Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

В последние годы довольно много усилий было вложено в разработку моделей, сглаживающих сингулярность Большого взрыва до относительно мягкого отскока. [292]Каждый из этих проектов предлагает возможность расширения истории Вселенной за пределы Большого взрыва, но в каждом случае трудно сказать, является ли предложенная модель самосогласованной. Так всегда и бывает, когда пытаешься понять рождение Вселенной в отсутствие полной теории квантовой гравитации.

Тем не менее о самом важном моменте забывать не стоит: даже если у нас нет одной полной и согласованной истории, рассказывающей о жизни Вселенной до Большого взрыва, космологи не покладая рук трудятся над решением этой задачи, и многое свидетельствует о том, что в конечном счете они добьются успеха. А возможность того, что Большой взрыв не был в действительности началом Вселенной, имеет серьезные последствия для стрелы времени.

Стрела всего времени

Если Большой взрыв был началом времен, то с формулировкой нашей главной загадки все понятно: почему вначале энтропия была так мала? Если же все началось не с Большого взрыва, то загадка остается, только теперь в иной формулировке: почему энтропия была мала во время отскока, который не был даже моментом рождения Вселенной? Это был всего лишь какой-то момент в вечной истории.

По большей части современные обсуждения отскакивающих космологий не касаются непосредственно вопроса энтропии. [293]Однако очевидно, что добавление фазы сжатия перед отскоком не оставляет других вариантов: энтропия либо увеличивается по мере приближения Вселенной к отскоку, либо уменьшается.

На первый взгляд создается впечатление, что энтропия при движении Вселенной из прошлого к фазе отскока должна увеличиваться. В конце концов, если начальное условие было поставлено в ультрадалеком прошлом, то естественно ожидать, что с течением времени энтропия будет увеличиваться, даже если пространство сжимается. Это обычное толкование второго начала динамики, обеспечивающее единообразие стрелы времени на протяжении всей истории Вселенной. Этот вариант иллюстрирует нижний левый график на рис. 15.4. Явно или неявно, но именно его многие люди подразумевают в своих рассуждениях об отскакивающих космологиях.

Однако сценарий, в котором энтропия нашего сопутствующего участка продолжает увеличиваться и до, и во время, и после вселенского отскока, сталкивается с невероятно сложной проблемой. Проблема традиционной космологии Большого взрыва такова: энтропия в современной наблюдаемой Вселенной относительно мала, а в прошлом была значительно меньше. Это подразумевает скрытую очень тонкую подстройку в текущем микросостоянии Вселенной, если мы хотим, чтобы энтропия уменьшалась при прокрутке истории в обратном направлении во времени с использованием все тех же законов физики. А в сценарии с отскоком, где мы отнесли «начало Вселенной» бесконечно далеко в прошлое, тонкая подстройка, необходимая для того же самого, должна быть бесконечно точной. Если мы верим в обратимые законы физики, то должны предполагать такое свойство у текущего состояния Вселенной, что процесс ее эволюции можно бесконечно отматывать назад и энтропия все это время будет только уменьшаться. Но это слишком высокие запросы. [294]

Рис. 15.4.Вверху: изменение размера отскакивающей Вселенной с течением времени; внизу: два возможных сценария эволюции энтропии. Энтропия может просто всегда увеличиваться, как показано внизу слева, обеспечивая однонаправленную стрелу времени на протяжении вечности. Или она может уменьшаться в фазе сжатия, прежде чем начать увеличиваться в фазе расширения, как показано внизу справа

Необходимо также упомянуть о другой проблеме, тесно связанной с этой. Мы знаем, что энтропия нашего сопутствующего объема сразу после отскока должна быть маленькой – намного меньше, чем она могла бы быть. (В главе 13 мы сделали некоторые оценки и знаем, что значение энтропии было равно 10 88или меньше, тогда как оно могло бы достигать 10 120.) Из этого следует, что прямо перед отскоком энтропия была такой же низкой или даже ниже. Если бы энтропия была высокой, то отскока бы не произошло; вы получили бы хаотическую мешанину, у которой не было бы никаких шансов превратиться в приятную и однородную Вселенную, из которой получились все мы. Так что нам приходится предположить, что этот сопутствующий объем пространства сжимался бесконечно долгое время (начиная с далекого прошлого и до момента отскока), и на протяжении этого процесса энтропия увеличивалась, но увеличение каким-то образом оказалось очень небольшим. Не то чтобы такое было невозможно себе представить, но это кажется, мягко выражаясь, довольно удивительным. [295]

Даже если мы позволим себе рассмотреть возможность необыкновенно тонкой подстройки, необходимой для того, чтобы позволить энтропии все время последовательно увеличиваться, у нас все равно нет абсолютно никаких причин полагать, что во Вселенной все действительно происходило именно таким образом. Мы пока не представили никакого оправдания тому, почему вообще наша Вселенная вообще должна быть тонко подстроена, но продолжаем призывать к бесконечно тонкой подстройке. Не очень похоже на прогресс. Гипотеза о середине

Итак, это все подводит нас к необходимости рассмотреть альтернативу, изображенную на рис. 15.4 на правом нижнем графике: отскакивающая Вселенная, в которой энтропия уменьшается во время фазы сжатия, достигает минимального значения в момент отскока и после этого начинает увеличиваться. Возможно, теперь у нас получится прийти к какому-то результату. Явная модель такой отскакивающей космологии была предложена Энтони Агирре и Стивеном Граттоном в 2003 году. Их конструкция базируется на идее инфляции, и они демонстрируют, что путем хитрого разрезания и склеивания мы могли бы получить гладкий отскок, взяв инфляционную Вселенную, расширяющуюся по направлению к будущему, и приклеив ее к началу инфляционной Вселенной, расширяющейся по направлению к прошлому. [296]

У этой альтернативы есть огромное преимущество: поведение Вселенной симметрично во времени. Как размер Вселенной, так и ее энтропия достигают минимального значения в момент отскока и увеличиваются в обоих направлениях. Концептуально это большой шаг вперед по сравнению со всеми остальными рассмотренными ранее моделями; базовая симметрия законов физики относительно изменения направления времени отражается в крупномасштабном поведении Вселенной. В частности, мы избегаем ловушки, которую расставляет нам временно́й шовинизм, – искушения полагать, что «начальное» состояние Вселенной абсолютно не похоже на «конечное». Нам как раз и нужен был способ обойти заблуждение, приведшее к рассмотрению Вселенной Голда, которая также симметрична относительно одного момента во времени. Теперь, когда мы позволяем себе думать о возможной Вселенной до Большого взрыва, решение выглядит более приемлемым: Вселенная симметрична, и не потому, что энтропия низка на обоих концах времени, а потому, что она на обоих концах высока.