Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности
Шрифт:
Теперь, точно так же, как вы можете ожидать, что при настойчивой игре на честно отрегулированном игровом автомате рано или поздно на случайным образом вращающихся барабанах выпадут три семёрки, мы ожидаем, что рано или поздно случайные флуктуации на этой высокоэнергетической турбулентной арене изначальной Вселенной заставят величину поля инфлатона прыгнуть к правильной и однородной величине в некотором маленьком кусочке пространства, инициировав взрыв инфляционного расширения. Как объяснялось в предыдущем разделе, расчёты показывают, что кусочку пространства необходимо быть исключительно маленьким — порядка 10 – 26см в поперечнике, — чтобы инициировать космологическое расширение (инфляционное расширение, за которым следует стандартное расширение Большого взрыва), которое растянет этот кусочек до величины больше, чем Вселенная, которую мы видим сегодня. Таким образом, вместо допущения или просто декларирования, что условия в ранней Вселенной были такими, чтобы инфляционное расширение имело место, в таком способе размышлений необходимые условия возникают благодаря ультрамикроскопической флуктуации, весом не более десяти килограммов, возникающей внутри
Более того, точно так же, как игровой автомат будет генерировать большое разнообразие результатов без выигрыша, в других областях изначального пространства будут происходить и другие виды флуктуаций инфлатона. В большинстве случаев флуктуации не будут иметь нужную величину или не будут достаточно однородными для начала инфляции. (Даже в области, имеющей не более 10 – 26см в поперечнике, величина поля может изменяться со страшной силой.) Но всё, что для нас имеет значение, это то, что был один кусочек, который привёл к разглаживающему пространство инфляционному взрыву, ставшему первым звеном в низкоэнтропийной цепочке, в конце концов ведущей к нашему привычному космосу. Поскольку мы видим одну-единственную нашу большую Вселенную, нам нужно, чтобы космический игровой автомат дал выигрыш только один раз. {152}
Поскольку мы проследили Вселенную назад к статистической флуктуации в первичном хаосе, это объяснение стрелы времени перекликается с некоторыми особенностями оригинального предположения Больцмана. Вспомним из главы 6 идею Больцмана, что всё, сейчас видимое нами, возникло как редкая флуктуация в полном беспорядке. Однако проблема с исходной формулировкой Больцмана заключалась в том, что она не могла объяснить, почему случайная флуктуация оказалась так далека от хаоса и произвела Вселенную, гораздо более упорядоченную, чем это было необходимо, чтобы поддержать жизнь, как мы её знаем. Почему Вселенная так велика, что имеет миллиарды и миллиарды галактик, каждая из которых имеет миллиарды и миллиарды звёзд, когда она могла бы быть куда более скромной, имея, скажем, всего несколько галактик или даже одну-единственную?
Со статистической точки зрения более скромная флуктуация, которая произвела бы некоторое количество порядка, но не такое значительное, как мы сейчас видим, была бы намногоболее вероятной. Более того, поскольку в среднем энтропия возрастает, рассуждения Больцмана показывают, что было бы ещё намного более вероятным, что всё, что мы сегодня видим, появилось сию минутукак редкий статистический скачок к низкой энтропии. Повторим аргумент: чем в более далёком прошлом произошла флуктуация, тем более низкой энтропии она должна была бы достигнуть (энтропия начинает расти после любого падения к низкой величине, как на рис. 6.4; так, если флуктуация произошла вчера, она должна была достичь вчерашнего низкого значения энтропии, а если она произошла миллиард лет назад, она должна была упасть к ещё более низкой энтропии той эры). Поэтому чем дальше назад во времени, тем более глубокой и невероятной должна быть требуемая флуктуация. Поэтому наиболее вероятно, что флуктуация произошла только что. Но если мы принимаем это заключение, мы не можем доверять своей памяти, записям или даже законам физики, которые лежат в основе самой дискуссии — это совершенно неприемлемая позиция.
Огромное преимущество инфляционного воплощения идеи Больцмана заключается в том, что малаяфлуктуация — вполне ординарный скачок к подходящим условиям в крошечномклочке пространства — сразу и неизбежно даёт гигантскую и упорядоченную Вселенную, которую мы знаем. Уж если инфляционное расширение началось, крошечный клочок будет неумолиморастянут до масштабов, по меньшей мере таких, как у Вселенной, которую мы в настоящее время видим, а потому нет загадки в том, что Вселенная не является крошечным уголком; нет загадки, что Вселенная так обширна и населена огромным числом галактик. С самого начала инфляция предложила Вселенной страшно выгодную сделку. Скачок к более низкой энтропии внутри ультрамикроскопического кусочка пространства был использован для инфляционного расширения в широчайшие просторы космоса. И, что самое важное, инфляционное растяжение не просто дало некоторую большую Вселенную. Оно дало нашубольшую Вселенную — инфляция объясняет форму пространства, она объясняет крупномасштабную однородность, и она даже объясняет «мелкомасштабные» неоднородности, такие как галактики и вариации температуры фонового излучения. Инфляция упаковывает всё богатство объяснительной и предсказательной силы в единственную флуктуацию к низкой энтропии.
Итак, Больцман вполне мог быть прав. Всё, что мы видим, могло произойти от случайной флуктуации высокоразупорядоченного состояния первичного хаоса. Однако при такой реализации его идей мы можем верить нашим записям и мы можем верить нашей памяти: флуктуация произошла не только что. Прошлое действительно происходило. Наши записи — это записи о том, что действительно имело место. Инфляционное расширение умножило крошечную крупинку порядка в ранней Вселенной — оно «завело» Вселенную на гигантское расширение с минимальной гравитационной энтропией, — так что 14 млрд лет последующего раскручивания, последующей концентрации вещества в галактики, звёзды, планеты не представляют загадки.
Фактически этот подход говорит нам даже чуть больше. Точно так же, как можно сорвать куш на нескольких игровых автоматах в казино «Белладжио» (Лас-Вегас), в изначальном состоянии высокой энтропии и полного хаоса нет никаких причин, по которым необходимые для инфляционного расширения условия могли бы появиться только в единственном отдельно взятом кусочке пространства. Напротив, как предположил Андрей Линде, там могло бы быть множество кусочков, разбросанных тут и там, которые подвергаются разглаживающему пространство инфляционному расширению.
Рис. 11.2.Инфляция может возникать многократно, выращивая новые вселенные из правселенной
Инфляция и яйцо
Так почему яйцо разбивается, но не соединяется в целое? Откуда приходит стрела времени, которую мы все ощущаем? Здесь предложенный подход нас спасает. Благодаря случайной флуктуации из ничем не примечательного начального состояния с высокой энтропией крохотный кусочек пространства весом десять килограммов достигает условий, которые приводят к короткому взрыву инфляционного расширения. Чудовищное раздувание приводит к колоссальному растяжению и разглаживанию пространства, и, когда взрыв подходит к концу, поле инфлатона освобождается от своей гигантски выросшей энергии, почти однородно заполняя пространство материей и излучением. Когда инфляционная отталкивающая гравитация убывает, обычная притягивающая гравитация становится доминирующей. И, как мы видели, притягивающая гравитация использует маленькие неоднородности, вызванные квантовыми флуктуациями, чтобы заставить материю скучиваться, формируя галактики и звёзды и в конечном счёте ведя к образованию Солнца, Земли и остальной Солнечной системы, а также других структур в нашей наблюдаемой Вселенной. (Как упоминалось, примерно через 7 млрд лет после Большого взрыва отталкивающая гравитация снова стала доминировать, но это имеет отношение только к самым большим космическим масштабам и не сказывается непосредственно на более мелких образованиях вроде отдельных галактик или нашей Солнечной системы, где по-прежнему царствует обычная притягивающая гравитация). Относительно низкоэнтропийная солнечная энергия используется низкоэнтропийными растительными и животными формами жизни на Земле, чтобы производить ещё более низкоэнтропийные формы жизни, медленно увеличивая полную энтропию через тепло и отходы. В конечном счёте эта цепочка произвела курицу, которая снесла яйцо, — и мы знаем конец истории: яйцо скатилось с вашего кухонного стола, разбилось и расплескалось по полу как часть неотвратимого движения Вселенной к более высокой энтропии. Такова низкоэнтропийная, высокоупорядоченная, однородно гладкая природа ткани пространства, созданной инфляционным расширением, что является аналогом расположения страниц романа «Война и мир»в правильном числовом порядке; это то самое раннее состояние высокого порядка — отсутствие значительных неровностей и деформаций или огромных чёрных дыр, — которое даёт начало Вселенной с её последующей эволюцией к более высокой энтропии и поэтому обеспечивает стрелу времени, которую мы ощущаем. На нашем сегодняшнем уровне понимания это наиболее полное объяснение стрелы времени из всех тех, что были даны.
Ложка дёгтя в бочке мёда?
Для меня эта история инфляционной космологии и стрелы времени является восхитительной. В диком и необузданном царстве изначального хаоса возникла ультрамикроскопическая флуктуация однородного поля инфлатона весом намного меньше, чем лимит ручной клади. Это инициировало инфляционное расширение, которое задало направление стреле времени, а остальное и есть история.
Но в нашем рассказе мы сделали центральное допущение, которое всё ещё не подтверждено. Чтобы оценить правдоподобие того, что инфляция могла начаться, нам пришлось задать характеристики предынфляционной среды, из которой могло возникнуть инфляционное расширение. Та конкретная среда, которую мы себе представляли, — дикая, хаотическая, энергичная — выглядит разумно, но придание этому интуитивному описанию математической точности выглядит совсем не простым. Более того, всё это было только догадкой. Текущее состояние дел пока состоит в том, что мы не знаем, какие условия были в предполагаемом предынфляционном царстве, в размытом пятне на рис. 10.3, а без этой информации мы не в состоянии дать убедительную оценку правдоподобия возникновения инфляции; любое вычисление вероятности чувствительно к сделанным нами предположениям. {153}
С учётом этого пробела в нашем понимании самое здравое обобщение всего сказанного выше заключается в том, что инфляция предлагает мощные объяснительные рамки, в которых связываются вместе проблемы, кажущиеся несопоставимыми — проблема горизонта, проблема плоскостности, проблема происхождения структур (галактики, неоднородности температуры фонового излучения), проблема низкой энтропии ранней Вселенной — и предлагается единое решение всех этих проблем. Чувствуется, что это правильно. Но, чтобы сделать следующий шаг, нам нужна теория, которая может справиться с экстремальными условиями, характеризующими наше размытое пятно, — экстремальными по температуре и колоссальной плотности, — тогда мы создадим возможность достичь однозначного понимания самых ранних моментов космоса.