Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

В этой книге мы занимались тем, что исследовали значение стрелы времени в соответствии с положениями второго начала термодинамики, а также ее взаимосвязь с космологией и с истоками Вселенной. Наконец-то нам удалось обзавестись достаточным набором базовых знаний, для того чтобы собрать все вместе и рассмотреть главный вопрос: почему энтропия нашей наблюдаемой Вселенной в первый момент времени была такой низкой? (Или, еще лучше, чтобы с самого начала не скатываться в грех асимметричного языка: почему мы живем во временно́й окрестности такого чрезвычайно низкоэнтропийного состояния?)

Мы, конечно, попытаемся покончить с этим вопросом, но на самом деле ответ на него нам неизвестен. Существуют разные идеи, одни более многообещающие, другие менее, но все они пока довольно расплывчаты и неопределенны, и в нашей головоломке на месте последних фрагментов все еще зияют дыры. Да, такова наука, и это действительно самая увлекательная ее часть – когда вы уже собрали какие-то подсказки и у вас есть несколько перспективных идей, но поймать за хвост окончательный ответ вам пока не удается. Остается только надеяться, что перспективы, обрисованные в этой главе, послужат вам ценным путеводителем в дороге на том пути, по которому космологи будут следовать в своих попытках ответить на эти фундаментальные вопросы. [279]

Рискуя повториться, предлагаю еще раз проанализировать нашу загадку, для того чтобы понять, что же может считаться приемлемым решением задачи.

Согласно второму началу термодинамики, все макроскопические проявления стрелы времени – возможность превращать яйца в омлет, но не наоборот, склонность молока смешиваться с кофе, но никогда не разделяться спонтанно на составляющие, тот факт, что мы помним прошлое, но не будущее – можно связать с тенденцией энтропии к увеличению. В 1870-е годы Больцман объяснил микроскопическую подоплеку второго начала термодинамики: энтропия отражает число микросостояний, соответствующих каждому макросостоянию, то есть если система (по какой бы то ни было причине) вначале находится в относительно низкоэнтропийном состоянии, с подавляющей вероятностью энтропия по направлению к будущему будет увеличиваться. Тем не менее фундаментальная обратимость законов физики диктует, что если единственным не подлежащим сомнению фактом является низкая энтропия текущего состояния, то ничуть не менее правомерно ожидать, что в прошлом энтропия также была выше. Судя по всему, в реальном мире дела обстоят не так, поэтому для продолжения нам требуется что-то еще. Этим чем-то еще служит гипотеза о прошлом: предположение о том, что очень ранняя Вселенная пребывала в невероятно низкоэнтропийном состоянии и сейчас мы наблюдаем, как она релаксирует в состояние высокой энтропии. Вопрос, почему мы считаем гипотезу о прошлом истинной, относится к сфере интересов космологии. Как ни прискорбно, антропный принцип не в состоянии дать этому объяснения, поскольку мы с тем же успехом могли обнаружить себя в форме случайных флуктуаций (больцмановских мозгов) в пустом (за исключением нас) пространстве де Ситтера. Аналогично, инфляция сама по себе не решает эту проблему, поскольку требует еще более низкоэнтропийного начального состояния, чем то, с которым принято оперировать в традиционной космологии Большого взрыва. Это означает, что вопрос остается без ответа: почему гипотеза о прошлом остается справедливой в нашем наблюдаемом участке Вселенной?

Давайте посмотрим, удастся ли нам с таким багажом на плечах продвинуться вперед.

Эволюция пространства состояний

Начнем с самой очевидной гипотезы: глубоко внутри фундаментальные законы физики просто-напросто необратимы. Я стараюсь не забывать о существовании этого варианта и периодически упоминаю о нем, но, как вы заметили, всегда в том ключе, что он крайне рискованный и серьезного внимания в действительности не заслуживает. Этому есть основательные причины, хотя, разумеется, не неопровержимые.

Обратимая система – это система, пространство состояний которой фиксировано раз и навсегда, а эволюция этих состояний вперед во времени сохраняет информацию. Два разных состояния, заданные в некоторый начальный момент времени, предсказуемо эволюционируют в два разных состояния в какой-то более поздний момент, но никогда в одно и то же состояние. Таким образом, мы можем рассматривать эволюцию в обратном направлении во времени, так как у каждого состояния, в котором в настоящее время может находиться система, есть уникальный предок в любой момент времени.

Один из способов нарушить обратимость – позволить самому пространству состояний эволюционировать с течением времени. Возможно, Вселенная в ранние времена располагала меньшим количеством возможных состояний, поэтому ее небольшая энтропия не так удивительна. Однако в этом случае у множества вероятных микросостояний, входящих в одно и то же макросостояние современной Вселенной, попросту нет вероятных прошлых состояний, из которых они могли бы эволюционировать.

Именно это многие космологи неявно подразумевают, говоря о происходящем в расширяющейся Вселенной. Если мы ограничиваемся «состояниями, выглядящими как легкие вибрации квантовых полей около гладкого фона», то очевидно, что эта конкретная часть пространства состояний со временем растет – по мере того как само пространство (в старомодном трехмерном понятии «пространства») становится больше. Однако это совершенно не то же самое, что воображать, будто все пространство состояний со временем изменяется. Вряд ли кто-то осмелится утверждать, что всерьез придерживается этой точки зрения: достаточно просто сесть и как следует подумать, что это в действительности означает. Я в явной форме отбросил эту возможность, когда заявил, что ранняя Вселенная подверглась тонкой подстройке, – в пространство состояний, в которых она могла бы находиться, мы включили не только те, которые похожи на современную Вселенную, но и различные варианты с еще более высокой энтропией.

Самое странное в идее об изменяющемся со временем пространстве состояний – это то, что она требует наличия внешнего временно́го параметра, подразумевая понятие о «времени», которые существуют за пределами фактической Вселенной и в котором эволюционирует Вселенная. Мы традиционно рассматриваем время как часть Вселенной – координату в пространстве – времени, измеряемую разного сорта предсказуемо периодическими часами. На вопрос «Который час?» мы отвечаем, ссылаясь на явления, происходящие во Вселенной, то есть на свойства состояния, в котором она в данный момент пребывает. («Маленькая стрелочка на тройке, а большая стрелка на двенадцати».) Но если пространство состояний действительно изменяется со временем, то это понятие становится совершенно непригодным для употребления. В действительности в любой конкретный момент Вселенная находится в одном конкретном состоянии. Заявления вроде «пространство состояний меньше, когда Вселенная находится в состоянии X, чем тогда, когда она пребывает в состоянии Y» не несут никакого смысла. Пространство состояний по определению включает все состояния, в которых гипотетически может оказаться Вселенная.