Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер

В модели Леметра, принятой сегодня большинством ученых, ключевым моментом можно назвать расширение космического пространства. Понятие расширения, разумеется, обязано появлением идеям Эйнштейна о «резиноподобном» пространстве, а точнее – его уравнениям общей теории относительности. Однако прежде чем мы выйдем на более глубокие мысли об этом, интересно подумать о философских аспектах расширения.

Большой взрыв не был расширением материи в космосе: это было расширение самого космического пространства. Такое пространство может создаваться и создается все время, в течение которого Вселенная расширяется. Что же случилось в момент Большого взрыва? Существовал ли до этого вообще космос?

Мой любимый ответ (основывающийся на размышлениях, а не научном знании) – нет. Космоса не существовало до первого мгновения Большого взрыва. Откуда он тогда взялся? Очевидно, ответить на этот вопрос невозможно, потому что любой ответ подразумевает (перефразируя известную американскую писательницу Гертруду Стайн[126]), что с ним мы уйдем в бесконечность. Но если не было космического пространства, то из чего все взялось? Мы можем предположить (цитируя известного писателя-фантаста Рода Серлинга), что существует «пятое измерение, неизвестное человеку». Может быть, космическое пространство зародилось там? А может, это всего лишь уловка? Тогда давайте применим свою уловку: проигнорируем вышеприведенный вопрос и зададим другие.

Физики представляют себе пространство не как пустоту, а как субстанцию. Только это не материальная субстанция, а что-то гораздо более фундаментальное. Пространство может колебаться разными способами. Колеблющееся пространство проявляет себя в виде энергии и материи. Один вид колебаний – световая волна, другой – то, что мы называем электроном. Если космического пространства не существовало до Большого взрыва, то ничего не могло и колебаться, поэтому не появились бы ни материя, ни энергия. До того как возникло пространство, не было ничего, что мы могли бы назвать реальным. Это просто невозможно было бы никак описать.

Подчеркиваю – подобные идеи не вполне научные. Это просто размышления ученого. Уверен, я не первый ученый, кто предается таким мыслям. Они не совсем подходят для научно-популярной литературы. Но это как раз те идеи, с которыми ученые любят играть, освобождаясь от жестких рамок профессии. Может, они и приведут меня к чему-то, но пока это просто фантазии.

Пространство и время связаны теорией относительности. Мы не живем отдельно в пространстве и отдельно во времени. Мы живем в пространстве-времени. Подумайте о философском содержании этого постулата. Если во время Большого взрыва появилось пространство, вероятно, то же самое произошло и со временем? Ни пространство, ни время не существовали до Большого взрыва. Вопрос о том, что произошло до начала времени, бессмыслен, потому что этого «до» не было. Это примерно как спросить: «Что произойдет, если положить два объекта на расстоянии меньше нуля? Что будет, если вы заморозите классический объект до температуры ниже абсолютного нуля, так что движение частиц в нем будет медленнее, чем движение вообще?» На все эти вопросы нет ответов, потому что они бессмысленны.

Августину Аврелию такие размышления понравились бы. Он утверждал, что Бог выходит за пределы времени, он вне времени. Подозреваю, что если бы Августин был сегодня жив, он страстно молился бы за то, чтобы именно Бог был тем, кто создал и пространство, и время.

С открытием Хабблом закона расширения Вселенной мы получили объяснение тому, почему она так высоко организована. Именно высокая организация Вселенной, по мнению Эддингтона, и стала главным условием, определяющим направление стрелы времени. Ранняя Вселенная, как бы вы себе ее ни представляли: компактным куском камня, плавающего в бесконечном пространстве, или моделью Леметра, в которой масса заполняет всю Вселенную, – была очень сжатой. По мере образования пространства вокруг вещества появлялось больше места для распределения материи и энергии.

Расширение Вселенной подразумевает, что ее материя находилась в состоянии сравнительно низкой энтропии, по сравнению с тем, каким бы этот уровень мог быть. Создание космоса означало, что для новых возможных состояний материи появлялось больше пространства. То есть возникали возможности для увеличения энтропии. Имея возраст всего 14 миллиардов лет, Вселенная не смогла еще достичь максимально возможной энтропии. Эта идея – о том, что хотя энтропия продолжает увеличиваться, еще сильнее растет и максимально возможный уровень энтропии Вселенной, – была впервые высказана физиком из Гарварда Дэвидом Лейзером[127].

Нижеследующий пример показывает, как расширение Вселенной увеличивает энтропию. Возьмите цилиндр с газом, заполняющим его с одного конца, и поршнем, отделяющим этот газ от вакуума на другом конце. Представьте, что цилиндр некоторое время находился в покое, поэтому газ внутри него достиг состояния с максимальной энтропией. Очень резко сдвиньте поршень, чтобы газ смог заполнить вдвое больший объем. Сделайте это быстро, чтобы по-прежнему с одного конца в цилиндре оставался газ, а с другого – вакуум. Теперь газ уже не в состоянии максимальной энтропии. Он не останется в прежнем объеме, а потечет и займет новый объем, расширившись до более высокого состояния энтропии.

В каком-то смысле именно это и произошло во время Большого взрыва. Создалось большое пространство, и материя, которая раньше концентрировалась с максимальной энтропией в небольшом объеме, перестала находиться в этом состоянии (максимальной энтропии) в новом большом пространстве. Количество материи не изменилось. Возросло число способов заполнения ею Вселенной. Это объясняет нынешнюю низкую энтропию во Вселенной и, согласно идеям Эддингтона, совершенно однозначно определяет направление стрелы времени. Разумеется, как всегда в науке, ответ на один вопрос порождает много новых вопросов. Больше не нужно спрашивать, почему мы находимся в состоянии низкой энтропии. Теперь речь о другом: почему Вселенная расширяется? Что послужило причиной? Закончится ли это когда-нибудь?

Сможем ли мы когда-нибудь получить окончательный ответ? Думаю, нет. Мы делаем новые открытия, и они оказывают влияние на возможный ответ. Одно из последних – обнаружение темной энергии (я расскажу об этом позднее) – кардинально изменило уравнения будущего расширения Вселенной. Нам достаточно хорошо известны законы физики, но знание Вселенной и ее природы пока ново и неопределенно. Может быть, через несколько десятилетий или даже веков мы обнаружим что-то принципиально свежее относительно причин расширения Вселенной, и это снова изменит наши выводы. Думаю, нас должна радовать мысль о том, что объекты для открытий еще далеко не исчерпаны.