Читать книгу "Вселенная Стивена Хокинга - Стивен Хокинг"

Чтобы задать состояние Вселенной в квантовой теории гравитации – как мы видели в предыдущей главе, – точно так же необходимо определить, как возможные траектории эволюции Вселенной вели себя на границе пространства-времени в прошлом. То есть нам требуется описать то, чего мы не знаем или не в состоянии узнать, и эту проблему можно обойти, только если траектории удовлетворяют условию отсутствия границ: они имеют предел протяженности, но ни границы, ни края, ни сингулярностей. В этом случае начало времен – это обычная, однородная точка пространства-времени, и расширение Вселенной началось из однородного и упорядоченного состояния. Ее ткань однако не могла быть абсолютно однородной, потому что это привело бы к нарушению принципа неопределенности квантовой механики. В ней должны были наблюдаться слабые флуктуации плотности и скорости частиц. Но условие отсутствия границ предполагает, что эти флуктуации были предельно малы – в соответствии с принципом неопределенности.

В начале своего существования Вселенная могла пережить период экспоненциального, или инфляционного, расширения, и многократно увеличилась в размерах. В процессе расширения флуктуации плотности должны были поначалу оставаться малыми, а после начать расти. Расширение областей с плотностью, несколько превышающей среднюю, стало замедляться под действием гравитационного притяжения, вызванного избыточной массой. В какой-то момент эти области прекратили расширяться и стали сжиматься, образуя галактики, звезды и различных существ, например нас. Жизненный цикл Вселенной начался с однородного и упорядоченного состояния, а со временем она стала клочковатой и хаотичной. Этим можно объяснить существование термодинамической стрелы времени.

Но что произойдет, если – или когда – Вселенная прекратит расширяться и начнет сжиматься? Не изменится ли направление термодинамической стрелы времени на противоположное и не начнет ли снижаться степень беспорядка? Это открыло бы возможность для воплощения научно-фантастических сценариев всех сортов, и главными героями были бы люди, пережившие переход от фазы расширения к фазе сжатия. Суждено ли им увидеть, как осколки превращаются в чашку и запрыгивают обратно на стол? Смогут ли они вспомнить завтрашние котировки и сколотить состояние, играя на бирже? Может показаться, что только ученые могут всерьез беспокоиться о том, что случится, когда Вселенная начнет сжиматься, поскольку до этого не дойдет по меньшей мере в ближайшие 10 миллиардов лет. Но заглянуть в будущее можно и побыстрее – прыгнув в черную дыру. Коллапс звезды с образованием черной дыры схож с поздними стадиями коллапса целой Вселенной. Если на этапе сжатия Вселенной степень беспорядка в ней и вправду уменьшается, то естественно ожидать того же и от черной дыры. Так что не исключено, что провалившийся в черную дыру астронавт сможет сорвать банк, играя в рулетку, если запомнит, где находился шарик до того, как он сделал ставку. (Но к сожалению, играть ему придется недолго – приливные силы довольно скоро сделают из него спагетти. Астронавт также не сможет ничего сообщить нам ни об изменении направления термодинамической стрелы времени, ни о своем выигрыше, потому что окажется в ловушке за горизонтом событий черной дыры.)

Сначала я считал, что по мере сжатия Вселенной степень беспорядка в ней будет снижаться. А все потому – и из этого я исходил, – что снова став маленькой, Вселенная вернется в однородное и упорядоченное состояние. Это означало бы, что фаза сжатия – это нечто вроде обращенной во времени фазы расширения. В фазе сжатия жизнь текла бы вспять: люди сначала умирали бы, а уже потом рождались – в процессе сжатия Вселенной они становились бы все моложе.

Привлекательность этой идеи в том, что она дает замечательную симметрию между фазами расширения и сжатия. Но эту концепцию нельзя принять саму по себе, не поставив во взаимосвязь с другими представлениями о Вселенной. Вопрос состоит в том, обусловлена ли гипотеза условием отсутствия границ или же, наоборот, противоречит ему. Как уже сказано выше, поначалу я полагал, что условие отсутствия границ действительно означает уменьшение беспорядка в фазе сжатия. Меня в некоторой мере сбила с толку аналогия с поверхностью Земли. Если считать, что начало Вселенной соответствует Северному полюсу, то ее конец должен быть подобен ее началу, совсем как Южный полюс подобен Северному. Но Северный и Южный полюсы соответствуют началу и концу Вселенной во мнимом времени, в действительном времени они значительно отличаются друг от друга. Другая причина моего заблуждения – собственные расчеты для упрощенной модели Вселенной, где фаза коллапса выглядела как обращенная во времени фаза расширения. Мой коллега Дон Пейдж из Пенсильванского университета однако отметил, что условие отсутствия границ не означает, что фаза сжатия обязательно представляет собой обращенную во времени фазу расширения. Более того, один из моих аспирантов, Реймонд Лафламм, обнаружил, что в несколько усложненной модели коллапс Вселенной разительным образом отличается от ее расширения. Я понял, что ошибался: условие отсутствия границ на самом деле предполагает, что степень беспорядка в фазе сжатия продолжает увеличиваться. В сжимающейся Вселенной, а также внутри черных дыр термодинамическая и психологическая стрелы времени не обращаются.

Как же следует поступать, обнаружив подобную ошибку? Некоторые никогда не признают своей неправоты и продолжат искать новые и зачастую противоречивые доводы в пользу своей точки зрения – как это делал Артур Стэнли Эддингтон, оспаривая теорию черных дыр. Другие станут утверждать, что на самом деле никогда не отдавали предпочтения неверной точке зрения или, если и высказывались в ее пользу, то только для того, чтобы показать ее внутренние несоответствия. По-моему, куда лучше не сбивать никого с толку, а публично признать свой просчет. Хорошим примером может служить Альберт Эйнштейн, назвавший космологическую постоянную, введенную при попытке построить статическую модель Вселенной, самой большой ошибкой своей жизни.

Вернемся теперь к стреле времени. У нас остался вопрос: почему, согласно нашим наблюдениям, термодинамическая и космологическая стрелы времени указывают в одну сторону? Или, другими словами, почему степень беспорядка растет в том же направлении времени, в каком расширяется Вселенная? Если считать, что Вселенная продолжит расширяться, а после перейдет к сжатию, как, кажется, следует из принципа отсутствия границ, то вопрос, скорее, в следующем: что, собственно, указывает на то, что мы находимся в расширяющейся, а не сжимающейся Вселенной?

Для ответа на этот вопрос обратимся к слабому антропному принципу. Условия в фазе сжатия непригодны для существования разумных существ, способных задать вопрос: почему степень хаоса растет в том же направлении времени, в каком расширяется Вселенная? Принцип отсутствия границ предсказывает инфляционное увеличение размеров Вселенной на ранних стадиях эволюции, и это означает, что Вселенная должна была расширяться со скоростью, близкой к критическому значению – у самого порога сжатия. Стало быть, до начала сжатия пройдет еще очень много времени. К тому моменту все звезды исчерпают запасы топлива, а содержащиеся в них протоны и нейтроны, скорее всего, распадутся на более легкие частицы и излучение. Вселенная окажется в состоянии почти полного беспорядка, и в ней не будет места для четко выраженной термодинамической стрелы времени: степень хаоса не сможет сильно возрасти, поскольку уже будет крайне высока. Вместе с тем для функционирования разумной жизни необходимо наличие внятной термодинамической стрелы времени. Чтобы выжить, люди должны употреблять пищу – а это упорядоченная форма энергии – и преобразовывать ее в тепло, то есть энергию в неупорядоченной форме. Таким образом, в фазе сжатия разумная жизнь во Вселенной существовать не может. Вот почему мы наблюдаем термодинамическую и космологическую стрелы времени направленными в одну сторону. Не расширение Вселенной приводит к росту степени беспорядка: к ее росту ведет условие отсутствия границ, обеспечивая пригодные условия для разумной жизни только в фазе расширения.