Вечность. В поисках окончательной теории времени - Кэрролл Шон - Страница 121

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.

Самое интересное, что эту историю можно рассказать обратно во времени, снова взяв за точку отсчета начальное состояние, как показано на рис. 15.7. Если это еще не пространство де Ситтера, то Вселенная будет стремиться к опустошению назад во времени — точно так же, как и вперед. После этого она начнет создавать новорожденные Вселенные, которые будут расширяться и охлаждаться. В этих новорожденных Вселенных стрела времени ориентирована в противоположном направлении по сравнению со Вселенными, которые мы поместили в «будущее». И конечно же, общее направление временнóй координаты абсолютно произвольно. Наблюдатели во Вселенных в верхней части диаграммы будут думать о нижней части как о «прошлом», тогда как наблюдатели в нижних Вселенных будут считать «прошлым» Вселенные наверху. Их стрелы времени противоположны, но это не ведет к неприятностям, какие испытывал Бенджамин Баттон; эти новорожденные Вселенные абсолютно не связаны между собой во времени, и их стрелы указывают в разные стороны, поэтому никакая коммуникация между ними невозможна.

В этом сценарии Мультиленная на ультрабольших масштабах симметрична относительно центрального момента времени; по крайней мере статистически, далекое будущее и далекое прошлое неразличимы. В этом смысле данная картина напоминает отскакивающие космологии, которые мы обсуждали раньше: энтропия увеличивается на протяжении вечности в обоих направлениях времени по отношению к центральной точке, соответствующей минимальному значению энтропии. Однако есть и критически важное отличие: момент «наименьшей» энтропии не является в действительности моментом «низкой» энтропии. Центральный момент не был тонко подстроен, чтобы подогнать его под какие-то особые очень низкоэнтропийные начальные условия, как в типичных отскакивающих моделях. Энтропия там настолько высока, насколько это возможно для одной связной Вселенной в присутствии положительной энергии вакуума. В этом-то и заключается трюк: разрешить энтропии продолжать возрастать в обоих направлениях времени, несмотря на то что она с самого начала была немаленькой. Нам бы не удалось найти такое начальное состояние, для которого такой вариант эволюции был бы невозможен. Стрела времени неизбежна.[302]

Рис. 15.7. Новорожденные Вселенные создаются в фоновом пространстве де Ситтера как по направлению к прошлому, так и по направлению к будущему. Каждая новорожденная Вселенная начинается с плотного низкоэнтропийного состояния и по мере расширения и охлаждения демонстрирует локальную стрелу времени. Мультиленная обладает глобальной симметрией относительно выбора направления времени: стрела времени в новорожденных Вселенных, появляющихся в прошлом, направлена в противоположном направлении по сравнению со стрелой времени в новорожденных Вселенных из будущего.