Книга Вечность. В поисках окончательной теории времени - Шон Кэрролл

Возможно, вы думаете, что на самом-то деле эволюция ограничена: например, энтропия планеты могла бы быть намного выше, если бы вся ее масса сколлапсировала в черную дыру, но внутреннее давление удерживает ее в стабильном состоянии. Здесь в игру вступает чудо квантовой механики. Вспомните, что на самом деле планета — это не набор классических частиц; как и любой другой объект, она описывается волновой функцией. Эта волновая функция характеризует вероятность того, что мы найдем составляющие планеты в любой из возможных для них конфигураций. Одной из возможных конфигураций неизбежно будет черная дыра. Другими словами, у внешнего наблюдателя, смотрящего на планету (или на любой другой объект), всегда есть крохотный шанс увидеть спонтанный коллапс планеты в черную дыру. Этот процесс называется квантовым туннелированием.

Однако не стоит начинать беспокоиться раньше времени. Да, это правда. Практически у всего, что только можно найти во Вселенной, — Земли, Солнца, вас, вашей кошки — есть шанс в любой момент квантово протуннелировать в форму черной дыры. Но этот шанс чрезвычайно мал. Для того чтобы вероятность возросла настолько, чтобы к ней можно было относиться серьезно, должен пройти огромный промежуток времени — во много, много раз больше возраста Вселенной. Однако во Вселенной, которая живет вечно, это означает, что шансы однажды все-таки пронаблюдать такой результат довольно велики — более того, это неизбежно. Никакое скопление частиц не может существовать во Вселенной вечно, не меняя своего состояния. Вывод из всего этого таков: материя всегда найдет способ перейти в высокоэнтропийную конфигурацию, если таковая, в принципе, существует. Это может быть туннелирование в форму черной дыры или какие-то более приземленные варианты. Неважно, о каком комке материи во Вселенной идет речь; он может увеличить свою энтропию, испарившись в разреженный газ из частиц, уносящихся прочь в пустое пространство.

Энергия вакуума

Как мы обсуждали в главе 3, во Вселенной можно найти не только материю и излучение, там есть также темная энергия, ответственная за ускорение Вселенной. Мы не можем точно сказать, что такое темная энергия, но среди кандидатов на это звание в настоящее время лидирует «энергия вакуума», также известная под названием космологической постоянной. Энергия вакуума — это всего лишь постоянное значение энергии, присущей каждому кубическому сантиметру пространства, которое остается неизменным в пространстве и времени.

Существование темной энергии одновременно и упрощает наши идеи относительно высокоэнтропийных состояний в присутствии гравитации, и делает их более изощренными. Я говорил, что естественное поведение материи — рассеиваться по пустому пространству, которое, таким образом, становится наиболее вероятным кандидатом на звание состояния с максимальной энтропией. Во Вселенной, подобной нашей, где энергия вакуума мала, но все же больше нуля, этот вывод становится еще более здравым. Положительная энергия вакуума постоянно подталкивает расширение Вселенной, что поддерживает общую тенденцию материи и излучения к рассеиванию. Если в течение следующих нескольких лет человеческие существа сумеют создать машину или лекарство, обеспечивающие бессмертие, то космологам на протяжении своей бесконечной жизни придется наблюдать становящуюся все более пустой Вселенную. Звезды будут умирать, черные дыры испаряться, и все сущее будет разлетаться в стороны под воздействием ускорения, сообщаемого энергией вакуума.

В частности, если темная энергия — это действительно космологическая постоянная (а не что-то иное, что в конечном счете сойдет на нет), то мы можем быть уверены в том, что Вселенную никогда больше не ожидает Большое сжатие ни в какой форме. В конце концов, Вселенная не только расширяется, но и ускоряется, и это ускорение будет продолжаться вечно. Данный сценарий — и не будем забывать, что он остается наиболее популярным предсказанием эволюции реального мира среди современных космологов, — ярко иллюстрирует причудливую природу нашего низкоэнтропийного прошлого. Мы рассматриваем Вселенную, которая уже существовала какое-то фиксированное время в прошлом, но которую ждет бесконечное будущее. Первые несколько десятков миллиардов лет ее существования — это горячая, кипучая, сложная и интересная неразбериха, за которой последует бесконечный период холодной, пустой тишины. (За исключением редких статистических флуктуаций; см.следующий раздел.) Хотя это не более чем интуитивное ощущение, кажется излишним расточительством провести бесконечность в темном одиночестве после относительно волнующих и захватывающих ранних лет в прошлом нашей Вселенной.

Существование положительной космологической постоянной позволяет нам доказать хотя бы частично строгое утверждение, вместо того чтобы без конца развлекаться разнообразными мысленными экспериментами. Космическая теорема об отсутствии волос утверждает, что при традиционном наборе «разумных предположений» Вселенная с положительной энергией вакуума, включающая также несколько материальных полей, в конечном счете проэволюционирует в пустую Вселенную, не содержащую ничего, кроме энергии вакуума, — если, конечно, она просуществует достаточно долго для того, чтобы энергия вакуума одержала верх. Другими словами, космологическая постоянная всегда выигрывает.[255]

Окончательная Вселенная — пустое пространство с положительной энергией вакуума — называется пространством де Ситтера в честь нидерландского физика Виллема де Ситтера, одного из первых, после Эйнштейна, исследователей космологии в рамках общей теории относительности. Как мы уже упоминали в главе 3, пустое пространство с нулевой энергией вакуума известно как пространство Минковского, тогда как пустое пространства с отрицательной энергией вакуума — это пространство анти-де Ситтера. И хотя пространство—время в пространстве де Ситтера пусто, оно благодаря положительной энергии вакуума все же искривлено. Энергия вакуума, как мы знаем, постоянно подталкивает пространство к расширению. Если мы рассмотрим в пространстве де Ситтера две частицы, изначально находящиеся в состоянии покоя, то увидим, как вследствие расширения пространства они будут постепенно отдаляться друг от друга. Аналогично, если мы посмотрим на их движение в прошлом, то увидим, что они сближались, замедляясь, так как пространство между ними растягивалось.

Рис. 13.8. Три разные версии «пустого пространства» с разными значениями энергии вакуума: пространство Минковского, где энергия вакуума равна нулю, пространство де Ситтера, где она положительна, и пространство анти-де Ситтера, где она отрицательна. В пространстве Минковского две частицы, первоначально находившиеся в покое, остаются неподвижными по отношению друг к другу; в пространстве де Ситтера они разлетаются, а в пространстве анти-де Ситтера приближаются друг к другу. Чем больше значение энергии вакуума, тем сильнее разлет или сближение.