселенской Курицей. Истинно замкнутая физическая система с очень низкой энтропией — поразительное явление, предполагающее, что мы не видим всей картины. [239]

Правильное отношение к любому кажущемуся нам удивительным свойству наблюдаемой Вселенной, такому как низкая энтропия в начале времен или низкая энергия вакуума, заключается в том, чтобы рассматривать его как потенциальный ключ к более глубокому пониманию того, как все устроено. Подобные наблюдения далеко не так безусловны, как явное экспериментальное расхождение с вашей любимой теорией; это всего лишь намеки. В глубине души мы уверены, что если бы конфигурация Вселенной выбиралась случайным образом из всех возможных, то это было бы очень высокоэнтропийное состояние. Однако в реальности это не так, а значит, состояние Вселенной — это не следствие случайного выбора. Так как же был сделан выбор? Существует ли какой-то процесс, какая-то динамическая цепочка событий, неизбежно приводящих к кажущейся не случайной конфигурации нашей Вселенной?

Наши горячие, однородные первые дни

Если думать о Вселенной как о физической системе случайным образом выбранной конфигурации, то ответ на вопрос «Как должна выглядеть Вселенная?» будет следующим: «Она должна находиться в высокоэнтропийном состоянии». Таким образом, нам необходимо понять, как выглядит высокоэнтропийное состояние Вселенной.

Даже такая формулировка вопроса не совсем верна. В действительности нас не интересует конкретное состояние Вселенной прямо сейчас, в этот момент. В конце концов, оно было другим вчера, а завтра снова изменится. Нам интересна история Вселенной, ее эволюция с течением времени. Но для понимания того, что такое естественная история, нам необходимо знать что-то о пространстве состояний, в том числе о том, на что похожи высокоэнтропийные состояния.

Космологи традиционно обходят этот вопрос стороной, и этому есть две причины. Первая заключается в том, что расширение Вселенной из горячего, плотного начального состояния — это такой неоспоримый факт, что, привыкнув к данной идее, вы начинаете испытывать трудности с тем, чтобы вообразить другие альтернативы. Своей задачей как космолога-теоретика вы начинаете считать поиск объяснения, почему Вселенная родилась именно в этом конкретном горячем и плотном состоянии, а не в каком-то другом горячем и плотном состоянии. Это временной шовинизм — самый опасный тип шовинизма. Вы бездумно подменяете вопрос «Почему Вселенная эволюционирует именно так, как она эволюционирует?» вопросом «Почему исходное состояние Вселенной было именно таким, каким оно было?»

Вторая причина, не позволяющая эффективно изучать пространство состояний Вселенной, — это неизбежное влияние гравитации. Под «гравитацией» мы подразумеваем все относящееся к общей теории относительности и к искривленному пространству—времени: как повседневные явления, такие как падающие яблоки и планеты, вращающиеся вокруг звезд, так и черные дыры и расширение Вселенной. В предыдущей главе мы детально рассмотрели один пример, а именно черную дыру — объект с сильным гравитационным полем и известной, как нам кажется, энтропией. На первый взгляд он не кажется хорошей подмогой в попытках разобраться со всей Вселенной, которая на черную дыру совсем не похожа. Скорее, она напоминает белую дыру (так как в прошлом у нее существует сингулярность), но даже это слабо нам помогает, поскольку мы находимся внутри Вселенной, а не снаружи. Определенно, гравитация играет важную роль во Вселенной, и это особенно верно для периода ее зарождения, когда пространство расширялось очень быстро. Однако понимание важности проблемы не всегда помогает в ее решении, поэтому большинство людей просто отбрасывают любые мысли о ней.

Существует и другая стратегия, с первого взгляда кажущаяся невинной, но потенциально скрывающая внутри себя грандиозную ошибку. Суть ее в том, чтобы просто-напросто отделить гравитацию от всего остального и вычислять энтропию материи и излучения внутри пространства—времени, отбрасывая энтропию самого пространства—времени. Разумеется, трудно быть космологом и игнорировать тот факт, что пространство расширяется; тем не менее расширение можно принимать как данность и попросту рассматривать состояние «вещества» (частиц обычной материи, темной материи, излучения) на этом фоне. Расширяясь, Вселенная разреживает материю и остужает излучение — словно частицы содержатся в камере с поршнем, который мы постепенно вытягиваем, обеспечивая им больше пространства для существования. Согласившись с такой картиной, энтропию вещества на таком фоне можно вычислить точно так же, как энтропию набора молекул в камере с движущимся наружу поршнем.