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

Остановитесь на миг, чтобы осознать это. Физики описывают первые мгновения Вселенной при помощи уравнений Эйнштейна, доработанных с учетом предложенного Гутом гипотетического энергетического поля, заполняющего пространство и подчиняющегося принципу квантовой неопределенности, о котором мы узнали от Гейзенберга. Затем математические расчеты инфляционного взрыва показывают, что взрыв этот должен был оставить неуничтожимый отпечаток, «окаменелость» времен сотворения мира в виде специфического рисунка крохотных температурных вариаций на небе. Теперь же сложные термометры космического базирования, построенные спустя почти 14 млрд лет представителями биологического вида, только-только вступающего в период научной зрелости здесь, в Млечном Пути, зарегистрировали в точности этот рисунок.

Это впечатляющий успех, демонстрирующий уже в который раз поразительную способность математики выделять природные закономерности. Но было бы слишком смело называть эти наблюдения доказательством того, что взрыв инфляционного расширения действительно имел место. Когда речь идет о космологических событиях, происходивших миллиарды лет назад на энергетических масштабах, в миллионы миллиардов раз превосходивших, скорее всего, все, что мы можем получить и исследовать в лаборатории, лучшее, что мы можем сделать, — это собрать воедино наблюдения и расчеты, которые помогли бы нам укрепить уверенность в наших объяснениях. Если бы инфляционный взрыв был единственным способом интерпретировать космологические данные, то наша уверенность была бы ближе к убежденности, однако с годами изобретательные ученые разработали несколько альтернативных подходов (с одним из них мы встретимся в главе 10). Подводя итог, скажу, что моя точка зрения, разделяемая многими исследователями, состоит в том, что, хотя мы всегда должны быть открыты новым идеям, бросающим вызов преобладающим на данный момент взглядам, позиции инфляционной космологии, проработанные за последние 40 лет, очень и очень прочныб. И мы в нашем путешествии по большей части будем придерживаться инфляционного маршрута.

Теперь, после этого заявления, рассмотрим, как инфляционное начало уживается с движением к большему беспорядку, которое предписывается вторым началом термодинамики.

Большой взрыв и второе начало

Несмотря на столетия научного прогресса, мы ни на шаг не приблизились к ответу на вопрос, заданный в свое время Готфридом Лейбницем: «Почему существует нечто, а не ничто?». По отношению к этому вопросу мы находимся там же, где были, когда немецкий философ впервые сформулировал так лаконично квинтэссенцию загадки существования. Не то чтобы до него никто не предлагал креативных идей и провокационных теорий. Но, задавая вопрос изначального происхождения, мы хотим получить ответ, который не нуждался бы ни в какой предыстории, ответ, который не сдвигал бы вопрос на один шаг назад, ответ, который не вызывал бы следующих вопросов: «Почему все было именно так, а не этак?» или «Почему эти законы вместо тех?». Ни одно объяснение из всех, какие предлагались до сих пор, не смогло дать такой ответ — и даже близко к нему не подошло.

Инфляционная модель этого точно не сделала. Для инфляции требуется целый список ингредиентов, в который входят пространство, время, вызывающее расширение космическое топливо (инфляционное поле), а также весь технический аппарат квантовой механики и общей теории относительности; все это, в свою очередь, опирается на математику — от анализа функций многих переменных и линейной алгебры до дифференциальной геометрии. Нет никакого известного принципа, который выделял бы именно эти физические законы, сформулированные с использованием именно этих конкретных математических конструктов, и делал их неизбежной стартовой точкой для объяснения Вселенной. Вместо этого мы, физики, стараемся добиться того, чтобы наблюдения и эксперименты вкупе с трудноописуемым интуитивным математическим чутьем вели нас к конкретным физическим законам. Затем мы анализируем эти законы математически, чтобы определить, возможно ли такое состояние среды в первые мгновения существования Вселенной, которое могло бы запустить стремительное расширение пространства. Найдя такие условия, мы постулируем, что они имели место вблизи Большого взрыва, а затем определяем при помощи уравнений, что вслед за этим должно было произойти.

Это лучшее, что мы способны на настоящий момент сделать. И не спешите смеяться. Сегодня мы можем использовать математику для описания того, что, по нашим предположениям, происходило почти 14 млрд лет назад, и на основании этого успешно предсказывать, что теперь должны увидеть мощные телескопы, — от этого, согласитесь, захватывает дух. Конечно, серьезнейших вопросов здесь множество — что или кто создал пространство и время, что или кто наложил на все это связующую сеть математики, чему или кому мы обязаны тем, что что-то вообще существует, — но даже при том, что все они остаются без ответа, в наших представлениях о развертывании космоса произошел мощный прорыв.

Я собираюсь воспользоваться этим прорывом для того, чтобы понять, как Вселенная с ее все возрастающей энтропией, обреченная в дальнейшем на еще больший беспорядок, создает по пути огромное количество порядка. Не забывая об этой конечной цели, начнем с самого базового наблюдения, упоминавшегося в предыдущей главе. Если энтропия стабильно возрастает с момента Большого взрыва, то энтропия тогда, в момент взрыва, должна была быть намного ниже, чем сегодня7.

Какой вывод мы должны из этого сделать?

К настоящему моменту вы, вероятно, привыкли пожимать плечами при виде высокоэнтропийной конфигурации — будь то монеты, давшие при броске случайную смесь орлов и решек, или равномерно заполняющий вашу ванную комнату пар, или ароматы, распространяющиеся по всему дому. Высокоэнтропийные конфигурации ожидаемы, обычны, заурядны. Но при виде низкоэнтропийной конфигурации вы понимаете, что реагировать следует иначе. Низкоэнтропийная конфигурация всегда особенна. Она необычна. Она требует объяснения, как в принципе могло возникнуть такое упорядоченное состояние.

В применении к ранней Вселенной эти соображения породили свою долю научного и философского заламывания рук. Посредством какой силы или какого процесса ранняя Вселенная приобрела эту низкую энтропию? Сто монет, упавшие орлами кверху, обладают низкой энтропией и все же допускают немедленное объяснение: вместо того чтобы бросать монеты на стол, кто-то аккуратно их разложил. Но чем или кем организована особая низкоэнтропийная конфигурация ранней Вселенной? Без полной теории космических истоков наука не сможет дать ответ на этот вопрос. Мало того, хотя этот вопрос часто не давал мне спать по ночам (буквально), наука до сих пор не определилась, стоит ли вообще о нем тревожиться. Отсутствие понимания, почему существует нечто, а не ничто, эквивалентно отсутствию средств определить, насколько это нечто на самом деле экзотично или, напротив, обычно. Чтобы оценить, заслуживает ли подробное описание свойств ранней Вселенной пожатия плечами или изумленной перепроверки, необходимо очертить процесс, посредством которого эти свойства были установлены.

Согласно одному из сценариев космологов, ранняя Вселенная была бурной и хаотичной средой, в результате чего величина инфляционного поля в разных точках пространства должна была испытывать дикие флуктуации, напоминающие собой поверхность кипящей воды. Чтобы сгенерировать отталкивающую гравитацию и запустить взрыв, нам нужна небольшая область пространства, в которой величина инфляции однородна (или почти однородна, с учетом квантовых флуктуаций). Но отыскать такую однородную область среди хаотических неровностей — все равно что вскипятить чан воды и отыскать на ее бурлящей поверхности плоский участок. Вы такого никогда не видели. Не потому, что это невозможно, а потому, что это чрезвычайно маловероятно. Чтобы все точки на кусочке поверхности бурлящей случайным образом воды в чане в какой-то момент оказались на одной и той же высоте, образовав плоскую упорядоченную, однородную низкоэнтропийную конфигурацию, потребовалось бы поразительное совпадение. Такое же поразительное совпадение потребовалось бы и для того, чтобы дико колеблющееся инфляционное поле приобрело, пусть даже в пределах маленькой области пространства, одинаковое значение. А без объяснения того, как возникла эта особая, упорядоченная, однородная низкоэнтропийная конфигурация, физики испытывают глубокое беспокойство8.