Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Это имеет отношение и к нашей космологической дискуссии: когда мы говорим, что однородный кусочек инфляционного поля «маловероятен», мы точно так же привлекаем к делу принцип безразличия. Мы неявно предполагаем, что каждая возможная микроскопическая конфигурация поля (точное значение поля в каждой точке) имеет точно такую же вероятность появления, как и любая другая, — так что опять же вероятность любой заданной макроскопической конфигурации пропорциональна числу микросостояний, которые ее реализуют. Однако, в отличие от случая с бросанием монет, у нас нет никаких эмпирических данных в пользу этого предположения. Тот факт, что оно кажется нам разумным, основан на нашем повседневном опыте взаимодействия с макромиром, где принцип безразличия подтверждается наблюдениями. Но для космологического развертывания нам доступен лишь один экспериментальный прогон. Бескомпромиссный эмпирический подход подсказывает, что какими бы особыми ни казались некоторые конфигурации с позиции принципа безразличия, но если они ведут к наблюдаемой нами Вселенной, то они выделены и как класс заслуживают называться не просто «вероятными», но «определенными» (в обычном условном смысле всех научных объяснений). Математически такой сдвиг в том, что мы называем вероятным и маловероятным, известен как изменение меры на пространстве конфигураций (см. глава 2, примечание 14). Начальная мера, присваивающая равные вероятности всем возможным конфигурациям, называется «плоской» мерой. Таким образом, наблюдения могут мотивировать нас на введение «неплоской» меры, которая выделяет некоторые классы конфигураций как более вероятные.

Физиков, как правило, такой подход не устраивает. Введение над пространством конфигураций меры, которая обеспечивала бы присвоение максимального веса тем конфигурациям, которые приводят к известному нам миру, представляется физикам «неестественным». Физики хотят найти фундаментальную, изначальную математическую структуру, из которой будет вытекать такая мера, вместо того чтобы самим эту меру задавать. Здесь важно понять, не слишком ли многого мы хотим и не получится ли так, что успех просто сдвинет вопрос на один шаг назад к неявным предположениям, лежащим в основе любого фундаментального подхода. И это не пустячные придирки. В последние тридцать лет значительная часть теоретической работы в области физики элементарных частиц была направлена на вопросы тонкой настройки в наших самых проработанных теориях (тонкая настройка поля Хиггса в Стандартной модели физики элементарных частиц; тонкая настройка вопросов горизонта и кривизны в стандартной космологии Большого взрыва). Разумеется, такие исследования привели к глубокому проникновению как в физику элементарных частиц, так и в космологию, но не может ли наступить момент, когда нам просто придется принять какие-то свойства мира как заданные, без всякого объяснения? Мне, как и огромному большинству моих коллег, нравится думать, что ответ должен быть отрицательным. Но нет никакой гарантии, что так и будет на самом деле.

Андрей Линде, при личном общении 15 июля 2019 г. Сам Линде предпочитает подход, при котором инфляционная фаза была инициирована квантово-туннельным переходом из царства всех возможных геометрий и полей, в котором даже концепции времени и температуры, возможно, еще не имеют смысла. Разумно используя некоторые аспекты квантового аппарата, Линде предположил, что квантовое создание условий для инфляционного расширения было, вполне возможно, обычным распространенным процессом в ранней Вселенной, которая не страдала от квантового подавления.

Естественно считать, что чем мощнее телескоп (чем обширнее его тарелка, чем больше размер зеркала и так далее), тем более далекие объекты он будет в состоянии различить. Но существует предел. Если объект настолько далек, что никакой свет, излученный им с момента рождения, еще не успел дойти до нас, то, какое бы оборудование мы ни использовали, увидеть его мы не сможем. Мы говорим, что такие объекты лежат за нашим космологическим горизонтом; эта концепция будет играть особенно важную роль в нашем разговоре об отдаленном будущем в главах 9 и 10. В инфляционной космологии пространство расширяется так стремительно, что окружающие его области действительно выносятся за пределы нашего космологического горизонта.

На основании косвенных данных (движения звезд и галактик) сложился консенсус о том, что пространство насыщено частицами темной материи — частицами, которые являются источником гравитационной силы, но не поглощают и не излучают света. Однако, поскольку все поиски темной материи до сих пор ничего не дали, некоторые исследователи предложили свои альтернативы темной материи, в которых наблюдения объясняются при помощи различных модификаций закона тяготения. Из-за продолжающихся неудач многочисленных текущих экспериментов по непосредственному обнаружению частиц темной материи альтернативные теории привлекают к себе все большее внимание.

Направление потока теплоты, от более нагретых веществ или сред к менее нагретым, есть прямое следствие второго начала термодинамики. Когда горячий кофе остывает до комнатной температуры, передавая часть своей теплоты молекулам воздуха в комнате, воздух слегка нагревается и, соответственно, его энтропия увеличивается. Повышение энтропии воздуха превышает снижение энтропии в остывающем кофе, гарантируя тем самым, что суммарная энтропия системы увеличивается. Математически изменение энтропии системы задается изменением ее теплоты, деленным на ее температуру т где 8 обозначает энтропию, р обозначает теплоту, а Т обозначает температуру). Когда теплота перетекает от горячей системы к холодной, величина изменения теплоты для каждой системы одинакова, но, как показывает приведенное уравнение, снижение энтропии горячей системы окажется меньше, чем увеличение энтропии холодной (из-за множителя Т в знаменателе), так что в итоге мы получаем повышение суммарной энтропии.

Согласно закону сохранения энергии, когда молекулы движутся из центра наружу, их гравитационная потенциальная энергия возрастает, а кинетическая, соответственно, уменьшается.

Для читателей, склонных к математике и имеющих подготовку в области физики, скажу, что в этом можно разобраться при помощи упрощенного расчета с использованием классической статистической механики, в которой энтропия пропорциональна объему фазового пространства. Предположим, что сжимающееся газовое облако удовлетворяет условиям (знаменитой) теоремы вириала, которая соотносит среднюю кинетическую энергию частиц K с их средней потенциальной энергией U посредством формулы K = — U/2. Затем, поскольку гравитационная потенциальная энергия пропорциональна 1/R, где R— радиус облака, мы видим, что K пропорциональна также 1/R. Более того, поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скоростей частиц, выясняем, что средняя скорость частиц пропорциональна 1/R. Таким образом, объем фазового пространства, доступного частицам в облаке, пропорционален^ (* / vR) 'где первый множитель представляет пространственный объем, доступный этим частицам, а второй — доступный им объем импульсного пространства. Мы видим, что снижение пространственного объема доминирует над ростом объема импульсного пространства, что дает общее снижение энтропии по мере сжатия облака. Отметим также, что теорема вириала гарантирует, что по мере сжатия облака снижение потенциальной энергии превосходит рост кинетической (благодаря делителю 2 в формуле, связывающей K и U), так что снижается не только энтропия сжимающейся части облака, но и ее энергия. Высвобождающаяся энергия излучается в окружающую ядро оболочку, энергия которой растет, как и ее энтропия.