Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной - Стивен Хокинг

Предположим, что изначально фрагменты пазла были упорядочены, то есть составлены таким образом, что получалась картинка. Если встряхнуть коробку, комбинация фрагментов окажется другой. Вероятно, это будет неупорядоченное сочетание, в котором фрагменты не образуют целостную картинку, так случится просто потому, что неупорядоченных сочетаний гораздо больше. Некоторые группы фрагментов могут по-прежнему образовывать части картинки, но чем больше трясти коробку, тем более вероятно, что эти группы распадутся. Фрагменты совсем перепутаются и не будут составлять никакой картинки. Таким образом, с течением времени неупорядоченность фрагментов, вероятно, будет возрастать, если изначально они находились в упорядоченном состоянии.

Однако предположим, что Бог решил, что Вселенная должна закончить свое существование в состоянии высокой упорядоченности независимо от того, в каком состоянии она пребывала изначально. В этом случае в более ранние времена Вселенная, скорее всего, находилась в неупорядоченном состоянии, и беспорядок с течением времени становился меньше. Осколки разбитых чашек собирались, образуя целые чашки, которые снова оказывались на столе. Однако любой человек, наблюдающий за этими чашками, жил бы во Вселенной, в которой беспорядок убывает с течением времени. Я покажу, что психологическая стрела времени у таких людей указывала бы в обратном направлении. То есть они бы помнили события, происходящие позднее, и не помнили события, происходившие ранее.

Психологическая стрела

Рассуждать о человеческой памяти весьма непросто, поскольку нам неизвестны все подробности работы нашего мозга. Однако мы знаем все о том, как работает память компьютера. Поэтому я буду рассуждать о психологической стреле времени для компьютеров. Думаю, что разумным будет предположить, что стрела времени одинакова для компьютеров и для людей. В противном случае кто-нибудь мог бы получать колоссальные прибыли на фондовой бирже с помощью компьютера, который помнит завтрашние цены.

Память компьютера — это по существу некое устройство, которое может находиться в одном из двух состояний. Примером может служить сверхпроводящая петля из проволоки. Если в ней есть электрический ток, он будет продолжать течь, поскольку сопротивление отсутствует. С другой стороны, если тока нет, петля будет существовать без него. Можно обозначить эти два состояния памяти как «единица» и «ноль».

Прежде чем элемент записан в память, она имеет неупорядоченное состояние с равной вероятностью принять значение 1 или 0. После взаимодействия с системой, которую необходимо запомнить, память окажется в одном из этих двух состояний в зависимости от состояния системы. Таким образом, память переходит из неупорядоченного состояния в упорядоченное. Однако чтобы убедиться, что память находится в правильном состоянии, необходимо использовать определенное количество энергии. Эта энергия рассеивается в виде тепла и увеличивает степень неупорядоченности во Вселенной. Можно показать, что этот рост неупорядоченности превышает рост упорядоченности памяти. Таким образом, когда компьютер записывает элемент в память, общее количество неупорядоченности во Вселенной возрастает.

Направление времени, в котором компьютер помнит прошлое, совпадает с направлением времени, в котором растет беспорядок. Это означает, что наше субъективное ощущение направления времени (психологическая стрела времени) определяется термодинамической стрелой времени. Это делает второй закон термодинамики почти тривиальным. Беспорядок растет с течением времени, поскольку мы отсчитываем время в направлении, в котором нарастает беспорядок. Это — беспроигрышное пари.

Граничные условия для Вселенной

Но почему Вселенная должна была находиться в состоянии высокой упорядоченности на одном конце времени — том, который мы называем пошлым? Почему она не пребывала в состоянии полного беспорядка все время? Ведь это кажется более вероятным. И почему направление времени, в котором нарастает беспорядок, совпадает с направлением времени, в котором Вселенная расширяется? Один из возможных ответов заключается в том, что Бог просто пожелал, чтобы в начале фазы расширения Вселенная находилась в однородном и упорядоченном состоянии. Мы не должны стремиться понять причину или Его мотивы, поскольку рождение Вселенной — это дело Божие. Но тогда можно сказать, что и вся история Вселенной — Божьих рук дело.

Судя по всему, Вселенная развивается по определенным законам. Эти законы могут быть установлены Богом, а могут действовать и без Его участия, но, по-видимому, мы способны открывать и постигать их. Тогда разве нет у нас оснований надеяться, что те же или подобные законы могли также действовать и в момент зарождения Вселенной? В классической общей теории относительности Вселенная начинается с сингулярности, характеризующейся бесконечной плотностью и бесконечной кривизной пространства-времени. При таких условиях должны нарушаться все законы физики. Так что их нельзя использовать для предсказания того, как начиналась Вселенная.

Изначально Вселенная могла находиться в очень однородном и упорядоченном состоянии. Это привело к существованию четко определенных термодинамической и космологической стрел времени, как мы и наблюдаем. Но с такой же вероятностью начальное состояние Вселенной могло быть очень неоднородным и неупорядоченным. В этом случае Вселенная уже была бы в состоянии полного хаоса, так что беспорядок не мог возрастать со временем. Он оставался бы неизменным (тогда не существовало бы четко определенной термодинамической стрелы времени) либо уменьшался бы (тогда термодинамическая и космологическая стрелы времени были бы направлены в противоположные стороны). Ни одна из этих возможностей не согласуется с наблюдениями.

Как я уже говорил, классическая общая теория относительности предсказывает, что развитие Вселенной должно начаться с сингулярности, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. В сущности это означает, что классическая общая теория относительности предсказывает собственный крах. При большой кривизне пространства-времени эффекты квантовой гравитации становятся значительными, и классическая теория уже не дает адекватного описания Вселенной. Чтобы понять, как зародилась Вселенная, необходимо использовать квантовую теорию гравитации.

В квантовой теории гравитации рассматриваются все возможные истории развития Вселенной. С каждой историей связана пара чисел. Одно описывает размер волны, а другое — ее фазу, то есть гребень это или впадина. Вероятность того, что Вселенная обладает конкретным свойством, определяется сложением волн, соответствующих всем историям, которые обладают этим свойством. Истории представляют собой искривленные пространства, описывающие эволюцию Вселенной с течением времени. По-прежнему необходимо указать, как возможные истории Вселенной должны вести себя на границе пространства-времени в прошлом. Мы не знаем и не можем знать граничные условия для Вселенной в прошлом. Однако этой трудности можно избежать, если граничное условие для Вселенной заключается в том, что она не имеет границ.