Вечность. В поисках окончательной теории времени - Шон Кэрролл

Новорожденные Вселенные кардинально меняют картину. Теперь мы больше не можем говорить, что единственный возможный вариант развития событий — это термодинамическая флуктуация прочь от равновесия и затем обратно. Новорожденная Вселенная — это также своеобразная флуктуация, но флуктуация, которая никогда не возвращается назад: она растет и охлаждается и никогда не воссоединяется с исходным пространством—временем.

Что мы сейчас сделали — это позволили Вселенной беспредельно увеличивать свою энтропию. Во Вселенной де Ситтера пространство растет неограниченно, но часть пространства, видимая любому наблюдателю, остается конечной, а также обладает конечной энтропией, равной площади поверхности космологического горизонта. В пределах этого пространства поля флуктуируют при фиксированной температуре, которая никогда не изменяется. Это равновесная конфигурация, в которой любые процессы происходят настолько же часто, насколько и обратные к ним во времени. Как только в игру вступают новорожденные Вселенные, система выходит из равновесия по той простой причине, что такой штуки, как равновесие, теперь не существует. В присутствии положительной энергии вакуума (согласно этой истории) энтропия Вселенной никогда не достигает максимального значения и не замирает на нем, так как максимального значения энтропии Вселенной просто нет — она всегда может увеличиться еще больше, если будут рождаться новые Вселенные. Именно это позволяет нам избежать парадокса из сценария Больцмана—Лукреция.

Рассмотрим простую аналогию: шар, скатывающийся с холма. Не квантовое поле, движущееся в своем потенциале, а обычный шар. Однако скатывается он не по обычному земному холму, а по особому, у которого нет основания, так что шару приходится плавно катиться вниз в бесконечность. Кроме того, поверхность холма не создает абсолютно никакого трения, поэтому общая энергия катящегося шара никогда не меняется.

Теперь спросим себя: что шар должен делать? То есть если мы внезапно обнаружим такой шар, чудесным образом функционирующий как изолированная система на протяжении вечности, не испытывая влияния со стороны оставшейся части Вселенной, то в каком состоянии можно ожидать его увидеть?

Рис. 15.6. Шар, катящийся по бесконечному холму. У такого шара может быть только одна траектория: появляться из бесконечно далекой дали в бесконечно далеком прошлом, закатываться вверх до точки поворота, менять направление и скатываться обратно в бесконечность в бесконечном будущем.

Это может быть разумным вопросом, а может и не быть, но дать ответ на него совсем нетрудно, потому что такой шар не обладает большим разнообразием вариантов действий. Все допустимые траектории шара выглядят, по сути, одинаково: он прикатывается из бесконечности, разворачивается и скатывается обратно. В зависимости от общей энергии шара точка поворота на холме может находиться на разной высоте, но качественно поведение всегда будет одним и тем же. Таким образом, в жизни шара точно есть один момент, когда он не движется, — в точке, где он меняет направление движения на противоположное. В любой другой момент он катится либо влево, либо вправо. Следовательно, если мы взглянем на шар в какой-то случайный момент времени, то с большой вероятностью он в этот момент будет катиться либо в одном направлении, либо в другом.

Теперь представим себе, что внутри шара живет целая крохотная цивилизация, население которой включает крохотных ученых и философов. Одна из самых любимых тем для обсуждения у них — это то, что они называют «стрелой движения». Мыслители заметили, что их шар эволюционирует в идеальном соответствии с законами движения Ньютона. Законы не отличают «право» от «лево»; они полностью обратимы. Если шар поместить во впадину, то он просто останется там навечно без движения. Если начать с точки чуть выше на склоне холма возле впадины, то он сначала скатится вниз, а затем продолжит кататься вперед и назад в этой небольшой окрестности. Но все же их конкретный шар неизменно катится в одном и том же направлении в течение очень длительных периодов времени! Что же с ним может быть такое?

На случай, если условия этой несколько странной аналогии вам непонятны, поясню: шар представляет нашу Вселенную, а положение на склоне холма — левее или правее — представляет энтропию. Причина, почему нас не удивляет, что шар катится в неизменном направлении, заключается в том, что шар всегда стремится катиться в одном и том же направлении, за исключением одной особой точки разворота. Несмотря на внешнее различие, та часть траектории, где шар катится справа налево, ничем не отличается от той части, где шар катится слева направо; движение шара симметрично во времени по отношению к точке поворота.

Возможно, энтропия Вселенной ведет себя так же. Реальная проблема с пространством де Ситтера (без новорожденных Вселенных) состоит в том, что оно почти всегда пребывает в равновесии. Любой отдельно взятый наблюдатель видит термальную баню, существующую на протяжении вечности, с предсказуемыми флуктуациями. В более общем смысле, если в контексте космологии существует такая штука, как «равновесие», то трудно понять, почему мы не обнаруживаем Вселенную в этом состоянии. Предполагая, что равновесия не существует, мы избегаем этой дилеммы. Наблюдение растущей энтропии становится естественным делом, просто потому что энтропия способна постоянно увеличиваться.

Это сценарий, который мы с Дженнифер Чен предложили в 2004 году.[301] Мы начали с предположения, что Вселенная вечна — Большой взрыв не был началом времен — и что пространство де Ситтера представляет собой естественное высокоэнтропийное состояние, в котором должна пребывать Вселенная. Это означает, что в качестве «старта» можно взять любое понравившееся вам состояние — выберите симпатичное лично вам распределение вещества и энергии в пространстве и позвольте ему эволюционировать. Мы поместили слово старт в кавычки, так как не хотим создавать у вас предвзятое отношение к начальным условиям по сравнению с условиями в любой другой момент времени; уважая обратимость законов физики, мы допускаем эволюцию состояния как вперед, так и назад во времени. Как я уже говорил выше, естественная эволюция вперед во времени означает, что пространство будет расширяться и опустошаться, переходя в конце концов в состояние де Ситтера. Однако после того как оно достигнет этого состояния, если мы подождем достаточно долго, то увидим, как оно начнет время от времени путем квантовых флуктуаций производить новорожденные Вселенные. Эти новорожденные Вселенные станут расширяться и раздуваться, и их энергия ложного вакуума в итоге преобразуется в обычное вещество и излучение, которые будут рассеиваться до тех пор, пока у нас на руках снова не останется пространство де Ситтера. Теперь и исходная Вселенная, и новая Вселенная могут порождать новых младенцев. Процесс продолжается бесконечно. В областях пространства—времени, которые выглядят по-деситтеровски, Вселенная находится в равновесии, и стрелы времени там нет. Но в новорожденных Вселенных на протяжении всего периода от начального зарождения до финального остывания существует ярко выраженная стрела времени: энтропия стартует практически с нуля и увеличивается до своего равновесного расстояния.