Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Жизнь и смерть Вселенной




Читайте также:
  1. I. Смерть Ивана
  2. III. Семейная жизнь Ивана
  3. Kак силой мысли воплотить в жизнь свои желания?
  4. VII. Жизнь благородная и жизнь пошлая, или энергия и косность
  5. VII. Жизнь благородная и жизнь пошлая, или энергия и косность.
  6. VII. Жизнь высокая и низменная, или рвение и рутина
  7. X е и Л. Исцели свою жизнь, свое тело, Сила внутри нас / Пер. Т. Гейл. — Ltd «Ritas», 1996.
  8. XV Граограман, Огненная Смерть
  9. А. Васильев (1993) «СМЕРТЬ» ВУДИ АЛЛЕНА
  10. А. Васильев (1993)«СМЕРТЬ» ВУДИ АЛЛЕНА

 

Теперь обратимся к самому важному вопросу, который можно задать о нашей Вселенной: почему в ней возможно существование жизни? В основном потому, что время реально.

Вселенная должна обладать свойствами, объяснимыми лишь если время является фундаментальным понятием. (А если предположить обратное, эти свойства должны казаться таинственными и случайными.) Действительно, есть такие свойства. Они связаны с тем, что наша Вселенная обладает историей и развивалась от простой к сложной. Это определяет направленность времени. Мы говорим о Вселенной, имеющей стрелу времени. Такая направленность маловероятна в мире, в котором время является несущественным или второстепенным.

Посмотрите вокруг – все равно, невооруженным глазом либо с помощью самых мощных телескопов, – и вы убедитесь, что Вселенная структурирована и сложна. Сложность, конечно, является маловероятным явлением. Это требует объяснения. Ничто не может перейти сразу от простой организации к очень сложной. Высокая сложность требует нескольких шагов. Это происходит последовательно, что предполагает упорядочивание событий во времени.

Все научные объяснения сложности требуют истории, в ходе которой сложность возрастает медленно и постепенно. (Похоже на “восхождение на пик Невероятности” у Ричарда Докинза[157].) Таким образом, у Вселенной должна быть история, которая разворачивалась во времени. Чтобы объяснить, как Вселенная развилась до своего нынешнего состояния, необходим причинно-следственный порядок.

Согласно физикам XIX века и некоторым современным космологам-теоретикам, принимающим вневременную картину природы, сложность, которую мы наблюдаем, является случайной и, следовательно, преходящей. По их мнению, Вселенная обречена на то, чтобы завершить эволюцию в состоянии равновесия. В этом состоянии (“тепловая смерть”) материя и энергия равномерно распределены по Вселенной, и ничто не происходит, кроме редких случайных флуктуаций[158]. Практически без исключений эти флуктуации сразу же рассеиваются, не образуя ничего нового. Но, как я объясню в этой и в следующей главах, принципы новой космологической теории (см. главу 10) помогут понять, почему развитие Вселенной с возрастающей сложностью естественно и необходимо.



Итак, перед нами два сценария, описывающие очень разное будущее Вселенной. В первом сценарии будущего нет, потому что нет времени. Время – это иллюзия, в лучшем случае – мера изменения. Эта иллюзия пройдет, когда закончатся изменения. В моем сценарии, привязанном к времени, Вселенная – это процесс воспроизводства новых явлений и состояний. Она постоянно обновляется по мере того, как эволюционирует во все более сложные и высокоорганизованные состояния. Результаты наблюдений однозначно говорят, что с течением времени Вселенная становится все интереснее. Вначале она была заполнена равновесной плазмой. Из простейшего состояния она превратилась в очень сложную структуру, наблюдаемую на всех уровнях в широком диапазоне масштабов – от скоплений галактик до молекул[159].

Постоянство роста и усложнения этой структуры вызывает недоумение, потому что оно исключает простое объяснение, гласящее, что все это случайность. Трудно представить случайное образование структур, которые сохраняются миллиарды лет и сложность которых при этом растет. И если бы наблюдаемая нами сложность была случайной, со временем она почти наверняка уменьшалась бы, а не росла.



Предсказание о “тепловой смерти” – еще один шаг к изгнанию времени из физики и космологии. Оно сродни догадке древних о том, что естественное состояние Вселенной – неизменность. Старейшая космологическая концепция гласит, что естественным состоянием мира является равновесие, при котором все на своих местах и не испытывает каких-либо побуждений к организации. В этом суть космологии Аристотеля (см. главу 2), в рамках которой всему присуще естественное движение: земля стремится к центру мира, а воздух – вверх.

Единственной причиной изменений в подлунном мире, по Аристотелю, могут быть другие источники движения, заставляющие вещи менять положение. Источниками насильственного движения являются, например, люди и животные. Есть и другие источники. Горячая вода включает в себя воздух и, частично принимая естественное его восходящее движение, поднимается до тех пор, пока воздух не остынет. В этот момент вода изгоняет из себя воздух – и выпадает дождь. Так или иначе, источником любого насильственного движения выступает Солнце. Если бы подлунный мир был отсоединен от небесного и предоставлен сам себе, то все пришло бы в равновесие.

Современные физики имеют собственное понятие о равновесии, которое характеризуется законами термодинамики. Это относится к физике в “ящике”. Законы термодинамики работают в случае замкнутых систем, которые с окружающей средой не обмениваются ни энергией, ни материей.

Не следует путать равновесие Аристотеля и Ньютона с современным понятием термодинамического равновесия. Равновесие по Аристотелю и Ньютону проистекает из баланса сил. Мост держится, потому что силы, действующие на каждую его ферму и заклепку, сбалансированы. Равновесие в современной термодинамике совершенно иное. Оно относится к системам с очень большим числом частиц и оперирует понятиями теории вероятностей.



Прежде чем говорить о “тепловой смерти” Вселенной, следует убедиться, что мы точно понимаем термины, прежде всего энтропию и второе начало термодинамики.

 

Современная термодинамика включает два уровня описания: 1) микроскопический , то есть точное описание положения и движения всех атомов в любой системе (микросостояние), и 2) макроскопический (макросостояние системы – приблизительное описание в терминах нескольких переменных, таких как температура и давление газа). Изучение системы в термодинамике сводится к исследованию взаимосвязи между этими двумя уровнями.

Вот простой пример – кирпичное здание. Макросостоянием здесь выступает чертеж. Микросостояние описывает каждый кирпич. Архитектор должен лишь распорядиться возвести стены с определенными параметрами, с проемами для окон и дверей. Его не интересует, где какие кирпичи окажутся. Большинство кирпичей идентичны, и если два кирпича поменять местами, никакого влияния на постройку это не окажет. Таким образом, существует огромное количество микросостояний, которые описываются одинаковым макросостоянием.

Теперь рассмотрим Музей им. Гуггенхайма, построенный в Бильбао по проекту Фрэнка Гери. Внешняя поверхность здания состоит из металлических листов. Чтобы сделать криволинейные поверхности для этой конструкции, каждый лист должен быть индивидуален, и важно, куда его установят. Здание примет форму, соответствующую замыслу архитектора, лишь если каждый лист окажется на своем месте. В данном случае чертеж также представляет собой макросостояние, а набор инструкций для каждого листа – микросостояние. Но, в отличие от большинства кирпичных зданий, здесь нет свободы изменять микросостояния. Существует лишь одно микросостояние, которое соответствует своему макросостоянию.

Концепция, объясняющая, сколько микросостояний могут соответствовать одному макросостоянию, позволяет нам оценить, почему Гери является революционером. Эта концепция называется энтропией . Энтропия здания – это мера количества способов сложить части так, чтобы воплотить чертеж. Здание из обычного кирпича характеризуется очень высокой энтропией. Здания по проекту Гери могут иметь энтропию, равную нулю[160].

Энтропия является величиной, обратной по отношению к информации . Чтобы описать здание Гери, требуется много информации, потому что вы должны точно указать, как изготовить каждый элемент, и точно определить его место. Гораздо меньше информации нужно, чтобы определить дизайн кирпичного здания: все, что вам нужно знать – это параметры стен.

Как это работает в физике? Рассмотрим контейнер, заполненный газом, состоящим из очень большого количества молекул. Фундаментальное описание системы – микроскопическое. Оно говорит, где каждая молекула находится и как движется. Это огромное количество информации. Но есть и макроскопическое описание, в котором газ описывается через плотность, температуру и давление.

Описание плотности и температуры требует гораздо меньше информации, чем необходимо, чтобы сказать, где находится каждый атом. Следовательно, есть простой способ переводить микроскопическое описание в макроскопическое, но не наоборот. Если известно, где каждая из молекул, то вы знаете плотность и температуру, которая является средней энергией движения. Но наоборот сделать невозможно: есть множество способов того, как атомы могут быть организованы микроскопически, что в результате даст такое же состояние с теми же плотностью и температурой. Переходя от микросостояний к макросостоянию, полезно подсчитать, сколько микросостояний согласуется с данным макросостоянием. Как и в архитектурном примере, это число задается энтропией макроскопической конфигурации. Обратите внимание: энтропия – свойство лишь макроскопического описания. Энтропия, следовательно, является системным свойством, и нет смысла приписывать ее микросостояниям системы.

Следующий шаг: связываем понятия энтропии и вероятности. Это можно сделать, предположив, что все микросостояния одинаково вероятны. Данный физический постулат подтверждается тем, что атомы газа находятся в хаотическом движении, которое делает их перемещения равновероятными. Чем выше энтропия макросостояния, тем вероятнее, что оно реализуется. Наиболее вероятное макросостояние, учитывая, что микросостояния случайны, называется состоянием равновесия. Оно также обладает наибольшей энтропией.

Разделите кошку на атомы. Перемешайте их. Существует гораздо больше микросостояний кошачьих атомов, случайным образом перемешанных в воздухе комнаты, чем микросостояний собранной из тех же атомов кошки на диване. Кошка – в высшей степени невероятный случай организации атомов, и, следовательно, по сравнению с теми же рассеянными в воздухе атомами, она характеризуется низким значением энтропии и высоким – информации.

Атомы газа движутся хаотично. Когда они сталкиваются, направление их движения меняется более или менее произвольно. Таким образом, время, как правило, делает микросостояния случайнее. Если микросостояние не было случайным, то довольно скоро оно станет таковым. И если мы начнем с равновесного макросостояния с низкой энтропией, то, скорее всего, его энтропия возрастет. Это второе начало термодинамики.

Поставим эксперимент. Для этого нужны игральные карты. Предположим, что карты в колоде расположены по порядку. После этого раз в секунду они перетасовываются. Каждая перетасовка делает порядок более случайным. Энтропия, как правило, возрастает. После нескольких перетасовок порядок карт нельзя будет отличить от случайного. Ни намека на первоначальный порядок, по сути, уже нет.

Эта закономерность отражена во втором начале термодинамики. В контексте нашего эксперимента этот закон гласит: перетасовка колоды будет стремиться уничтожить любой начальный порядок карт, заменив его случайным.

Но энтропия возрастает не всегда. Так, возвращение к первоначальному порядку в колоде снижает энтропию. Однако гораздо вероятнее разупорядочение карт и, соответственно, увеличение энтропии. Чем больше в колоде карт, тем меньше вероятность того, что их перетасовка восстановит начальный порядок. Следовательно, тем больше интервалы времени между такими перетасовками, которые восстанавливают порядок в колоде. Тем не менее, пока число карт конечно, есть конечное время, за которое (при ежесекундной перетасовке) порядок с некоторой конечной вероятностью восстановится, – время возвращения Пуанкаре . Если вы следите за системой гораздо более короткое время, то, скорее всего, заметите лишь возрастание энтропии. А если наблюдать за системой в течение времени более длительного, чем время возвращения Пуанкаре, то, скорее всего, отметите и уменьшение энтропии.

Пример справедлив и для газа. Здесь также упорядоченная конфигурация атомов, например конфигурация, в которой все атомы находятся в одной половине объема и движутся в одном направлении. Эти конфигурации аналогичны тем, в которых все карты упорядочены. Но, хотя эти упорядоченные конфигурации атомов и существуют, они гораздо менее вероятны, нежели конфигурации, в которых атомы размещены в случайном порядке по всему объему и двигаются в случайных направлениях.

Если начать с конфигурации, в которой все атомы находятся в одном углу объема и движутся в одном направлении, мы увидим, что по мере того, как они рассеиваются, они распределятся по всему объему. Через некоторое время атомы полностью перемешаются и плотность атомов в объеме станет однородной.

Примерно с той же скоростью направления, в которых атомы движутся, а также их энергии приобретут случайные значения, поскольку атомы сталкиваются. В итоге большинство атомов приобретет энергию, близкую к средней, которая и является температурой.

Как бы необычен ни был порядок начальной конфигурации, через некоторое время плотность и температура газа в объеме будут распределены равномерно. Это состояние равновесия. Достигнув равновесия, газ, скорее всего, останется в этом состоянии.

Второе начало термодинамики в этом контексте утверждает, что за короткое время наиболее вероятное изменение энтропии является положительным или, по крайней мере, нулевым. Если вы начинаете с неравновесного состояния, то начинаете с менее вероятной конфигурации и, следовательно, с более низкого значения энтропии. Наиболее вероятно, что в дальнейшем конфигурация из-за столкновений атомов станет более вероятной. Энтропия возрастет. Если вы начинаете с равновесного состояния, в котором энтропия максимальна, то, поскольку конфигурация уже разупорядочена, то, скорее всего, она таковой и останется. Но если наблюдать за поведением атомов очень долго, то, как отмечалось, маловероятные флуктуации могут привести газ в более упорядоченное состояние. Наиболее вероятными среди флуктуаций являются незначительные отклонения плотности газа от среднего значения в ту или иную сторону в разных частях объема. Гораздо менее вероятно, что все атомы снова соберутся в одном углу объема. Но если наблюдать достаточно долго, то такие ситуации тоже будут возникать. Пока число атомов конечно, будут происходить флуктуации, приводящие к любой конфигурации атомов, какими бы редкими они ни были.

Впрочем, ждать физических последствий таких флуктуаций не придется. Эйнштейн исследовал флуктуации молекул в жидкости, чтобы продемонстрировать существование атомов. Он предположил, что жидкости, например вода, состоят из молекул, находящихся в случайном движении, и задумался, как это движение влияет на пыльцу растений в воде. Молекулы воды слишком малы, чтобы их увидеть, но их влияние прослеживается в движении пыльцы, размеры зерен которой достаточно крупны, чтобы рассмотреть их в микроскоп. Зерно пыльцы, бомбардируемое множеством молекул воды, совершает некий танец.

Измеряя, насколько энергичен танец зерна, можно вывести, сколько молекул и с какой силой ударяют по его поверхности каждую секунду. В одной из статей 1905 года Эйнштейн сделал проверяемые предсказания (позднее они подтвердились) о свойствах атомов и, кроме прочего, определил количество атомов в грамме воды[161]. Из этого и подобных экспериментов мы знаем, что флуктуации реальны.

Существование флуктуаций решает парадокс, озадачивавший первых исследователей термодинамики. Первоначально законы термодинамики не учитывали атомы и вероятности. Газы и жидкости рассматривались как непрерывные вещества, энтропия и температура были определены без понятия вероятности, как если бы они имели фундаментальное значение. Второе начало в оригинальной формулировке гласило, что в любом процессе энтропия либо остается на прежнем уровне, либо возрастает. Другой закон гласил, что если энтропия максимальна, температура в системе везде одинакова.

В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл и Людвиг Больцман разработали гипотезу о том, что материя состоит из хаотично двигающихся атомов, и пытались вывести законы термодинамики, опираясь на статистические законы движения большого числа атомов. Они предположили, что температура – лишь мера средней энергии случайного движения атомов. Максвелл и Больцман ввели понятие энтропии и сформулировали второе начало термодинамики в том виде, как я привожу его здесь.

Большинство физиков тогда не верили в существование атомов. Следовательно, они отвергли усилия, направленные на обоснование законов термодинамики движением атомов, и предложили убедительные доводы в пользу того, что законы термодинамики не могут быть выведены из этого движения. Вот один из таких доводов: законы движения, которым атомы (если они существуют) должны подчиняться, обратимы во времени (см. главу 5). Если снять фильм о группе атомов, движущихся в соответствии с законами Ньютона, и прокрутить пленку наоборот, движение атомов также будет соответствовать законам Ньютона. Но второе начало термодинамики не является обратимым, поскольку оно предполагает, что энтропия всегда увеличивается либо остается на прежнем уровне. Скептики говорили: нельзя необратимый во времени закон вывести из законов, обратимых во времени, регулирующих движение гипотетических атомов.

Верный ответ дали Пауль и Татьяна Эренфест, протеже Больцмана и позднее друзья Эйнштейна[162]. Они показали, что второе начало в первоначальной формулировке неверно. Энтропия иногда уменьшается, просто это маловероятно. Если ждать достаточно долго, то флуктуации иногда приводят к уменьшению энтропии системы. Поэтому флуктуации являются необходимой частью истории о том, как термодинамика смирилась с существованием атомов, подчиняющимся фундаментальным законам, обратимым во времени.

Но и правильная картина мира кажется лишенной надежды на светлое будущее: любая замкнутая система, построенная на этих принципах, в конце концов перейдет в состояние равновесия, после чего уже не будет никакого реального накопительного изменения, никакого роста структуры и увеличения сложности, – а лишь бесконечное равновесие, нарушаемое случайными флуктуациями.

Вселенная в равновесии не может быть сложной, поскольку случайные процессы, которые приводят ее в равновесие, уничтожают организацию. Но это означает, что сложность системы сама по себе может быть измерена в рамках понятия энтропии. Чтобы в полной мере охарактеризовать сложность системы, мы должны выйти за рамки понятий термодинамики равновесия (см. главу 17).

 

Когда мы рассматриваем космологию с точки зрения термодинамики, вопрос, почему Вселенная становится все интереснее, озадачивает. С точки зрения ньютоновой парадигмы, Вселенная представляет собой решение уравнений некоего закона. Этот закон природы может быть аппроксимирован с помощью объединения общей теории относительности и стандартной модели физики элементарных частиц. Но детали такого объединения здесь не имеют значения. Решение, которое управляет Вселенной, отбирается из бесконечного множества и может быть получено путем выбора начальных условий в момент Большого взрыва.

Из термодинамики известно, что почти каждое решение уравнений физики описывает Вселенную в равновесии: определение равновесного состояния заключается в том, что оно состоит из наиболее вероятных конфигураций. Вот еще следствие равновесия: типовое решение уравнений симметрично по времени. То есть локальные флуктуации в более упорядоченные состояния столь же вероятны, как и в менее упорядоченные. Прокручивая пленку вперед-назад, мы получаем равновероятные истории. Общей стрелы времени нет.

Наша Вселенная совсем не похожа на эти типовые решения уравнений. Даже сейчас, спустя более чем 13 миллиардов лет после Большого взрыва, она не находится в равновесии. И решение, которое ее описывает, время-асимметрично. Эти свойства чрезвычайно маловероятны, если предположить, что решения уравнений, описывающие Вселенную, выбраны случайно. Вопрос, почему Вселенная сложна, по-видимому, сродни вопросу о том, почему второе начало термодинамики, которое должно было привести Вселенную к тепловому равновесию, до сих пор этого не сделало.

 

Первичным признаком того, что Вселенная не находится в тепловом равновесии, выступает стрела времени. Его ход сильно асимметричен. Мы ощущаем себя в движении из прошлого в будущее. Бесчисленные явления свидетельствуют о направленности времени. Многие вещи необратимы: автомобильная авария, неудачная фраза. Горячая чашка остывает. Сахар растворяется в кофе. Чашка разбивается. Мы стареем. Книги и фильмы, персонажи которых проживают жизнь от старости до младенчества, – фантастика[163].

В равновесии нет стрелы времени. Здесь порядок можно увеличить лишь временно, посредством случайной флуктуации. Эти отклонения от равновесия выглядят в среднем одинаково вне зависимости от времени. Если вы сняли фильм о движении атомов в газе в состоянии равновесия и прокрутили его наоборот, вы не сможете указать оригинальную версию. Но наша Вселенная совсем не такая.

Стрела времени требует объяснения, потому что фундаментальные законы физики симметричны относительно времени. Любое решение уравнений для этих законов имеет парное решение, со временем, развернутым в обратном направлении (правда, левое здесь заменено на правое, а частицы – на античастицы). Таким образом, фундаментальные законы не будут нарушены, если некоторые люди проживут свой век в обратном направлении, или кофе, оставленный на столе, вдруг нагреется, или соберется разбитая чашка.

Но почему этого не случится? И почему разные асимметрии времени направлены в сторону увеличения беспорядка? Иногда эта проблема называется проблемой стрелы времени . Во Вселенной их несколько.

Вселенная расширяется, а не сжимается. Это космологическая стрела времени . Малые части Вселенной, предоставленные сами себе, имеют тенденцию разупорядочиваться (пролитое молоко, равновесный газ и так далее). Это термодинамическая стрела времени . Люди, животные и растения рождаются, растут, умирают. Это биологическая стрела времени . Мы ощущаем время, текущее из прошлого в будущее. Мы помним прошлое, но не будущее. Это эмпирическая стрела времени . Менее очевидная, но не менее важная стрела времени – электромагнитная . Свет движется из прошлого в будущее. Следовательно, свет, который достигает наших глаз, дает нам представление о прошлом мира, а не о его будущем. Световые волны возникают при движении электрических зарядов. Стоит пошевелить электрический заряд, и начнет распространяться свет, причем всегда в направлении будущего. Это, вероятно, применимо и к гравитационным волнам. Поэтому существует гравитационная стрела времени .

В нашей Вселенной, по-видимому, множество черных дыр. Черная дыра сильно асимметрична во времени. Любое тело может быть поглощено ею, но выходит из нее лишь тепловое излучение Хокинга. Черная дыра превращает все в равновесный газ фотонов. Этот необратимый процесс производит много энтропии.

А белые дыры? Эти гипотетические объекты возникают в решениях уравнений ОТО. Они получаются при изменении направления времени в решении для черных дыр. Белые дыры ведут себя противоположным черным дырам образом. Ничто не может упасть в белую дыру, но выйти из нее может все. Белая дыра может выглядеть как самопроизвольное появление звезды. Вы получите белую дыру, если снимете фильм про коллапс звезды в черную дыру и запустите его наоборот. Астрономы пока не наблюдали ничего, что можно было бы счесть белой дырой.

Даже если вы принимаете во внимание лишь черные дыры, наша Вселенная кажется странной. Согласно уравнениям ОТО, она вполне могла быть изначально заполнена черными дырами. Но, возможно (см. главу 11), в ранней Вселенной вообще не было черных дыр. Все черные дыры, которые мы знаем, образовались вскоре после Большого взрыва в результате коллапса массивных звезд.

Почему есть лишь черные дыры, но не белые? И почему в ранней Вселенной черные дыры отсутствовали? Возможно, стрела времени указывает на отсутствие черных дыр в ранней истории Вселенной.

Может быть, в галактике на другой стороне Вселенной некоторые из стрел времени смотрят в обратную нашей сторону? Этому нет свидетельств. Мы могли бы жить в мире, в котором некоторые стрелы времени меняют направление в зависимости от места, но, очевидно, здесь этого не происходит. Почему?

Стрелы времени являются такими свойствами нашей Вселенной, которые требуют объяснения. Любое объяснение опирается на допущения о природе времени. Объяснение, предложенное теми, кто полагает, что время возникает из вневременного мира, будет отличаться от основанного на гипотезе о том, что время фундаментально и реально. С этим связан вопрос, обратимы ли во времени законы физики. В главе 5 отмечалось: тот факт, что законы природы обратимы во времени, может быть принят в качестве доказательства того, что время не является основополагающим понятием. Как объяснить стрелы времени, если законы обратимы во времени? Как стрелы времени, каждая из которых представляет асимметрию во времени, могли возникнуть из симметричных относительно времени законов?

Ответ в существовании начальных условий. Законы могут быть симметричны относительно направления времени, но начальные условия не должны быть таковыми. Начальные условия могут эволюционировать в конечные, которые легко отличить. Фактически это и произошло: начальные условия нашей Вселенной, вероятно, были точно настроены на создание такой Вселенной, которая является асимметричной во времени.

Начальная скорость расширения Вселенной, которая определяется начальными условиями, возможно, была оптимизирована для эффективного производства галактик и звезд. Если бы расширение шло гораздо быстрее, плотность Вселенной быстро снижалась бы, не позволяя звездам и галактикам формироваться. Если бы расширение шло гораздо медленнее, Вселенная могла схлопнуться в сингулярность задолго до того, как сформируются галактики и звезды. Скорость расширения была идеальной для образования множества звезд. Именно они миллиарды лет излучают горячие фотоны в холодный космос и удерживают Вселенную от равновесия. Так объясняется термодинамическая стрела времени.

Электромагнитная стрела времени также может быть объяснена симметричными во времени начальными условиями[164]. В ранней Вселенной не было электромагнитных волн. Свет появился позднее, после возникновения материи. Это объясняет то, почему световые изображения несут информацию о материи. Если бы мы жили просто по законам электромагнетизма, все могло быть иначе. Уравнения электромагнетизма допускают существование Вселенной, в которой свет распространяется свободно. То есть свет мог сформироваться непосредственно в момент Большого взрыва, а не позднее. В такой Вселенной, как наша, любые изображения и информация о материи, переносимые светом, были бы задавлены светом, исходящим непосредственно от Большого взрыва. Мы не увидели бы ни звезд, ни галактик. Мы могли бы увидеть просто беспорядок. Свет, образованный в результате Большого взрыва, мог переносить изображения событий, которые никогда не происходили, например образы сада со слонами, жующими гигантскую спаржу.

Так Вселенная могла бы выглядеть, если бы мы сняли кинофильм о ней в далеком будущем и прокрутили его наоборот. В далеком будущем будет распространяться много световых изображений – образы вещей, которые существовали. Но если мы прокручиваем фильм назад, мы видим, что Вселенная наполнена образами событий, которые еще не происходили. Действительно, световое изображение будет “втекать” в событие, представленное этим изображением, и заканчиваться в нем. Свет, который мы увидели бы, рассказал бы нам лишь о тех событиях, которых не было. Мы не живем в такой Вселенной, но могли бы, если возможные Вселенные соответствуют решениям уравнений физики. Чтобы объяснить, почему мы видим лишь то, что происходит или произошло, и никогда не видим того, что еще не случилось и не случится, мы должны ввести жесткие начальные условия. Они запрещают свободное распространение любых световых изображений в ранней Вселенной. Это сильно асимметричное условие необходимо для объяснения электромагнитной стрелы времени.

Похожие начальные условия требуются для стрел времени, соответствующих гравитационным волнам и черным дырам. Если фундаментальные законы симметричны относительно хода времени, нагрузка в ответе на вопрос, почему наша Вселенная асимметрична во времени, ложится на выбор начальных условий. Так что придется наложить условие отсутствия в ранней Вселенной свободно распространяющихся гравитационных волн, черных и белых дыр.

Об этом писал Роджер Пенроуз. Для объяснения он предложил гипотезу кривизны Вейля [165]. Кривизна Вейля – это математическая величина, которая принимает ненулевое значение в присутствии гравитационного излучения, белых или черных дыр. Принцип Пенроуза заключается в том, что в начальной сингулярности эта величина была равна нулю. Это, указывает Пенроуз, согласуется с тем, что мы знаем о рождении Вселенной. Это асимметричное относительно времени условие, поскольку оно, конечно, не выполняется в более поздней Вселенной: там множество гравитационных волн и черных дыр. Следовательно, утверждает Пенроуз, чтобы описать наблюдаемую Вселенную, это асимметричное условие должно быть наложено на выбор (время-симметричного) решения уравнений ОТО. То, что для описания нашей Вселенной требуются асимметричные начальные условия, ослабляет довод в пользу нереальности времени из-за симметричных относительно времени законов. Нельзя игнорировать роль начальных условий и заявлять, что прошлое похоже на будущее. Чтобы хотя бы грубо описать Вселенную, начальные условия должны быть очень не похожими на нынешние[166].

Упор делается на начальные условия. Но у нас нет рационального объяснения, как они были выбраны, так что мы зашли в тупик и оставили важнейший вопрос о нашей Вселенной без ответа.

Есть и другой, гораздо более простой вариант. Мы считаем, что наши законы являются аппроксимацией некоторого фундаментального закона. Что если этот закон асимметричен относительно стрелы времени?

Если основной закон асимметричен, такими же будут и большинство его следствий[167]. Не будет составлять проблему объяснение того, почему мы не наблюдаем несуразности при протекании природных процессов обратно во времени. Действительно, обратимые во времени решения уравнений не будут следовать из этого закона. И тогда тайна, почему мы видим изображения прошлого, но не будущего, будет раскрыта. То, что Вселенная сильно асимметрична во времени, будет объясняться асимметрией во времени основного закона. Время-асимметричная Вселенная не будет представляться маловероятной. Она станет необходимостью.

Это, насколько я понимаю, имел в виду Пенроуз. Различие между физикой в районе начальной сингулярности и физикой более поздней Вселенной вытекает из квантовой теории гравитации, которая в представлении Пенроуза должна быть сильно время-асимметричной теорией. Но во время-асимметричной теории неестественно представить время возникающим. Если фундаментальная теория не содержит понятия времени, нет возможности отличить прошлое от будущего. В таком случае невероятность нашей Вселенной по-прежнему требует объяснений.

В рамках время-асимметричной теории гораздо естественнее считать время фундаментальным понятием. Действительно, нет ничего естественнее фундаментальной теории, в которой прошлое отличается от будущего, поскольку прошлое и будущее разные. В рамках метафизического представления поток моментов времени из прошлого в будущее реален, и совершенно естественно иметь время-асимметричные законы, управляющие время-асимметричной Вселенной. Это говорит о реальности времени, поскольку позволяет избежать необходимости оставить невероятное свойство асимметрии Вселенной без объяснения. Давайте считать это шагом к возвращению времени.

 

Можем ли мы говорить о Вселенной как о невероятном явлении? В этой главе я объявлял нашу Вселенную или ее начальные условия невероятными (например, когда утверждал, что маловероятно, чтобы Вселенная, подчиняясь время-симметричным законам, обладала стрелой времени). Но что это значит – что Вселенная маловероятна? Она уникальное явление, единственное в своем роде. Имеет ли смысл описывать какие-либо ее свойства на языке вероятности?

Мы должны понимать, что имеем в виду, когда говорим: некая система находится в невероятной конфигурации. В рамках ньютоновой парадигмы это имеет смысл, поскольку описание относится к подсистеме Вселенной, которая может быть одной из многих своего рода. Но это не относится к Вселенной в целом.

Можно попытаться определить вероятность наличия у нашей Вселенной определенных свойств, предполагая, что начальные условия выбраны случайно из конфигурационного пространства. Но мы знаем, что это неверно. Мы знаем, что наша Вселенная не является результатом случайного выбора, потому что в этом случае многие ее свойства были бы чрезвычайно маловероятны.

Можно избежать этих затруднений, представив, что есть много Вселенных. Однако (см. главу 11) существует два класса теорий мультивселенной: те, в которых наша Вселенная является нетипичной и, следовательно, маловероятной (например в теориях, в которых Вселенные порождаются в результате бесконечной инфляции), и те, в которых генерируется ансамбль Вселенных, где такая Вселенная, как наша, вероятна (например модель космологического естественного отбора). Я указывал в главе 11, что экспериментально проверяемые предсказания возможны лишь во втором классе. В первом классе теорий для выбора из невероятных Вселенных должен быть применен антропный принцип, и никакие предсказания не могут быть независимо проверены. Мы должны сделать вывод: неважно, существует множество Вселенных или лишь одна. В утверждении, что наша Вселенная маловероятна, нет никакого эмпирического содержания.

Но целая наука – термодинамика – основана на применении понятия вероятности к микросостоянию системы. Отсюда следует, что мы, применяя термодинамику для описания свойств Вселенной в целом, совершаем космологическую ошибку[168]. Единственный способ избежать ее (и парадокса невероятной Вселенной) – обосновать, почему Вселенная сложна и интересна, время-асимметричной физикой, делающей такую Вселенную, как наша, неизбежной, а не невероятной.

Это не единственный случай, когда физики, ошибочно применяя термодинамику к Вселенной в целом, приходят к парадоксальным выводам. Людвиг Больцман, предложивший статистическое объяснение энтропии и второго начала термодинамики, кажется, первым дал ответ, почему Вселенная не находится в равновесии. Он не знал ни о расширяющейся Вселенной, ни о теории Большого взрыва. В его космологической модели Вселенная была вечной, статической – и загадочной: вечность означала, что Вселенная должна уже достичь состояния равновесия, поскольку у нее бесконечно много времени, чтобы это сделать.

Возможно, объяснением того, почему Вселенная не находится в равновесии, для Больцмана служило следующее обстоятельство: Солнечная система и область вокруг нее стала относительно недавно областью очень большой флуктуации, в которой Солнце, планеты и окружающие звезды образовались спонтанно из газа, находившегося в равновесии. Энтропия в нашей области постоянно увеличивается по мере нашего движения к равновесному состоянию. Это был, наверное, лучший ответ, который вписывался в картину космологии конца XIX века. Но она неверна. Мы это знаем, поскольку теперь можем наблюдать за эволюцией Вселенной почти с момента Большого взрыва и на расстояниях до 13 миллиардов световых лет. Мы не видим оснований, чтобы наша область Вселенной представляла собой флуктуацию в статичном, равновесном мире. Вместо этого Вселенная эволюционирует во времени, по мере расширения образуя структуры всех масштабов.

Больцман не мог этого знать, но вот довод, который он и его современники могли взять на вооружение. Он вытекает из наблюдения: чем меньше флуктуация, чем чаще она происходит в состоянии равновесия. Следовательно, чем меньше пространственная область, выведенная из равновесия, тем выше вероятность такого явления.

Астрономы во времена Больцмана знали, что размер Вселенной составляет по крайней мере десятки тысяч световых лет в поперечнике и что в ней много миллионов звезд. Так, если наша область пространства является областью флуктуации, то это, должно быть, очень редкая флуктуация – гораздо более редкая, чем другие. Рассмотрим область флуктуации, которая содержит лишь Солнечную систему. Мы знаем, что объем флуктуации гораздо больше, иначе ночью мы ничего не видели бы, кроме инфракрасного излучения от окружающего газа, находящегося в равновесии. Но, согласно предположению Больцмана, такие флуктуации, как наша, должны в равновесной Вселенной происходить гораздо чаще, чем то, что мы видим: миллиарды звезд, каждая из которых представляет собой неравновесное состояние, подобно Солнечной системе. Вероятность неравновесного состояния размером с Солнечную систему гораздо выше, чем для области галактического размера[169].

Мы можем развить эту логику. Мы знаем, что мы – мыслящие существа, ощущающие свое присутствие в мире. Но чтобы создать мозг, воспоминания и образы, потребуется флуктуация гораздо меньшего объема, чем та, которая сотворила живую планету у огромной звезды. Мы можем называть флуктуацию, в результате которой образовался лишь один мозг с воспоминаниями о воображаемом мире, больцмановским мозгом .

Существует целый спектр возможностей объяснить наше невероятное существование как флуктуацию Больцмана в равновесной Вселенной. Мы можем быть частью флуктуации размером с Солнечную систему или с Галактику с миллионами живых существ – либо флуктуацией в один мозг с образами и воспоминаниями. Последний вариант требует гораздо меньше информации, это не такое сильное понижение энтропии. Флуктуация в один мозг в вечной Вселенной встречается гораздо чаще, чем флуктуации размером с Солнечную систему или с галактику с целыми популяциями мозгов.

Это парадокс больцмановского мозга : в бесконечный период времени во Вселенной существует гораздо больше мозгов, сформированных в результате небольших флуктуаций, чем мозгов, возникших в процессе эволюции, требующем флуктуаций, которые длятся миллиарды лет. Как сознательные существа мы, наиболее вероятно, представляем собой больцмановские мозги. Но тогда, скорее всего, наш опыт и воспоминания были бы бессвязными и некоррелированными. Столь же маловероятно, что наш мозг будет удерживать образы необъятной Вселенной, галактик и звезд вокруг. Таким образом, сценарий Больцмана оказывается примером reductio ad absurdum . Это не должно нас удивлять: мы совершили космологическую ошибку, и это привело нас к парадоксальному выводу. Вневременной взгляд на физику, основанный на ньютоновой парадигме, показал свою несостоятельность перед элементарными вопросами о Вселенной: почему она интересна, почему мы существуем и любуемся ею?

Но если мы принимаем гипотезу о реальности времени, мы открываем возможности для физики, асимметричной с точки зрения стрелы времени, в которой Вселенная может естественно развиваться от простого к сложному. Так мы разрешим парадокс невероятной Вселенной.

 


Дата добавления: 2015-09-13; просмотров: 13; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.026 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты