Книга О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог

которую мы наблюдаем. Напротив, при возникновении вселенных, у которых начальный инфлатон находится вблизи нижнего края своего энергетического плато, инфляция напоминает не взрыв, а какой-то шепот. Такие вселенные оказываются почти пустыми, лишенными галактик, и могут даже заново коллапсировать в виде «Большого схлопывания». Они на нашу Вселенную совершенно не похожи. К сожалению, теория об отсутствии границы, понятая буквально, соответствует именно таким вселенным. Получается, что, согласно этой теории, мы оказались в такой Вселенной, где нас быть не должно. Неудивительно поэтому, что большинству физиков оказалось трудно поддержать идею творения при отсутствии границы. И с тех самых пор, как Джим и Стивен выдвинули свою модель космогенеза, эта неприятная тема была настоящей «веревкой в доме повешенного».

Посмотрим на эту «веревку» поближе. Тайна запуска инфляции тесно связана с тайной стрелы времени, другой очевидной особенностью нашего мира. Из повседневного опыта нам предельно ясно, что существует определенное направление хода всех вещей. Яйцо можно разбить, но обратно в скорлупу его не соберешь. Фарш невозможно провернуть назад. Люди стареют, но не молодеют. Звезда коллапсирует в черную дыру, но снова достать ее оттуда уже не получится. И главное, мы помним прошлое, но не будущее. Эта универсальная направленность, эта стрела времени – один из самых мощных и универсальных принципов организации физического мира. Иначе просто никогда не бывает. Но как же время приобрело свою направленность?

В древности люди придерживались телеологического взгляда на природу. Очевидная направленность множества естественных процессов органично сочеталась с идеей Аристотеля о том, что все происходящее в Природе подчинено Конечной Цели. Сегодня мы, напротив, понимаем, что стрела времени происходит из тенденции к увеличению беспорядка. Подумайте о вашем кабинете или вашей спальне, хаос в которых неизменно растет, сколько бы усилий вы ни прилагали, чтобы навести там порядок. А дело просто в том, что способов устроить в кабинете беспорядок намного больше, чем способов там прибраться. Или возьмите мозаику – пазл, состоящий из множества кусочков. Встряхните как следует коробку, в которой лежит груда кусочков пазла, и вы будете безмерно удивлены, когда, высыпавшись оттуда, они сами сложатся в нужную картинку. Потому что есть множество беспорядочно сложенных конфигураций кусочков и только одна правильная. Эти примеры иллюстрируют универсальное свойство физических систем: есть гораздо больше способов прийти к беспорядку, чем к порядку. Вот почему физические системы обладают свойством развиваться в направлении роста беспорядка.

Ученые измеряют количество беспорядка в физической системе ее энтропией. Это понятие восходит к австрийскому физику XIX века Людвигу Больцману. Высокая энтропия означает, что система находится в очень беспорядочном состоянии; система с низкой энтропией хорошо упорядочена. Тенденция сложных физических систем развиваться в направлении состояний с более высокой энтропией (то есть еще одна квазиуниверсальная стрела) известна как второй закон термодинамики. Стрела энтропии – основа и источник стрелы времени.

Но здесь есть одна загадка. Очевидно, что энтропия может расти только, если вначале она низкая. Но почему вчера энтропия была ниже, чем сегодня? Как получилось, что мы разбили имеющее низкую энтропию яйцо, чтобы приготовить омлет? Яйца несут куры – системы с низкой энтропией, живущие на ферме, которая сама есть часть низкоэнтропийной биосферы. Чтобы поддерживать свое существование, биосфера Земли использует низкоэнтропийную энергию Солнца. А откуда взялось имеющее низкую энтропию Солнце? Оно возникло из очень низкоэнтропийного газового облака, которое коллапсировало почти пять миллиардов лет назад и которое само было остатком предыдущих поколений звезд. А что сказать о совсем уж низкоэнтропийном облаке газа, ответственном за образование самого первого поколения звезд? Его происхождение можно проследить вплоть до малых вариаций плотности горячего газа, заполнявшего раннюю Вселенную, причем зерна этих неоднородностей были, возможно, посеяны в ходе краткого всплеска инфляции.

И сама Вселенная в конце инфляции должна была иметь исключительно низкую энтропию.

Выходит, что история о курице и яйце говорит нам о чем-то очень глубоком. Она говорит нам, что исходный источник порядка, фундаментальная причина, по которой мы сегодня разбиваем низкоэнтропийные яйца, имеет отношение к нашему происхождению из Большого взрыва. Почти 14 миллиардов лет назад Вселенная родилась невероятно упорядоченным образом, и с тех пор мы в процессе ее естественной эволюции движемся ко все большему беспорядку. Стрела времени, которая разделяет прошлое и будущее, пожалуй, самый основной элемент нашего опыта, находит свое происхождение в этом крайне упорядоченном, низкоэнтропийном состоянии первичной Вселенной. И это, возможно, самое таинственное из ее благоприятствующих жизни свойств. Как случилось, что Вселенная появилась на свет в состоянии со столь исключительно низкой энтропией? Или всплеск инфляции каким-то образом хитроумно понизил энтропию очень ранней Вселенной, нарушив второе начало термодинамики? Нет, этого не было: в ходе инфляции общая энтропия росла (хоть и медленнее, чем могла бы) и продолжала расти на всем протяжении эволюции космоса.

На эту загадку особое внимание обратил Пенроуз. Он называл инфляцию не иначе как «фантазией». Для запуска инфляции инфлатонное поле должно было находиться в состоянии исключительно низкой энтропии, на самой вершине своей энергетической кривой, что Пенроуз считает его ничем не оправданной и необъяснимой начальной тонкой настройкой. Но сращивание инфляционной теории с квантовой космологией потенциально способно снять возражения Пенроуза. Взятая в качестве теории, объединяющей динамику с начальными условиями, гипотеза об отсутствии границы обладает некоторой «встроенной» временной асимметрией: гладкое инфляционное рождение на одном конце космологической истории и бессрочно длящееся хаотическое состояние беспорядка на другом. Однако в этой стреле времени, заданной предложением об отсутствии границы, не отыскать силы, достаточной, чтобы вдохнуть во Вселенную жизнь. В этой теории инфлатон помещается лишь чуть выше по склону энергетического холма, в состоянии с умеренной энтропией. Схема Джима и Стивена, как видно, предполагает создание Вселенной «не взрывом, но всхлипом»[129]. Итак, гипотеза об отсутствии границы, возможно, элегантна, глубока, прекрасна, но она не работает. Победа остается за вторым началом термодинамики.

Оставался лишь один слабый проблеск надежды. Эта надежда таилась глубоко в квантовых основаниях гипотезы об отсутствии границы. Предложение об отсутствии границы, определяя волновую функцию Вселенной, не устанавливает абсолютный минимум инфляции как единственно возможное исходное условие, но описывает рождение Вселенной туманным, вероятностным образом. Как волновая функция единичного электрона охватывает все разнообразие электронных траекторий, со своей собственной амплитудой для каждой траектории, так и волновая функция отсутствия границы распространяется на целый ряд инфляционных вселенных, у каждой из которых своя стартовая величина инфлатона. Другими словами, квантовая Вселенная – это не единое расширяющееся пространство, но живущие в суперпозиции различные возможные истории расширения – как Док Браун объясняет это Марти на классной доске в фильме «Назад в Будущее».

Чтобы как-то представить себе этот абстрактный квантовый космос, снова рассмотрим расширяющуюся Вселенную, имеющую