Джон Д. Бэрроу

 

3.1. Предсказания о будущем, пришедшие из прошлого

Первая попытка предсказать будущее вселенной на основе данных современной науки была предпринята Иммануилом Кантом в его прогрессивной космологии, которую он опубликовал в 1755 году. В XIX веке первопроходцы термодинамики обнаружили склонность закрытых систем дегенерировать от порядка к хаосу, и в 1850 году Рудольф Клаузиус вызвал призрак «тепловой смерти» вселенной. Подробно эту перспективу впервые раскрыл немецкий физик Герман фон Гельмгольц в статье, опубликованной в 1854 году [36]. Этот пессимистический долгосрочный прогноз был радостно подхвачен многими философами–материалистами и сыграл важную роль в развитии философии прогресса. Но не одни ф изики экстраполировали данные своей науки в отдаленное будущее. Чарльз Дарвин ясно видел, что продолжение эволюции приведет в далеком будущем к появлению потомков, ни по внешнему виду, ни по своей сути не схожих с предками. На последних страницах «Происхождения видов» он писал:

Судя по прошлому, мы можем быть уверены, что ни один из ныне живущих видов не перейдет в отдаленное будущее таким, каков он сейчас [12].

Холдейн и Бернал, оба пылкие материалисты, размышляли о судьбе интеллекта в отдаленном будущем. Холдейн видел, что будущее неблагоприятно для жизни в любых ее формах, однако полагал, что это отрезвляющее понимание конечной обреченности жизни не должно все же удерживать нас от

того ценного духовного упражнения, каковым является использование (хотя бы и неуклюжее) нашего воображения для того, чтобы представить себе наши будущие возможности [9] .

Однако при этих терапевтических размышлениях важно не увлекаться чересчур оптимистическим взглядом на вещи, не воображать, что в будущем нас ждет какой‑то комфортабельный золотой век. Следует помнить, что

существуют определенные критерии, которым должны удовлетворять всякие, даже самые фантастические, попытки предсказать будущее. Прежде всего: будущее будет не таким, каким мы хотели бы его видеть. Отцы–пилигримы были куда счастливее в Англии при короле Иакове Первом, чем могли бы быть в Америке при президенте Кулидже [10] .

Бернал задавался вопросом, как должна развиваться жизнь, чтобы вести в будущем независимое существование, и приходил к представлению о какой‑то бесплотной форме, резко отличной от всех форм жизни, известных нам ныне. В своей книге «Мир, плоть и дьявол» (1929) он спрашивает: что, если

наконец угаснет и само сознание… превратится в массу атомов в пространстве, сообщающихся друг с другом с помощью излучения и в конце концов, разрешающихся в чистый свет… эти существа… потребляют ничтожный минимум энергии… распространяются на огромные расстояния и временные периоды… Ареной жизни станет… холодная пустота космического пространства [11] .

Он неохотно соглашался с тем, что в конце концов второй закон термодинамики сведет все к безжизненному однообразию, однако выражал надежду, что какая‑то простая, нечеловеческая форма жизни сможет поддерживать производство информации в течение очень долгого времени, оттягивая горестный день, когда жизнь во вселенной исчезнет:

Второй закон термодинамики, который… приведет вселенную к бесславному концу, видимо, в конечном счете непреодолим. Но, возможно, с помощью разумной организации жизнь во Вселенной сможет продлиться в миллионы миллионов раз дольше, чем она продлилась бы без такой организации [12] .

Но полное значение идеи тепловой смерти стало возможно оценить лишь после открытия космологических следствий Эйнштейновой теории относительности. В 1930–х годах идею космологической тепловой смерти обсуждали в своих широко известных популярных работах Эддингтон и Джинс; позже эта идея оказала большое влияние на литературу и научную фантастику. В 1931 году Эддингтон писал:

Принято думать, что в конце концов все вещество во Вселенной соберется в один довольно плотный шар одинаковой температуры; однако доктрина сферического пространства, и в особенности недавние данные, касающиеся расширения Вселенной, заставляют в этом усомниться… Сейчас распространено убеждение, что материя постепенно превращается в излучение. Если так — возможно, в конце концов Вселенная превратится в шар излучения: он будет расти, излучение — становиться все тоньше, волны его — все длиннее. Примерно каждые 1500 миллионов лет [теперь это число следует увеличить благодаря более точному измерению постоянной Хаббла] этот шар будет удваивать свой радиус, и так его размер будет увеличиваться в геометрической прогрессии вечно [14].

Ведущие богословы также не стеснялись обсуждать эти прогнозы. Ученые, сведущие и в науке, и в богословии, такие, как Варнс или де Шарден, встречали вызов с высоко поднятой головой. Наиболее глубоко и подробно исследует эту тему работа Уильяма Инджа, впоследствии декана собора Святого Павла в Лондоне, чья влиятельная книга «Бог и астрономы» (1934), основанная на лекциях 1931–1933 годов, полностью посвящена размышлениям о сценариях тепловой смерти, которые Джинс и Эддингтон предлагали для обсуждения в своих широко известных лекциях и писаниях. Индж, как и многие другие богословы, фактически приветствовал концепцию тепловой смерти, поскольку представление о будущем, в котором всякая жизнь неизбежно придет к концу, наносило удар по материалистической концепции самодостаточности природы и человечества. Такая «самоубийственная» вселенная не могла быть эмоционально приемлемой в качестве гостеприимного дома для человечества. Мишенью Инджа стали приверженцы «модернистской философии», будь то атеистические материалисты или богословы, очарованные идеей «эволюционирующего Бога», который подстраивается к нуждам вечно меняющейся вселенной:

Мысль о конце мира нестерпима лишь для философов–модернистов, находящих в идее бесконечного прогресса во времени жалкую замену благословенной надежды на жизнь вечную, а в «эволюционирующем Боге» — бледную тень Творца и Миродержца вселенной. Эта философия превращает само время в абсолютную ценность, а прогресс — в космический принцип. Именно против такой философии и направлена моя книга. Я настаиваю на том, что философия модернизма разбивается о второй закон термодинамики; не удивительно, что такое положение для нее нестерпимо и она жалко извивается, стремясь избежать его тенет [24].

 

3.2. Эсхатология современной физики

В наше время рассмотрением судьбы вселенной с точки зрения всех известных нам законов физики и астрономии наиболее подробно занимался Дайсон, в 1979 году [13] писавший о долгосрочной судьбе вещества и астрономических структур в расширяющейся вселенной, а также Бэрроу и Типлер в 1978 [5] и 1986–м [6] годах предложившие свои размышления об эволюции анизотропии и неоднородности вселенной, распаде протонов и других аспектах современных объединенных калибровочных теорий, а также новых форм быстрой передачи информации, и исследовавшие тепловую смерть с точки зрения гравитационной энтропии, подчеркнутой Фраучи [18] в 1982 году. Из этих исследований понятно, что предсказывать будущее беспрерывно расширяющейся вселенной — по меньшей мере, столь же сомнительное занятие, как и реконструировать ее историю. В дальнейшем появились новые исследования, добавляющие некоторые детали [30, 26] и развивающие спекулятивные размышления о природе и возможных последствиях неограниченной обработки информации [32].

Чтобы включить в свое предсказание далекого космического будущего все возможные неопределенности, мы должны оценить все динамические возможности, открытые для расширяющейся вселенной: последствия поправок к нашей нынешней теории гравитации, на данный момент незначимо малых, но имеющих значение в долгосрочной перспективе, крупномасштабные топологические ограничения, возможности сверхслабых природных сил и легчайших элементарных частиц, роль которых в далеком будущем, с расширением вселенной, может чрезвычайно возрасти, и термодинамическую судьбу материи и энергии во всех их формах. А если мы хотим предсказать будущее жизни, то должны дать ей достаточно широкое определение, которое позволило бы ей избежать полностью предсказуемой судьбы всех атомных структур. Определение жизни как информационного процесса, требующего неравновесности, а также времени и пространства для хранения информации, делает возможным вопрос о том, какие типы вселенной позволят этой минимальной жизни — обработке бесконечного объема информации — продолжаться вечно. Этот вопрос переводит «проблему времени» из области общей теории относительности на иной, более высокий уровень. Необходимо спросить, что представляет собой естественная временная шкала, в рамках которой будет совершаться обработка информации в далеком будущем? Возможно, речь идет о самом простом времени наших бытовых представлений, как обычно предполагают; но, если обработка информации примет глобальные формы, куда уместнее будет измерять ее с помощью времени, которое внутренне определяется кривизной вселенной, без обращения к каким‑либо артефактам.

Интересным следствием этих исследований стало понимание того факта, что традиционная картина тепловой смерти вселенной нуждается в коренном пересмотре. Открытие Хокинга, установившего, что гравитационные поля являются носителями энтропии, означает, что максимальная возможная для вселенной энтропия может возрастать быстрее, чем реальная энтропия вещества и излучения. Таким образом, энтропия вещества и излучения вселенной может неуклонно возрастать в соответствии с нашими ожиданиями, основанными на втором законе термодинамики, однако эта энтропия будет все дальше и дальше от достижения того максимального значения, которое может иметь энтропия вселенной. Таким образом, несмотря на постоянное возрастание энтропии, вселенная уходит все дальше и дальше от термального равновесия и конечной тепловой смерти.

Этот комплекс возможностей и неизбежностей предоставляет как философам, так и богословам неисчерпаемое богатство потенциально важных вопросов для размышления:

• Каков ответ на конечность будущего земных (или даже любых) форм жизни?

• Что, если жизнь в каком‑либо определенном смысле слова способна существовать вечно?

• Как относиться к печально знаменитым парадоксам бесконечного повторения, неразрывно связанным с понятием бесконечности [17, 31]?

• Можно ли согласовать картину жестко структурированного пространства–времени в будущем со свободой воли?

Проблема меняется, если наша вселенная начнет сжиматься в далеком будущем, устремляясь в конце концов к «большому краху», который наступит через конечное время. Наблюдения могут сообщить нам лишь о том, может ли эта судьба постичь видимую часть нашей вселенной [2]. Мы находимся в дразнящей близости к точке, отделяющей бесконечное расширение в будущем от коллапса, и малые флуктуации местного характера на больших масштабах во вселенной могут породить весьма крупномасштабные области коллапса, в то время как остальная вселенная продолжит вечное расширение. Интересно, что популярная сейчас инфляционная модель вселенной позволяет ожидать существование подобного неоднородного состояния в любом месте вселенной и в любое время. Если же отдельная область (или даже вся вселенная) впадет в коллапс — возможно, вслед за этим она вновь начнет расширяться, осуществив таким образом осциллирующую версию древней стоической и восточной концепции циклически возрождающегося мира.

 

3.3. Взлеты и падения пульсирующих вселенных

Если наша расширяющаяся вселенная, со знакомыми нам звездами и галактиками, не возникла вдруг спонтанно и из ниоткуда — каково же ее происхождение? Одно из мнений, имеющее длинную родословную, гласит, что она вовсе не имела начала. Она существовала всегда. Неизменно обаятельные мифы повествуют о циклической истории вселенной, которая периодически сгорает в великом пламени и затем, как феникс, возрождается из пепла [16, 6]. Современные космологические модели расширяющейся вселенной вторят этому сценарию. Говоря о закрытых вселенных, имеющих историю расширения, расширяющихся до максимума и затем снова сжимающихся до нуля, нельзя исключить, что этот эпизод космической истории будет повторяться и дальше. Предположим, что вселенная расширяется и сжимается снова, и снова, и снова — и так до бесконечности. Если это возможно, нет никаких причин думать, что мы находимся в первом цикле. Можно вообразить себе неисчислимое множество пульсаций в прошлом и подобное же количество — в будущем. Однако мы игнорируем тот факт, что в начале и в конце каждого цикла возникает сингулярность. Возможно, что отталкивающая гравитация остановит вселенную поблизости от точки бесконечной плотности, или же в момент сингулярности произойдет что‑то еще более экзотическое… но все это — голословные предположения.

Впрочем, нельзя сказать, что такие предположения не ограничены ничем, кроме нашей фантазии. Возьмем за основу, что эволюцией от цикла к циклу управляет один из центральных принципов, управляющих жизнью всей природы — второй закон термодинамики, сообщающий нам, что полная энтропия (или беспорядок) закрытой системы никогда не может убывать. Упорядоченные формы вещества будут превращаться в беспорядочное излучение, а энтропия излучения будет постоянно возрастать. В результате будет повышаться общее давление, оказываемое веществом и излучением на вселенную, и размер вселенной будет увеличиваться в каждой последующей максимальной точке расширения. По мере развития циклов они становятся все больше и больше! Парадоксальным образом вселенная все приближается и приближается к критическому состоянию уплощенности, которое мы воспринимаем как следствие непомерного расширения. Если же оглянуться в прошлое, то мы увидим циклы, в которых вселенная была все меньше и меньше: предположение о ее начале во времени здесь оказывается излишним, хотя понятно, что жизнь могла возникнуть лишь после того, как циклы стали достаточно большими и достаточно длительными для формирования атомов и биологических элементов.

Довольно долго эта последовательность событий принималась за свидетельство того, что в прошлом вселенная не переживала бесконечного ряда пульсаций, поскольку возрастание энтропии в конце концов должно было сделать невозможным существование звезд и жизни (см., например, [20]), а число фотонов, которое мы измеряем в среднем по вселенной на каждый протон (около миллиарда), дает оценку производства энтропии в прошлом. Однако теперь мы знаем, что эта величина не обязательно должна возрастать от цикла к циклу. С ее помощью нельзя измерить возрастание энтропии. В момент обращения развития вселенной все смешивается, а в дальнейшем число протонов, сравниваемое с числом фотонов, устанавливается достаточно ранними процессами. Одной из проблем такого рода может оказаться проблема черных дыр. Если уж крупные черные дыры, вроде тех, что мы наблюдаем в центре многих галактик, включая Млечный Путь, формируются, они будут иметь тенденцию накапливаться во вселенной от цикла к циклу, становясь все массивнее, пока наконец не поглотят всю вселенную, конечно, при условии, что они не разрушаются при каждом обращении или не превращаются в отдельные «вселенные», которые мы не можем ни увидеть, ни ощутить гравитационно. Смолин [29] предложил занимательную схему, согласно которой, вслед за коллапсом черная дыра разворачивается в новую расширяющуюся вселенную, параметры физических констант в которой немного сдвинуты. В долгосрочной перспективе это может привести к возникновению целой популяции новых вселенных, преобладать в которой будут производящие больше всего черных дыр. Очень небольшие сдвиги в физических константах могут снизить производство черных дыр в нашей вселенной. Однако вполне возможно, что такие вселенные не допускают существования наблюдателей, поэтому наш сценарий должен звучать так: мы, скорее всего, находимся во вселенной, которая максимизирует производство черных дыр, при условии, что в ней могут существовать наблюдатели.

Любопытный постскриптум к истории циклических вселенных открыт недавно Мариушем Дабровски и мною [4]. Мы показали, что если космологическая константа Эйнштейна существует, то при любом, сколь угодно малом положительном значении ее эффект отталкивающей гравитации в конце концов прекратит пульсацию циклической вселенной. Осцилляции будут становиться все больше и больше, пока наконец вселенная не станет так велика, что космологическая константа возобладает над притяжением материи. Когда это случится, вселенная впадет в фазу ускоряющегося расширения, из которой она уже никогда не сможет выйти, если только в отдаленном будущем каким‑то таинственным образом не исчезнет вакуумная энергия, создающая давление космологической константы. Таким образом, при наличии положительной космологической константы пульсирующая вселенная может в конце концов избежать судьбы бесконечных осцилляции. Если в прошлом и существовало бесконечное число осцилляции, то в настоящем мы можем ожидать, что находимся в последнем бесконечно расширяющемся цикле, если только это тот самый цикл, в котором может существовать и развиваться жизнь.

Еще один путь, которым вселенная может избежать какого‑либо начала, — пережить экзотическую последовательность эволюционных шагов, созданных историей вечного расширения [27]. Не видно причин, по которым последовательность расширений, исходящая из уже расширяющихся доменов, вообще должна была иметь какое‑то общее начало. Для каждого отдельного домена возможно иметь историю, начинающуюся с определенного квантового события расширения, но весь процесс в целом может просто протекать стационарно — ныне и присно и во веки веков.

 

3.4. Рынок прогнозов

Всякий астроном, вступающий на рынок прогнозов, должен столкнуться со следующими вопросами:

• Будет ли «конец» или асимптота — в любом смысле?

• Идет ли речь только о «нашем» конце, о конце жизни вообще, о конце материи, пространства, времени или всей вселенной?

• Будет ли конец внезапным или постепенным?

• Возможны ли длительные циклы поведения вселенной или же естественного или искусственного отбора вселенных в какой‑либо форме?

• Будет ли в вечно расширяющейся вселенной что‑то постоянно меняться, или мы движемся к стазу?

• Каково влияние на вселенную существования космологической константы, или энергии космического вакуума?

Постепенный конец может стать результатом множества мелких и медленных перемен в природе вселенной, происходящих на протяжении эонов космического времени. Природные константы, текущие значения которых во многих случаях кажутся идеально «настроенными» на существование жизни, основанной на атомах, могут меняться, очень медленно, но все же меняться [37]. Возможно, рано или поздно они выйдут за пределы того узкого окна, что позволяет существовать стабильным атомам и звездам. Если существуют иные измерения пространства, то любые изменения в размерах этих неведомых нам измерений могут повлечь за собой перемены такого же масштаба в значениях тех «констант», которыми мы привыкли определять физическую природу в нашем трехмерном пространстве.

Мы уже начали понимать, сколь важные физические параметры, вроде баланса вещества и антивещества в космосе или количества основных природных сил, могут возникать из процесса нарушения симметрии, приводящего к весьма разным результатам в различных частях вселенной. Вселенная расширяется и стареет, и однажды это приведет к тому, что различные ее регионы, обладающие очень разными фундаментальными физическими характеристиками, столкнутся с драматическими результатами на границе.

Мы обнаружили свидетельства существования множества черных дыр, возникших в результате коллапса недолговечных массивных звезд, а также гигантских черных дыр в центрах галактик, где они растут, поглощая звезды и газ вокруг себя. Рано или поздно очень большая доля материи во вселенной может оказаться внутри черных дыр, однако не останется там навечно. Хокинг [22] показал, что черные дыры будут медленно «испаряться» — терять свою массу благодаря порождению квантовых частиц, возвращая в пространство релятивистские частицы и излучение в термальном спектре. Что происходит на последней, взрывной стадии этого процесса испарения — пока для нас загадка. На первый взгляд кажется, что в пространстве и времени останется единственная дыра, как после большого схлопывания. Если это так, значит, со временем вселенная окажется испещренной такими дырами в пространстве–времени — местами, где могут нарушаться законы природы. Из них может исходить все что угодно: фотоны, частицы, звезды, даже целые вселенные.

Все возможные внезапные и драматические концы — нас или вселенной вокруг нас — следует рассматривать, исходя из того, что признают возможным современные теории в области физики высоких и низких энергий. Состояние вакуума, в котором находится вселенная сейчас, признается низшим из возможных энергетических состояний — плодом последовательных нарушений симметрии, которые в прошлом опускали энергию вселенной все ниже и ниже. Но что, если нас ждут новые нарушения симметрии? Что, если нам угрожает следующее понижение с высокой вероятностью того, что вся вселенная внезапно изменится? Новый вакуум может иметь совсем иные характеристики, чем тот, что нам известен. Например, все частицы в нем могут быть лишены массы. Мы можем просто исчезнуть в мгновение ока. Если расширение вселенной предоставило нам место на «мелком шельфе» потенциального ландшафта, — кто гарантирует, что внезапный толчок не столкнет нас с обрыва навстречу новому, более глубокому энергетическому минимуму? Высокоэнергетические события во вселенной вполне могут сыграть роль такого толчка.

Если столкновения звезд или черных дыр порождают космическое излучение достаточно высокой энергии, то это излучение способно спровоцировать переход целой области пространства в новый вакуум [23, 35]. Конечно, это изображение вакуумного ландшафта спекулятивно. Мы недостаточно знаем этот ландшафт в целом, чтобы с уверенностью говорить о том, находимся ли мы уже на нижнем уровне или существуют иные вакуумы, в которые случайно либо целенаправленно может провалиться состояние материи нашего мира. Когда воображаешь себе эту радикальную возможность необъявленной перемены в базовых характеристиках сил природы, возникает искушение изобразить ее в виде логического завершения идеи прерывистого равновесия, предложенной Нильсом Элдриджем и Стивеном Джеем Гулдом [15]. Они предположили, что ход биологической эволюции, идущей на земле путем естественного отбора, представляет собой не ровный поступательный процесс, а серию медленных изменений, перемежаемых внезапными скачками. Его можно представить себе, как движение предмета, влекомого некоей сторонней силой, вверх–вниз по крутым горкам. Паттерн изменений в этих условиях выглядит так: медленный подъем в гору, затем, по достижении вершины — быстрый прыжок на склон следующей горы и снова медленный равномерный подъем [1].

Тесная связь нашей формы биохимической жизни с весьма специфическими совпадениями значений и свойств различных сил природы означает, что любое изменение состояния вакуума, скорее всего, обернется для нас катастрофой. Мы окажемся в новом мире, где могут существовать иные формы жизни, но нет никаких оснований полагать, что они окажутся лишь малым эволюционным отклонением от наших биохимических форм.

Если вселенная двигается в этом направлении, то, возможно, в один из будущих эонов ее ждет потрясение. Что касается загадки, почему сила лямбда должна вступить в игру так скоро, то кажется маловероятным, чтобы эпоха, в которую «падение»

может произойти, была близка ко времени существования человечества во вселенной, — разве что она как‑то связана с лямбдой или присутствие жизни способно как‑то ускорить это великое падение. Одним словом, пессимисты, не отчаивайтесь: все может быть еще хуже, чем вы думаете.

В физике элементарных частиц мы привыкли к догме, что всякая нарушенная симметрия при наличии достаточно высокой энергии в конце концов восстанавливается. Однако мы не считаем, что асимметрии рано или поздно нарушаются при низком уровне энергий и температур. Возможно, это убеждение неверно. Если всякая симметрия нарушается при достаточно низких температурах, то вполне возможно, что в отдаленном будущем, когда вселенная существенно остынет, U(l) симметрия электромагнетизма нарушится, придав всем фотонам положительную массу. Результаты могут быть столь же драматичны. Столь же внезапным может быть конец, если мы натолкнемся на локальную сингулярность пространства–времени или будем застигнуты подступающей гравитационной ударной волной.

Но самое замечательное, что может произойти в вечно расширяющейся вселенной с бесконечным будущим, — это способность образовать квантовый тоннель обратно в «ничто». Сейчас многие квантовые космологи пытаются объяснить вселенную как в некотором смысле выскочившую из «ничего». В большинстве современных сценариев этого события вероятность появления чего‑то из ничего гораздо больше, чем вероятность появления ничего из чего‑нибудь. Однако при бесконечном времени ожидания любой процесс, вероятность которого конечна, рано или поздно произойдет.

 

3.5. Будущее вакуума

Вакуумная энергия вселенной, проявляющаяся в общей теории относительности Эйнштейна как космологическая константа, может «отменить» момент возникновения вселенной, оказывать влияние на начальные моменты ее жизни и управлять ее расширением в настоящее время. Но самый значительный ее эффект еще впереди: это — власть над будущим вселенной. Энергия вакуума, проявляющаяся как космологическая константа Эйнштейна, останется константой и тогда, когда все прочие вклады в плотность вещества во вселенной: звезды, планеты, излучение, черные дыры будут рассеяны благодаря расширению. Если (как следует из наших наблюдений) энергия космического вакуума сравнительно недавно дала начало ускоряющемуся процессу расширения вселенной и это расширение будет продолжаться вечно, значит, в будущем ее власть возрастет до непреодолимой силы. Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее — вечно. Все быстрее будет падать температура, а звезды будут истощать свои запасы ядерного топлива и взрываться, оставляя после себя лишь плотные мертвые тела из тесно упакованных холодных атомов или концентрированных нейтронов либо крупные черные дыры. Даже гигантские галактики и скопления галактик постигнет та же судьба: по мере того как движение составляющих их звезд будет постепенно замедляться благодаря утечке гравитационных волн и излучения, они начнут спирально закручиваться внутрь себя. Огромные черные дыры в их центре будут поглощать все звезды, всю материю вокруг себя и становиться все больше. Наконец все эти черные дыры испарятся благодаря процессу, открытому Хокингом.

Удивительнее всего в космической энергии вакуума то, что в конце концов она побеждает все иные формы материи и энергии в борьбе за определение формы пространства и скорости расширения вселенной. Неважно, какова была структура вселенной в былые дни, прежде чем пришла к власти энергия вакуума; как все дороги древности вели в Рим, так и все вечно расширяющиеся вселенные стремятся к одной вполне определенной ускоряющейся вселенной, так называемой вселенной де Ситтера по имени Виллема де Ситтера, знаменитого голландского астронома, нашедшего в 1917 году это решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Эта вселенная отличается тем, что она — самая симметричная из всех возможных.

Это свойство ускоряющейся вселенной — потерю памяти о том, как она начиналась, иногда называют «характеристикой космической безволосости». Этот забавный термин подчеркивает тот факт, что все ускоряющиеся вселенные становятся одинаковыми: они не сохраняют индивидуальных отличительных черт (метафорически говоря, причесок). Это неотвратимое соскальзывание в одно–единственное будущее состояние сигнализирует о том, что при ускорении вселенной происходит потеря информации. Расширение идет так быстро, что информационное содержание сигналов, посылаемых через вселенную, также максимально быстро деградирует. Все сглаживается; различия в скорости расширения в разных направлениях при достаточно высокой скорости исчезают; распределение материи в космосе не создает новых участков сгущения; местное гравитационное притяжение проигрывает последнюю битву с непреодолимым отталкиванием, обусловленным силой лямбда.

Такое действие ускоряющегося космологического расширения имеет важные последствия для любых рассуждений о жизни в отдаленном будущем. Если жизнь требует для своего существования накопления и обработки информации, то мы должны спросить себя, всегда ли вселенная будет предоставлять условия для этого. Дайсон [13], а также Бэрроу и Типлер ([6], глава 10) показали, что при отсутствии энергии вакуума, когда расширение не ускоряется, имеются широкие возможности для сохранения этой самой основной формы жизни. Информация может храниться в состоянии элементарных частиц, которые приспособлены для этого гораздо лучше, чем наши нынешние компьютеры. Для неограниченного продолжения обработки информации живым системам необходимо создавать и поддерживать отклонения от абсолютной однородности температуры и энергии во вселенной. При отсутствии ускоряющей энергии вакуума это всегда возможно, хотя, вероятно, и требует, чтобы жизнь использовала разницу гравитационных энергий, поддерживающую разность скоростей расширения вселенной на разных направлениях. Плотность энергии, поддерживающая эти различия, падает намного медленнее, чем у любой обычной формы материи. Небольшие отклонения в скорости расширения вселенной на различных направлениях могут привести к тому, что излучение будет охлаждаться с немного разной скоростью в разных направлениях. Этот температурный градиент можно будет использовать для совершения работы или для обработки информации. Конечно, это не означает, что жизнь в какой бы то ни было форме будет существовать вечно [11], не говоря уж о том, что она должна существовать вечно; речь идет лишь о логической и физической возможности, основанной на известных нам законах физики и предполагающей отсутствие энергии вакуума, пронизывающей вселенную.

Однако, как показали Бэрроу и Типлер (см. [6], р. 668), если энергия вакуума существует, все меняется — и меняется к худшему. Всякая эволюция неизбежно ведет к однородному состоянию, характеризующему ускоряющуюся вселенную де Ситтера. Обработка информации не может длиться вечно: она должна прекратиться. Чем ближе подходит материальная вселенная к состоянию однородности, тем меньше в ней полезной энергии будет доступно. Если энергия вакуума существует, но во вселенной недостаточно вещества, чтобы превратить ее расширение в сжатие прежде, чем энергия вакуума обретет контроль над расширением и начнет ускорять его, то вселенная, по–видимому, обречена на безжизненное будущее. Рано или поздно ускорение приводит к появлению коммуникационных барьеров. Мы уже не сможем получать сигналы из отдаленных областей вселенной. Мы окажемся как бы внутри черной дыры. Та часть вселенной, которая сможет влиять на нас (или на наших потомков) и с которой мы (они) сможем вступать в контакт, будет конечной. Чтобы избежать этого клаустрофобического будущего, было бы нужно уменьшение энергии вакуума. Мы полагаем, что она всегда должна оставаться постоянной, но возможно, что она незаметно уменьшается. Или, может быть, в один прекрасный день она внезапно перейдет в излучение и обычные формы вещества, и оставленная в покое вселенная понемногу соберется с силами и будет постепенно использовать гравитацию для того, чтобы вновь собирать материю, обрабатывать информацию. Однако возможно, что последствия будут и не столь благоприятны. Мы уже видели, что исчезновение энергии вакуума может предвещать падение вселенной даже на еще более низкий энергетический уровень, которому будут сопутствовать резкие перемены в ее физической природе. Возможно даже, что вакуум перейдет в новый вид материи, обладающий еще большей отталкивающей силой, чем сила лямбда. Если ее давление будет еще более негативным, в будущем нас ждут драматические события. Через какое‑то конечное время расширяющаяся вселенная может превратиться в сингулярность бесконечной плотности.

 

3.6. Изменчивые константы

Когда мы оцениваем долгосрочные космологические перспективы, важно точно знать, что в космосе не может измениться, сколько бы мы ни ждали. Такие неизменные величины у физиков принято называть «природными константами». Предполагается, что они всегда одни и те же. Существуют различные полученные в наблюдениях и экспериментах строгие ограничения, которые подтверждают это предположение, и стандартные модели физики элементарных частиц и космологии большого взрыва исходят именно из этой неизменности. Однако, если одной или нескольким из этих констант суждено измениться, пусть величина изменения сейчас и кажется совершенно незначительной для каких бы то ни было практических целей, в отдаленном будущем это может радикально изменить картину нашей вселенной. До недавних пор у нас не было никаких положительных свидетельств того, что некоторые традиционные природные константы — не просто константы. Разрабатывались теории, рассматривающие последствия изменений G, гравитационной постоянной Ньютона, но этот вопрос ставился преимущественно в чисто теоретическом ключе с целью установить ограничения на допустимые вариации с помощью наблюдательных данных. Однако, к общему изумлению, серия тщательных наблюдательных исследований [37, 38, 39] показала, что в красном смещении, между единицей и тройкой, тонкая структура становится приблизительно на семь миллионных долей меньше.

Теоретическое исследование [7, 8] этой ситуации открыло весьма необычную черту вселенных с изменчивостью таких констант, как константа тонкой структуры α или G. Если вселенная плоская и ее космологическая константа равна нулю, то значение α будет оставаться постоянным в раннюю эру излучения, но начинает изменяться в пылевую эру, пока кривизна вселенной или энергия вакуума не начнут влиять на расширение. Когда кривизна вселенной или энергия вакуума контролируют расширение, все изменения а прекращаются. Таким образом, для жизни может быть существенно, что кривизна или энергия вакуума в нашей вселенной не слишком малы. Поскольку чем меньше эти эффекты, тем дольше будет возрастать значение α.

В конце концов оно станет слишком большим для существования атомов, и возможность жизни, как мы ее знаем, будет утеряна. В космологической истории существует определенная ниша для существования жизни, основанной на атомных структурах [9]. Существование крайне малого уровня пространственной кривизны, создающего открытую вселенную, или ненулевой энергии вакуума предотвращает возрастание константы альфа и позволяет атомам существовать в течение намного более долгих сроков.

Эти соображения показывают, что для создания достоверных и долгосрочных прогнозов о будущем вселенной и тех форм материи, которые смогут в ней существовать, необходимо полностью понимать феномен постоянства традиционных природных констант.

 

3.7. если эта теория верна — она не может быть оригинальной

Есть и последняя линия рассуждений, о которой также не следует забывать. В науке мы привыкли пренебрегать крайне маловероятными событиями несмотря на то, что они в принципе возможны. Например, законы физики допускают, что мой письменный стол взлетит и застынет в воздухе. Необходимо всего лишь, чтобы все его молекулы в ходе своих случайных движений одновременно устремились вверх. Такая возможность настолько невероятна даже в масштабе 15 миллиардов лет истории вселенной, что для всех практических целей о ней можно не вспоминать. Однако, когда перед нами бесконечное будущее, у любой фантастически невероятной физической случайности в конечном счете появляется немалый шанс воплотиться в жизнь. Энергетическое поле, сидящее на дне вакуумного ландшафта, рано или поздно совершит фантастический, невероятный прыжок вверх — прямо на вершину холма. Тогда для нас расширяющаяся вселенная начнется заново. Или, что еще более невероятно,

вся наша вселенная реализует ничтожную вероятность квантового перехода в другой тип вселенной? Ни один обитатель вселенной, испытавший столь радикальное преобразование, не выживет. Впрочем, по мере роста системы вероятность ее драматического квантового преобразования уменьшается. Гораздо вероятнее, что такую перестройку пройдут отдельные объекты вселенной (например, камни, черные дыры или люди), чем то, что это произойдет со вселенной в целом. Эта возможность достаточно важна не столько потому, что мы можем предсказать, что может случиться в течение бесконечного времени, сколько потому, что предсказать это невозможно. Когда перед нами бесконечность, все, что может случиться, в ней обязательно случится. Хуже того (или лучше того), это будет случаться бесконечно часто.

На глобальном уровне вселенная может быть самовоспроизводящейся, но это лишь обеспечивает существование других расширяющихся областей с новыми началами. Быть может, кто‑то из ее обитателей когда‑нибудь овладеет техниками, которые будут нуждаться в возникновении этих локальных инфляции для того, чтобы упорядочивать их последствия и управлять ими. Для нас же бытие представляет какую‑то странную симметрию. Возможно, однажды вселенная возникла из квантового вакуума, сохранив кое–какие незначительные воспоминания о его энергии. В далеком будущем эта энергия вакуума повторно заявит о своем присутствии и снова ускорит расширение, на этот раз, возможно, навсегда. Самовоспроизведение на глобальном уровне может положить начало новым большим взрывам, новым физикам, новым измерениям; но нашей мировой линии, нашей части вселенной, похоже, суждено в конце концов навсегда обратиться в однообразный, беззвездный и безжизненный пейзаж.

Хотел бы поблагодарить Мэри Энн Мейерс и Фонд Темплтона за приглашение на этот симпозиум, участников — за многочисленные и плодотворные дискуссии, а также Джорджа Койне и работников Понтификальной академии наук — за их неизменное гостеприимство.

 

Литература

1. Вак, P., How Nature Works (Oxford University Press, Ocford, and Copernicus, New York, 1996).

2. Barrow, J. D., Impossibility (Oxford University Press, Oxford, 1998).

3. Barrow, J. D., "Life, Universe, and Almost Everything", Physics World, 12, 31–35 (1999).

4. Barrow, J. D., and Dabrowski, M., "Oscillating Universes", Mon. Not. Roy. Astron. Soc, 275, 850–62 (1995).

5. Barrow, J. D., and Tipler, F. J., "Eternity Is Unstable" Nature, 276, 453 (1978).

6. Barrow, J. D., and Tipler, F. J., TheAnthropic Codmobgical Principle (Oxford University Press, Oxford, 1986).

7. Barrow, J. D., Sandvik, H., and Magueijo, J., "The Behaviour of Varying‑Alpha Cosmologies", Phys. Rev. D., 65, 063504 (2002).

8. Barrow, J. D., Sandvic, H., and Magueijo, J., "A Simple Varying‑Alpha Cosmology", Phys. Rev. Lett., 88, 031302 (2002).

9. Barrow, J. D., Sandvik, H., and Magueijo, J., "Anthropic Reasons for Non‑zero Flatness and L", Phys. Rev. D., 65, 1235XX (2002).

10. Bernal, J. D., The World, the Flesh, and the Devil, 2nd ed. (Indiana University Press, Bloomington, 1969, 1st ed,. 1929), 63.

11. Clark, S. R.L., How to Live Forever (Routledge, London, 1995).

12. Darwin, C, On the Origin of Species by Means of Natural Selection, 2nd ed. (Murray, London, 1860), 489.

13. Dyson, F., "Life in an Open Universe", Rev. Mod. Phys., 51, 447 (1979).

14. Eddington, AS., "The End of the World: From the Standpoint of Mathematical Physics", Nature, 127, 447–53 (1931).

15. Eldredge, N., Macro‑Evolutionary Dynamics (Mc‑Graw‑Hill, New York, 1989).

16. Eliade, M., The Myth of the Eternal Return (Pantheon, New York, 1934).

17. Ellis, G. F.R., and Brundrit, G. B., "Life in the Infinite Universe", Q. I. Roy. Astron. Soc, 20, 37 (1979).

18. Frautschi, S., "Entropy in an Expanding Universe", Science, 217, 593 (1982).

19. Haldane, J. B.S., The Last Judgement (Harper Bros., New York, 1927), 38.

20. Harrison, E. R., Cosmology (Cambridge University Press, Campridge, 1981), 299–300.

21. Harrison, E. R., "The Natural Selection of the Universes", Q I. Roy. Astron. Soc, 36,22. 193 (1995).

22. Hawking, S. W., "Black Hole Explosions", Nature, 248, 30 (1974).

23. Hut, P., and Rees, M. J., "How Stable Is Our Vacuum?", Nature, 302,508 (1983).

24. Inge, W., God and the Astronomers (Longmans Green, London, 1934), 28.

25. Kant, I., Universal Natural History and Theory of the Heavens, trans. W. Hastie (Greenwood Pub., New York, 1968), 59–70.

26. Krauss, L., and Starkman, G., "Life, the Universe, and Nothing: Life and Death in an Ever‑Expanding Universe", Astrophys, J., 531, 22–31 (2000).

27. Linde, A., "The Self‑Reproducing Inflationary Universe", Sci. Amer. 5, November, 48–55 (1994).

28. Sandvik, H. B., Barrow, J. D., and Magueijo, J., "A Simple Varying‑Alpha Cosmology", Phys. Rev. Lett, 88, 031302 (2002).

29. Smolin, L., "Did the Universe Evolve?", Class Q. Gravity, 9, 173 (1984).

30. Starobinskii, A. A., "Future and Origin of Our Universe: Modern View", Phys. Grav. Cosmoi, 6, 157–63 (2000).

31. Tipler, F. J., "A Brief History of the Extraterrestrial Intelligence Concept", Q. I. Roy. Astron. Soc, 22, 133 (1981).

32. Tipler, F. J., The Physics of Immortality (Doubleday, New York, 1995).

33. Tolman, R. C., "On the Problem of the Entropy of the Universe as a Whole", Phys. Rev., 37, 1639–1771 (1931).

34. Tolman, R. C., "On the Theoretical Requirements for a Periodic Behaviour of the Universe", Phys. Rev., 38, 1758 (1931).

35. Turnerm V. S., and Wilczek, F., "Is Our Vacuum Metastable?", Nature, 298, 633 (1982).

36. von Helmholtz, H., "On the Interaction of the Natural Forces", reprinted in Popular Scientific Lectures, ed. M. Kline (Dover, New York, 1961).

37. Webb, J. K., Flambaum, V. V., Churchill, C. W., Barrow, J. D., and Drinkwater, M. J., "Evidence for Time Variation of the Fine Structure Condtant?", Phys. Rev. Lett., 82, 884–87 (1999).

38. Webb, J. K., Murphy, V., Flambaum, V. V., Dzuba, V., Barrow, J. D., Churchill, C. W., Prochaska, J., and Wolfe, A., "Further Evidence for Cosmological Evolution of the Fine Structure Constant", Phys. Rev. Lett, 87, 0913301 (2001).

39. Webb, J. K., Murphy, M., Flambaum, V. V., Dzuba, V., Barrow, J. D., Churchill, C. W., Prochaska, J., and Wolfe, A, "Possible Evidence for a Variable Fine Structure Constant from QSO Abruption Lines — I. Motivations, Analysis, and Results", Mon. Not. Roy. Astron. Soc, 327, 1208 (2001).

 

Пол Дэвис

 

4.1. Введение

Известная поговорка «Путешествовать интереснее, чем достигать цели» хорошо отражает сложные и противоречивые отношения людей со временем и вечностью. Смерть — для большинства из нас проклятие, но и вечная жизнь может казаться бесцельной. Это внутреннее напряжение относится как к человеческому существованию, так и к «жизни» вселенной в целом. Оно всплывает и в научной космологии, и в сильной эмоциональной привлекательности, присущей некоторым космологическим моделям в разных культурах.

Мирча Элиаде [9] писал, что все древние культуры основаны на мифе о вечном возвращении. Эволюционная психология показывает, что цикличность глубоко укоренена в человеческой психике. Выживание в былые времена напрямую зависело от способности людей жить в гармонии с циклами и ритмами природы: дневным, лунным, годовым циклами, менструальными циклами и другими биоритмами. Естественно, что в рамках тех культур развивались циклические космологии. Цикличность пронизывает мифы о творении и многих современных культур, от времени сновидений австралийских аборигенов до многоуровневых циклов индуизма. Понятие «колесо Фортуны» и распространенные выражения типа «Жизнь — как зебра, полосатая» свидетельствуют о сильном влиянии циклического мироощущения даже на современное западное общество.

Решительный разрыв с цикличностью принес иудаизм, подчеркнувший роль Бога–Творца, который создал вселенную в определенный момент в прошлом и далее поддерживал ее однонаправленное развитие. В иудаизме, христианстве и исламе время не замкнуто, а линейно, и Бог открывает себя в истории через специфическую последовательность событий (например, творение, грехопадение, воплощение, искупление, суд). Иными словами, перед нами разворачивается космическая история — история, имеющая начало, середину и конец.

 

4.2. С точки зрения научной космологии

С XVII века, когда наука приняла свою современную форму, она разделяла иудео–христианский взгляд на мир. Поток (англ. flux) линейного времени стал основой, на которой Ньютон построил свою механику (его теория «флюксий» ныне известна как дифференциальное исчисление). Любопытно, что космология Ньютона статична и вечна, однако поддерживается божественными заботами.

Наука держалась за статичную и вечную картину космоса вплоть до двадцатого века, когда выяснилось, что вселенная расширяется. С тех пор было выдвинуто множество космологических моделей, исходящих из этого факта. Их выводы о конечной судьбе вселенной радикально различны. Приведем их краткий обзор:

1. Вселенная возникает в определенный момент в прошлом и расширяется вечно, дегенерируя согласно второму закону термодинамики и в очень отдаленном будущем приближаясь к состоянию почти безликого равновесия («тепловой смерти» в космологии XIX века).

2. Вселенная возникает в определенный момент в прошлом и исчезает в определенный момент в будущем (например, коллапсирует в сингулярность конечного «большого схлопывания» или гибнет в космической катастрофе, вроде распада квантового вакуума). Энтропия постоянно возрастает, однако вселенная (по крайней мере в ее нынешней форме) исчезнет раньше, чем будет достигнуто состояние конечного равновесия.

3. Развивается сценарий 2, однако в определенный момент, возможно, в точке, близкой к максимальному расширению, «стрела времени» поворачивает вспять — и вселенная возвращается к итоговому, относительно упорядоченному состоянию, которое аналогично или даже идентично изначальному состоянию «Большого взрыва».

4. Циклическая вселенная, в которой за расширением и сжатием следует «большой скачок» в новый цикл расширения и сжатия. Вселенная бесконечно пульсирует таким образом. Здесь возможны следующие варианты:

• Информация о физическом состоянии до скачка переживает скачок, так что вселенная продолжает развиваться согласно законам термодинамики. С каждым скачком циклы увеличиваются (на что указывал Толмен [25] еще в 1930–х годах) и, возможно, после множества циклов возникает нечто подобное нашей вселенной [16].

• Скачок представляет собой столь экстремальный физический переход, что информация после него воспроизводится «с нуля» [27], может быть, случайным образом. Возможно, изменяются сами законы физики. В этом случае эволюция каждого цикла не обязана коррелировать с предыдущими и последующими циклами. Стоит спросить, уместны ли здесь вообще термины «предыдущий» и «последующий», поскольку временная последовательность в этом случае теряет смысл. С тем же успехом можно сказать, что циклы не последовательны, а параллельны.

• Циклическая модель каким‑либо образом комбинируется с обращением времени. Например, стрела времени может быть направлена в разные стороны в следующих друг за другом циклах, поворачиваясь вспять (скорее всего) не на вершине расширения, а в момент скачка. В таком случае по прошествии двух циклов вселенная вернется в изначальное состояние.

5. Стационарная вселенная, которая не имеет ни начала, ни конца, но продолжает неограниченно расширяться. Постоянно возникающая новая материя заполняет промежутки, возникающие при разбегании галактик. Эти инъекции низкоэнтропийной материи всегда «подпитывают» вселенную, позволяя ей сочетать вечное существование с бесконечным развитием. Из вариаций на эту тему можно назвать космологию С–поля, разработанную Хойлом [13], с асимптотически стационарной вселенной, или модели, в которых эволюционные эпизоды погружены в общее стационарное состояние.

6. Космологии мультивселенных. Общая идея этих моделей: то, что мы до сих пор принимали за «вселенную», на самом деле лишь «пузырь пространства», в гораздо более крупной системе, где другие «пузыри», возможно, с совершенно разными физическими условиями, существуют на очень большом расстоянии друг от друга. Каждый «пузырь» может проходить свой жизненный цикл: рождение, развитие и, возможно, смерть; но это не мешает всему ансамблю в целом пребывать в состоянии, похожем на стационарное. Таким образом, мультивселенная вечна, но ее индивидуальные компоненты — нет. Среди моделей такого рода можно назвать хаотическую космологию Линде [18] и «космический дарвинизм» Смолина [23]. В последней модели одна вселенная может порождать другие посредством своеобразного «почкования», так что ситуация напоминает жизнь биологических организмов — по мере того как вселенная — «родитель» стареет, рождаются новые вселенные, и так до бесконечности.

Хотя астрономические наблюдения предлагают нам возможность различения между этими моделями, космология (по крайней мере до самого последнего времени) славилась тем, что из одних и тех же наблюдений разные космологи делали совершенно разные выводы. В этой атмосфере, вероятно, можно понять сторонников и противников различных моделей, которые чаще, чем это принято в науке, привлекают себе на помощь аргументы эмоционального и богословского характера. Например, Фред Хойл ясно дал понять, что теория стационарного состояния привлекательна для него потому, что исключает «Большой взрыв» [14], который в 1950–х годах идентифицировался в некоторых кругах (например, папой Пием XII) с иудео–христианской концепцией творения. Для Хойла (в то время) идея божественного творения была нетерпима, поэтому он приветствовал теорию вселенной, не имеющей ни начала ни конца, как способ избавить научную космологию от ее богословских корней. В том же духе многие ученые (например, Роберт Джастроу [15]) принимали прямо противоположную точку зрения, заявляя, что верят в «большой взрыв» как научную версию библейского мифа о творении. Нет сомнения, что даже сейчас теисты чувствуют себя более комфортабельно с теорией «Большого взрыва», хотя самому по себе учению о творении ex nihilo никогда не предназначался большой вклад в описание начала вселенной.

 

4.3. Циклические вселенные

Читая публичные лекции о моделях космологии, я не раз поражался тому, сколь многие из моих слушателей радостно принимали идею циклической вселенной. Эта модель больше всего соответствует древним космологическим мифам, а также системе индуизма. Трудно сказать, связана ли ее привлекательность с современной популярностью восточной философии, или же в ней отражается глубоко коренящаяся тревога, которую порождает концепция линейного времени, предваряющая западную научную мысль. В то же время другие люди находят идею бесконечных повторяющихся циклов нестерпимой.

Необходимо, однако, проводить различие между строго циклическими космологиями, в которых время замкнуто в кольцо, и теми, в которых повторяются лишь базовые черты все–ленной. Согласно распространенному заблуждению, строгая цикличность означает, что мы обречены на бесконечное и бесцельное повторение одних и тех же событий — идея, отраженная (весьма грубо) в голливудском фильме «День сурка». Здесь смешиваются два различных представления о стреле времени. С одной стороны, существует асимметрия физического мира относительно времени: более поздние состояния объективно отличаются от более ранних (например, энтропия возрастает, люди становятся старше). С другой стороны, существует психологическое впечатление, что время «течет» или «идет» — представление, не имеющее подтверждений в современной физике и отвергаемое многими философами как иллюзия или лингвистическая путаница (см., например, «Миф течения» Дональда Уильямса [28]). В циклической вселенной стрела времени (в первом смысле) должна в какой‑то момент обернуться вспять так, чтобы вселенная вернулась в более раннее состояние. Это означает, что различные физические процессы также «пойдут вспять»: например, энтропия начнет падать, а люди молодеть. Однако совершенно неправильно говорить про этот процесс, что «время течет вспять» (поскольку время вообще никуда не «течет»). Большинство физиков считают, что психологическое впечатление течения времени каким‑то образом связано с мозговыми процессами и с памятью. Во вселенной с обращенной стрелой времени мозговые процессы также «пойдут вспять» — и никто из нас не станет свидетелем безумных обращенных последовательностей, наподобие разбитых яиц, которые вновь становятся целыми, или тепла, которое спонтанно перетекает от холодных тел к горячим. Таким образом, представление о том, что в строго циклической вселенной «одно и то же повторяется снова и снова» — это просто неправильное понимание соотношения течения времени и временной асимметрии мира. По няв это, мы увидим и то, что строго циклические модели весьма сходны с моделью конечного времени «от взрыва до схлопывания». В обоих случаях речь идет о конечной продолжительности времени, в течение которой могут происходить события, осуществляться проекты и так далее.

 

4.4. Вселенные с конечной продолжительностью

Насколько привлекательна вселенная, существование которой конечно? Некоторым людям мысль о гибели всей вселенной внушает ужас несмотря даже на то, что это уничтожение может произойти в отдаленном будущем, через много миллионов лет после их собственной смерти. При столкновении с личной телесной смертью нас часто утешает мысль о том, что «жизнь будет продолжаться» и дальше, наши жертвы и свершения послужат будущим поколениям, наши дети достигнут того, что не удалось нам. Если же вселенная в целом обречена на гибель, может возникнуть ощущение, что и наша жизнь в конечном счете бессмысленна. Возможно, наиболее известное выражение этого чувства, что «если вселенная погибнет, то жизнь бесцельна и бессмысленна», дано Бертраном Расселом [21]:

Все неисчислимые труды веков, вся жертвенность, все вдохновение, все полуденное сияние человеческого гения приговорены к уничтожению в грандиозной гибели Солнечной системы… и весь храм достижений человечества неминуемо будет погребен под останками рухнувшей вселенной.

Это слова из книги Рассела «Почему я не христианин». По–видимому, ход его мыслей следующий: если вселенная не может существовать вечно, значит, не может быть и Бога. Еще один воинствующий атеист, Питер Аткинс, использовал в своем нападении на религию тот же ход мысли [1]:

Мы смотрим в окно на мир, управляемый вторым законом, и видим ничем не прикрытую бесцельность природы. Глубинная сущность любых изменений — это распад; источник изменений во всех их формах — падение качества энергии, хаотично, необратимо и бесцельно распространяющееся во времени. Стрела времени направлена в сторону разрушения, и все перемены ведут к смерти. Само ощущение времени лишь связь электрохимических процессов в нашем сознании с этим бесцельным сползанием в хаос по мере того, как мы погружаемся в равновесие — и в могилу.

С этим согласны многие теисты. Не случайно некоторые христианские фундаменталисты отвергают второй закон термодинамики, обрекающий космос на дегенерацию и разрушение. Они утверждают, что вселенная, способная переживать обновление и существовать целую вечность, более соответствует религиозной картине мира, чем вселенная, обреченная на разложение. Однако некоторые знаменитые атеисты (например, Фридрих Энгельс) выражали схожее отвращение к перспективе тепловой смерти космоса и искали путей, на которых законы природы могли бы обойти ее. Но чаще эти негативные чувства по поводу обреченной вселенной относятся к космологическим моделям постоянного расширения, к которым я скоро перейду.

В случае вселенной, которая, скажем, через 100 миллиардов лет сколлапсирует в «большом схлопывании», есть одна тонкость, связанная с тем, какое физическое значение мы придаем слову «конец». Определение времени в простых космологических моделях относится к усредненному состоянию материи. Если говорить о так называемом космическом времени, то «вселенная большого схлопывания» действительно существует лишь конечное время. Однако с приближением к конечной сингулярности температура неограниченно возрастает, и вполне возможно, что на финальных стадиях существования вселенной в ней будет достигнут бесконечный уровень активности. То же самое верно, если вселенная испытает какие‑либо отклонения от строгого единообразия (что вполне возможно). В зависимости от технических деталей распределение материи и форма пространства могут претерпеть бесконечно сложные изменения, которые будут происходить со все увеличивающейся быстротой. Типлер [24] показывает, что бесконечное количество информации можно обработать, располагая лишь конечным космическим временем. В этом смысле модель сжимающейся вселенной все же предлагает безграничное множество возможностей.

 

4.5. Вечные модели

Теперь обратимся к стандартным моделям постоянно расширяющейся вселенной, существующей бесконечно, но подверженной тепловой смерти. Конкретные детали конечного состояния такой вселенной зависят от наших предположений о природе материи. Общая тенденция для вселенной во всех случаях такого продолжающегося расширения — это охлаждение и приближение к термодинамическому равновесию. Однако классическая тепловая смерть, предсказанная в XIX веке, теперь модифицировалась благодаря факту расширения вселенной, который обусловливает замедление приближения к равновесию. Конкретные детали (например, разрушение протонов, «испарение» черных дыр и т. п.) уже подробно обсуждались в других местах, и я не стану повторять их здесь, скажу лишь, что стандартная картина отдаленного будущего представляет вселенную в виде очень жидкого (и все более разрежающегося) «бульона» из крайне низкоэнергетических фотонов, нейтрино и гравитонов, двигающихся практически свободно в медленно расширяющемся пространстве. Нормальная материя, если она вообще сохранится, возможно, будет состоять из случайных электронов и позитронов, медленно дрейфующих в этом невидимом «бульоне».

За основополагающей статьей Фримена Дайсона [8] последовало множество анализов далекого будущего расширяющейся вселенной и тех вызовов, с которыми придется встретиться живым существам, стремящимся сохранить свое существование среди все уменьшающихся термодинамических ресурсов. Дайсон обнаружил, что сообщество, которое обладает достаточными ресурсами и экономит свободную энергию, может существовать практически бесконечно, хотя и за счет понижения «качества жизни», в частности, все более и более долгих периодов спячки. По сути, Дайсон показал, что процесс обработки информации может не иметь ограничений. Требует ли «жизнь, какой мы ее знаем», чего‑то большего, чем простое манипулирование битами информации — это уже другой вопрос.

Внушает ли сценарий Дайсона надежду или утешение? Стоит отметить, что временной отрезок, в течение которого должны истощиться известные нам источники энергии, огромен. Например, для того чтобы черная дыра с массой, равной массе Солнца, испарилась согласно процессу Хокинга, требуется 1066 лет! Но в этой игре мы привыкли к большим числам. Психологически, однако, есть большая разница между тем, проживут ли наши потомки какое‑то ограниченное (пусть и очень долгое) время, и тем, что жизнь будет в буквальном смысле продолжаться вечно. Нет сомнения, что образ необозримой и почти пустой вселенной, постоянно становящейся все темнее и все холоднее на протяжении вечности, порождает глубокое уныние (по крайней мере, у автора). Конечно, для этой увядающей, никому не нужной вселенной лучше уж достойно умереть. И недавние свидетельства того, что космологическая константа, действующая как универсальная сила отталкивания, не равна нулю, только ухудшают ситуацию: если эта сила существует, значит, в будущем расширение вселенной будет идти все быстрее и быстрее, ускоряя таким образом приближение к состоянию темной пустоты.

Эта горестная судьба нашего любимого космоса может не выглядеть так плохо, если имеются другие вселенные, которые возникнут на его месте. Возможно, различные модели мультивселенных потому завоевывают в последнее время такую популярность, что сохраняют кое‑что от идеи вечного обновления, характерной для старой (и ныне дискредитированной) концепции стационарной вселенной. Рассмотрим, например, теорию Смолина [23] о том, что превращение звезд в черные дыры способно создавать новые вселенные — своего рода пузыри пространства на дальней стороне дыры, которые в конце концов отрываются от «материнской» вселенной, образуют отдельное единство и ведут независимое существование. Весь этот процесс, в котором вселенные порождают другие вселенные, может продолжаться ad infinitum. Теория Смолина проецирует на космологию ту же эмоциональную привлекательность жизни, продолжающейся в наших потомках даже после нашей смерти. Быть может, наша мать–вселенная и обречена на вечное бесполезное расширение в темную пустоту, но ее дети, дети ее детей… возможно, их ждет лучшая судьба. Заметим, что в принципе наши потомки могут проникнуть в новорожденную вселенную через «кротовую нору» (предельный случай эмиграции) и обрести там новую жизнь или даже создать искусственным путем свою собственную дочернюю вселенную, чтобы туда переселиться. Так что, даже если наша вселенная обречена, разумные существа могут жить вечно. Иными словами, жизнь и разум могут выйти за границы актуальной вселенной! (Из этого рождается очевидный вопрос: верно ли, что подобные космические инженеры в далеком прошлом перебрались из иной вселенной в нашу, и если нет, то почему.)

Хотя идея мультивселенной, существующей вечно, куда более привлекательна, она не решает богословскую и философскую проблему: зачем нужна вечная жизнь (какой бы она ни была)? Один мой друг заметил однажды: судя по всему, что он слышал о рае (насколько я понял, он имел в виду вечное пассивное блаженство), ничего интересного там нет. Ценность жизни (конечной) для него составляли вызовы и цели. Известно изречение Уэйнберга [26]: «Чем понятнее становится для нас вселенная, тем она кажется бессмысленнее». Но, если у вселенной есть смысл и ее цель достигнута, дальнейшее ее существование выглядит избыточным и ненужным. Может ли вселенная (или мультивселенная), существующая вечно, вообще иметь какой‑то смысл?

Разгадка кроется в ответе на вопрос, возможна ли бесконечная новизна. Если вселенная (или мультивселенная) способна к достижению бесконечного числа состояний, значит, перед ней открывается неисчерпаемое множество возможностей. Таким же образом, если множество состояний разума неисчерпаемо, значит, разумные существа могут помыслить бесконечное число мыслей и получить бесконечное число впечатлений. Тогда перед нами открывается возможность бесконечно увлекательного путешествия, конец которого откладывается на целую вечность. С точки зрения человеческих эмоций это, пожалуй, самое лучшее, что можно себе вообразить. Исполнит ли наши надежды реальная вселенная (или мультивселенная) — пусть решает наука.

В пользу идеала вечной новизны свидетельствует знаменитая теорема Курта Геделя, доказывающая, что в области математики существует неисчерпаемый ресурс новизны — истинные теоремы, истинность которых невозможно вывести из предшествующих рассуждений. Предположим, что, как бы сильно ни изменялись наши знания о физическом мире, основные природные процессы все же имеют математическую форму. Тогда и вся вселенная может обладать этим свойством неисчерпаемости.

Но здесь скрывается неприятная загадка. Вселенная может переживать вечное обновление двумя путями — прогрессивным и стационарным. В случае прогресса имеется стрела времени, направленная в сторону большего успеха, так что вселенная в определенном смысле становится со временем все лучше и лучше (она все более усложняется, переживания разумных существ становятся все богаче, приятнее и т. д.). Этот сценарий «все выше и дальше» заставляет предположить, что мы, люди, странным и отчасти обескураживающим образом находимся почти в самом начале (явно весьма несовершенном) бесконечного космического пути прогресса. Если мы принимаем простейшую модель единой вселенной, в которой большой взрыв обозначает начало времени, получается, что люди занимают временную нишу близко к началу великого путешествия, тогда как бесконечное число других разумных существ наслаждается гораздо лучшим положением дел в неограниченном будущем.

Другая концепция — некое стационарное состояние (например, мультивселенная с большим количеством «Больших взрывов», но без начала и конца для всего ансамбля в целом) — означает, что мультивселенная движется «в никуда», проходя все возможные состояния случайным образом, без направленности, предназначения и цели. Отдельные вселенные (или сообщества, или существа) могут жить с сильным ощущением своей цели, но у всего комплекса в целом конечной цели нет. Случайно выбранная вселенная (например, наша) обнаруживает все виды живых существ, получающие все виды впечатлений, но никакой системы в этом нет. Это противоречит и традиционной иудео–христианской линейной модели истории как процесса, направленного к чему‑то (то есть божественного замысла, осуществляющегося в истории), и индуистским и языческим концепциям цикличности, но по крайней мере имеет преимущество некоей «возвышенной бесцельности» по сравнению с нигилистической абсурдностью.

 

4.6. Фундаментальное противоречие

Полагаю, в наше время не существует правдоподобной космологической модели, удовлетворяющей два широко распространенных, но, по–видимому, конфликтующих желания: видеть во вселенной конечное предназначение и цель и знать, что ее увлекательное путешествие продлится вечно. Это фундаментальное противоречие между прогрессом и вечностью пронизывает всю историю религий и разрешается в классическом христианском богословии, например, тем, что Бог (и, возможно, рай) вообще выносятся за пределы времени. Таким образом, вечность понимается не как бесконечная продолжительность времени, но как отсутствие времени вообще.

В этом эссе я постарался показать, что люди воспринимают те или иные космологические модели как привлекательные или отталкивающие в зависимости от особенностей своей личности и культуры, в которой они воспитаны. Быть может, будущие поколения людей (или, возможно, уже существующие инопланетяне) будут воспринимать космологию совершенно по–другому. Могут существовать (даже на Земле) общества, радующиеся перспективе космической тепловой смерти и вечной темной пустоты или с надеждой ожидающие уничтожения в «большом схлопывании» (которое по крайней мере представляет собой быстрый и достойный конец). Мы можем также когда‑нибудь обнаружить, что время — это вовсе не фундаментальная физическая величина, а эмерджентное свойство некой более глубокой структуры [2]. Быть может, поскольку упомянутое «противоречие» между временем и вечностью вытекает из специфических тревог относительно времени, свойственных нашему виду, открытие, что время — это лишь вторичный феномен, радикально изменит наши представления о мире вместе с нашими надеждами и страхами.

 

Литература

1. Atkins, P., "Time and Dispersal: The Second Law", in The Nature of Time, eds. R. Flood and M. Lockwood (Basil Blackwell, Oxford, 1986), 98.

2. Barbour, J., The End of Time (Phoenix Press, London, 1999).

3. Barrow, J. D., and Tipler, F. J., The Anthropic Cosmological Principle (Oxford University Press, Oxford, 1986).

4. Davies, P. C.W., "Closed Time as an Explanation of the Black Body Background Radiation", Nature, 240, 3 (1972).

5. Davies, P. C.W., The Physics of Time Asymmetry (University of California Press, Berkeley, 1974).

6. Davies, P. C.W., About Time (Penguin, London, 1995; Simon and Schuster, New York, 1995).

7. Davies, P. C.W., The Last Three Minutes (Basic Books, New York, 1994; Weidenfield and Nicholson, London, 1999).

8. Dyson, F., "Time without End: Physics and Biology in an Open Universe", Rev. Mod. Phys., 51, 447 (1979).

9. Eliade, M., The Myth of the Eternal Return, trans, W. R. Trask (Pantheon Books, New York, 1954).

10. Gell‑Mann, V., and Hartle, J., "Time Symmetry and Asymmetry in Quantum Mechanics and Quantum Cosmology", in Phisical Origins of Time Asymmetry, eds. J. J. Halliwell et al. (Cambridge University Press, Cambridge, 1994), 311.

11. Gold, Т., "The Arrow of Time", Amer. J. Phys., 30, 403 (1962).

12. Hawking, S. W., "The Arrow of Time in Cosmology", Phys. Rev., D 32, 2489 (1985).

13. Hoyle, F., "A New Model for the Expanding Universe", Mon. Not. Roy. Astron. Soc, 108, 372 (1948); 109, 365 (1949).

14. Hoyle, F., Frontiers of Astronomy (Harper, New York, 1955).

15. Jastrow, R., God and the Astronomers (Norton, New York, 1992).

16. Landsberg, P. T., and Park, D., "Enthropy in an Oscillating Universe", Proc. Roy. Soc. Lond., A346, 485 (1975).

17. Linde, A., Particle Physics and Inflationary Cosmology (Gordon and Breach, New York, 1991).

18. Pike, N., God and Timelessness (Routledge and Kegan Paul, London, 1970).

19. Price, H., Time's Arrow and Archimedes' Point (Sydney University Press, Sydney, 1993).

20. Rees, M. J., Before the Beginning (Helix Books, Cambridge, Mass., 1998).

21. Russell. В., Why I Am Not a Christian (Allen and Unwin, New York, 1957), 107.

22. Shulman, L., "Opposite Thermodynamics Arrows of Time", Phys. Rev. Letts., 53,5414, (1999).

23. Smolin, L., The Life of the Cosmos (Oxford university Press, Oxford, 1997).

24. Tipler, F. J., The Physics of Immortality (Doubleday, New York, 1994).

25. Tolman, R., Relativity Thermodynamics and Cosmology (Clarendon Press, Oxford, 1934).

26. Weinberg, S., The First Three Minutes (Harper and Row, New York, 1988).

27. Wheeler, J. A., "Law without Law", in Quantum Theory and Measurement (eds. Wheeler, J. A. & Zurek, W. H., Princeton University Press, 1983).

28. Williams, D., "The Myth of Passage", Journal of Philosophy, 48, 27 (1951).

 

Михаил Хеллер

 

5.1. Введение

Время — несомненно один из наиболее таинственных аспектов Вселенной. С одной стороны, оно кажется как бы несуществующим; мы можем наблюдать и измерять изменения предметов во времени, но не можем ни наблюдать, ни измерить сам временной поток. С другой стороны, время представляется более реальным, чем что‑либо иное: стрела времени неуклонно указывает в будущее, и мы при всем желании не можем ни действовать против него, ни его остановить. Это «временное принуждение» столь сильно, что мы естественным образом воспринимаем существование во времени как онтологическую необходимость, без которой нам трудно вообразить себе бытие Вселенной. Многие люди с удивлением узнают о том, что, согласно весьма правдоподобным предположениям, основанным на некоторых результатах современной науки, тирания старика Хроноса далеко не столь абсолютна, как они полагали. В этой статье я представлю и постараюсь обосновать точку зрения на время, базирующуюся на недавних космологических исследованиях. В современной космологии время рассматривается уже не как нечто первичное по отношению к Вселенной и ее законам, но скорее как часть «большой игры», разыгрываемой физическими силами на сцене, которую мы зовем Вселенной.

Еще одно общее убеждение касательно времени — то, что оно должно быть глобальным, иначе говоря, покрывать всю историю Вселенной, от «большого взрыва» до возможного конца. Однако в понятийных рамках общей теории относительности есть серьезные основания не доверять этому мнению и задаться следующим вопросом: существование глобального времени — это «родовое свойство» космологических моделей или же нечто скорее «исключительное»? Однако, чтобы этот вопрос имел смысл, сперва необходимо определить «популяцию» вселенных (космологических моделей), к которым он должен быть обращен. В парадигме релятивистской космологии эта «популяция» определяется полевыми уравнениями Эйнштейна: каждое решение этой системы уравнений может быть истолковано как определенная вселенная, а множество всех таких решений есть высокоструктурированное математическое пространство. Это пространство иногда называют ансамблем вселенных (подробнее об этом см. [7], с. 70–76). Приведенный выше вопрос о глобальном времени применительно к ансамблю вселенных имеет отрицательный ответ: существование глобального времени не является родовым свойством в этом ансамбле; более того, глобальное время возможно лишь в подмножестве вселенных, мера которого равна нулю. Грубо говоря, это означает вот что: если мы решили случайным образом выбрать один мир из всех возможных миров — членов ансамбля вселенных, то вероятность, что нам попадется вселенная, допускающая существование глобального времени, практически равна нулю.

Все рассуждения, касающиеся далекого будущего Вселенной, предполагают, что идея далекого будущего, отнесенная ко всей Вселенной в целом, имеет смысл, иначе говоря, что существует глобальное время, с помощью которого мы можем измерить (или по крайней мере оценить) расстояние от настоящего до будущего, и что это расстояние достаточно велико. Однако смысл, в котором такое будущее могло бы или не могло бы существовать, далеко не очевиден. В настоящей статье мне хотелось бы обсудить эту проблему.

В разделе 2 я вкратце расскажу о теореме Хокинга, формулирующей необходимое и достаточное условие для существования глобального времени в космологической модели. Есть серьезные причины полагать, что глобальное время — это только макроскопический феномен, и следовало бы задаться вопросом о его корнях на фундаментальном уровне. В разделе 3 я подготовлю почву для разговора об этой проблеме, ознакомив читателя с некоторым элементарным материалом касательно С*-алгебр и некоммутативной геометрии. В разделе 4 я коротко опишу модель, основанную на определенной некоммутативной С*-алгебре и объединяющую общую теорию относительности и квантовую механику. В этой модели на фундаментальном уровне времени (в обычном смысле слова) не существует, однако модель показывает, как возникает время, когда Вселенная испытывает «фазовый переход» из некоммутативного режима в коммутативный. В разделе 5 я рассматриваю проблему начала и конца Вселенной. Используя методы некоммутативной геометрии, можно доказать несколько теорем, проливающих новый свет на природу классических сингулярностей, в том числе и тех, что представляют начало и конец в стандартной космологической модели. Показано, что на фундаментальном, некоммутативном уровне не существует различий между сингулярным и несингулярным состоянием Вселенной. Только после перехода через порог Планка некоторые состояния превращаются в сингулярности. Сами понятия начала и конца становятся осмысленными только для макроскопического наблюдателя, живущего в глобальном времени, которое простирается от далекого прошлого к далекому будущему.

 

5.2. Глобальное время

Мы, несомненно, живем во Вселенной, в которой существует глобальное время (или по крайней мере «достаточно глобальное время»), охватывающее историю мира от Большого взрыва до настоящего времени. Более того, есть серьезные основания полагать, что самим нашим существованием мы обязаны факту существования в нашей Вселенной глобального времени: наша жизнь основана на химии углерода, а для возникновения углерода требуется долгая история нескольких поколений звезд. Таким образом, у нас есть все основания спросить: каковы необходимые и достаточные условия для существования глобального времени в модели мира?

Верное предположение, прямо связанное с этим вопросом, высказал Лейбниц. По его мнению, время — не что иное, как упорядоченная последовательность событий (в отличие от взглядов Ньютона и Кларка, считавших, что время первично по отношению к событиям), а порядок событий определен причинно–следственными отношениями (подробнее см. [18], с. 42–50). В общей теории относительности существует красивая теорема, представляющая эту мысль в строго математической форме. Этой теоремой мы обязаны Хокингу [5], и она гласит, что пространство–время допускает функцию глобального времени тогда и только тогда, когда в нем существует стабильная каузальность. Позволю себе объяснить технические термины, употребляемые в этой теореме.

Прежде всего: как описать глобальное время математически? Вообразим себе часы (например, вибрирующую частицу), присутствующие во Вселенной с самых первых мгновений ее существования. Они движутся по кривой в пространстве–времени. Показания этих часов (то есть их последовательные вибрации) можно изобразить как монотонно возрастающую функцию на этой кривой, которая представляет движение со скоростью меньшей, чем скорость света, поскольку часы имеют массу. Это временная функция для этих часов. Теперь представим себе семейство таких часов, заполняющих собой все пространство–время, и предположим, что существует единственная функция пространства–времени, являющаяся временной функцией для всех этих часов. Говоря технически, эта функция называется глобальной временной функцией — ее можно рассматривать как научный синоним глобального времени. Теорема утверждает, что такое глобальное время существует в данном пространстве–времени тогда и только тогда, когда пространство–время стабильно каузально. Что это значит? В общей теории относительности Лейбницевы каузальные отношения, упорядочивающие события, имеют форму так называемых световых конусов. Ограниченная скорость физических сигналов (не больше скорости света) предполагает, что не все события в пространстве–времени могут быть каузально связаны друг с другом. Структура световых конусов определяет, какие события могут служить причинами других событий, а какие не могут. Траектории, по которым каузальные влияния могут распространяться, называются каузальными траекториями. Мы называем пространство–время стабильно каузальным, если в нем нет замкнутых каузальных траекторий (говоря технически, пространство–время строго каузально), и такие траектории не могут возникнуть в результате слабых возмущений гравитационного поля (которое математически выражается так называемой метрикой Лоренца). Появление подобных траекторий приводит к временным петлям, что разрушает саму идею глобального времени.

В общей теории относительности гравитационное поле жестко связано с метрическими свойствами пространства–времени, иначе говоря, с теми аспектами пространства и времени, которые поддаются измерению. Не будь пространство–время стабильно каузально, любые слабые возмущения гравитационного поля могли бы приводить к сколь угодно большим различиям в результатах измерений пространства и времени. Иными словами, любая ошибка могла бы менять результаты измерений на любую величину. А поскольку ошибки при измерении неизбежны, в такой ситуации ни одно измерение не давало бы надежных результатов. Под вопросом оказалась бы сама возможность заниматься физикой, по крайней мере заниматься ею так успешно, как мы делали это до сих пор. Здесь мы можем наблюдать необычное взаимодействие хорошей физики и красивой математики. Элегантная теорема Хокинга связывает друг с другом время, причинность и саму возможность физики.

 

5.3. Удивительные алгебры

Приведенная выше «история глобального времени» полностью основана на классической физике, иными словами, выстроена без учета квантовых эффектов. Мы знаем, однако, что достаточно близко к изначальной сингулярности (математически соответствующей Большому взрыву) и достаточно глубоко в структуре Вселенной (ниже так называемого планковского масштаба) на сцене доминируют квантовые эффекты, и в этом случае предстающая нам картина разительно отличается от того, к чему мы привыкли в классической физике. Из‑за принципа неопределенности Гейзенберга пространство–время становится размытым, и мы уже не можем представить историю какой‑либо частицы в пространстве–времени в виде четко определенной траектории. Ниже планковского масштаба вещество Вселенной можно представить себе как собрание квантовых флуктуации, множество состояний, непрерывно возникающих и распадающихся.

Эти представления идут из квантовой механики, однако мы вполне уверены, что на фундаментальном уровне (ниже планковского масштаба) квантовую физику следует объединить с теорией гравитации. Наилучший классический кандидат на теорию гравитации — общая теория относительности Эйнштейна. Нам необходима модель мира, в которой пространство–время общей теории относительности возникает из квантовых флуктуации, когда эволюция пересекает планковский порог. В наше время общепризнанной модели такого рода не существует, хотя известны многочисленные попытки ее создать. В дальнейшем я представлю красивую математическую структуру, по–видимому, обладающую всеми необходимыми для объединения свойствами. Даже если эта структура не будет использоваться в окончательном объединении, она открывает увлекательные перспективы возможного взаимодействия между такими важными понятиями физики, как пространство, время, динамика, каузальность и вероятность — понятиями, которые, несомненно, будут использоваться при объединении. Эта математическая структура называется С*-алгеброй.

С*-алгебры хорошо известны в квантовой механике. Стандартная математическая формулировка этой физической теории дается в терминах состояний данной квантовой системы, которые представляются как векторы в пространстве, называемом гильбертовым. Однако существует и другая формулировка квантовой механики, а именно формулировка в терминах С*-алгебр. Эта формулировка даже более удовлетворительна, чем стандартная. Почему? Потому что элементами этой алгебры являются измеряемые свойства квантовых систем (так называемые наблюдаемые); а измеряемые свойства в физике всегда более фундаментальны, чем чисто теоретические.

Как ни удивительно, С*-алгебры можно использовать и для формулирования общей теории относительности Эйнштейна. Обычно общая теория относительности формулируется в терминах пространственно–временной геометрии, но Роберт Герох [4] продемонстрировал, что возможна эквивалентная формулировка в терминах семейства всех гладких функций в пространстве–времени, а это семейство собственно и есть С*-алгебра. Иными словами, можно забыть о самом пространстве–времени и иметь дело исключительно с С*-алгеброй гладких функций.

Эта алгебра гладких функций обладает одним простым свойством: умножение двух функций не зависит от порядка факторов, то есть если f и g — гладкие функции в пространстве–времени, то f∙g = g∙f; такое умножение мы называем коммутативным, а алгебры, обладающие таким свойством, — коммутативными алгебрами. Оказывается, от этого простого свойства зависят многие важные черты геометрических пространств. Это становится очевидно, если мы от него избавимся. Алгебры, лишенные этого свойства, именуются некоммутативными алгебрами. Ален Коннэ [1] предложил рассматривать эти алгебры так же, как алгебры гладких функций, и допустить, что они также определяют некоторые пространства. Эта идея сработала, и эти новые пространства сейчас называются соответственно некоммутативными пространствами. Геометрическая теория, выросшая из исходной работы Коннэ, названа некоммутативной геометрией. Особую роль в этой новой геометрической теории играют пространства, определяемые в терминах некоммутативных С*-алгебр.

Некоммутативные пространства представляют собой мощные обобщения обычных (коммутативных) пространств. Многие пространства, которые до сих пор считались трудно описываемыми или патологическими, изящно ложатся в картину некоммутативной геометрии. Удивительное свойство некоммутативных пространств — их глобальный характер. В понятийном поле некоммутативной геометрии все локальные понятия, такие, как понятия точки и ее окрестностей, бессмысленны в принципе.

Подведем итоги. С*-алгебры можно использовать:

1. Для формулировки квантовой механики.

2. Для формулировки общей теории относительности.

3. Для определения некоммутативного пространства.

В свете этих результатов вполне естественно искать С*-алгебру, которая могла бы выполнять все это вместе. При этом квантовая механика и общая теория относительности были бы соответственно обобщены и объединены в теоретическом поле некоммутативного пространства. Ценой такого объединения стала бы нелокальность. Дальше я приму, что такая С*-алгебра (обозначим ее буквой А) найдена, и предположу, что она корректно описывает модель физики ниже планковского порога. Отметим, что, даже не зная точной формы алгебры А, из самого ее существования можно вывести множество важных фактов, касающихся гипотетического фундаментального уровня. Важно отметить, что недавно были обнаружены некоторые глубокие связи между некоммутативной геометрией и такими популярными кандидатурами на финальное объединение, как теория суперструн и М–теория [3, 19].

 

5.4. Возникновение времени

В некоммутативной геометрии не существует понятия времени как последовательности моментов (поскольку моменты — понятия локальные), но понятие состояния физической системы остается валидным. Это вызвано тем, что понятие состояния нелокально: находиться в том или ином состоянии может система в целом. С каждой С*-алгеброй может быть связана другая алгебра, называемая алгеброй фон Неймана. Грубо говоря, алгебра фон Неймана — это С*-алгебра вместе с определенным состоянием. Это состояние исполняет две функции.

Во–первых, оно позволяет нам определить параметр t, имитирующий время. Необходимо подчеркнуть, что это не обычное время: он только имитирует время (говоря технически, t — параметр однопараметрической группы). Он подобен времени, поскольку, используя параметр t, мы можем записать динамическое уравнение, описывающее поведение системы, однако это не время в обычном смысле слова, поскольку параметр t зависит от состояния: если система переходит в иное состояние, значение параметра t меняется и вместе с ним меняется также весь динамический режим.

Во–вторых, состояние, определяемое алгеброй фон Неймана, можно рассматривать как обобщенную вероятность (обобщенную по отношению к вероятности, с которой мы встречаемся при стандартном вычислении вероятностей; строго говоря, это обобщенная мера вероятности). По определению, состояние — это функционал на алгебре фон Неймана, положительный и нормированный к единице точно так же, как всякая мера вероятности. В контексте некоммутативной геометрии вообще невозможно говорить о вероятности отдельных событий, и отсутствие времени в обычном смысле не позволяет связывать с вероятностью чувство «неопределенного ожидания». Тот, кто любит воображаемые картины, может представить себе эту обобщенную вероятность как «поле глобальных возможностей», обладающее, однако, определенной степенью реальности.

Как видим, алгебры фон Неймана являются одновременно «динамическими объектами» и «вероятностными объектами». В некоммутативном режиме любая динамика вероятностна, а у каждой вероятности есть динамический аспект. Только после прохождения планковского порога динамика и вероятность расщепляются и становятся независимыми понятиями. Квантовую механику можно рассматривать как промежуточную ступень, на которой еще сохраняется определенная связь между динамикой и вероятностью. Хорошо известно, что динамическое уравнение квантовой механики (уравнение Шредингера) описывает эволюцию вероятностей: в каждый момент времени возможны различные результаты измерений (данной измеримой величины), каждое со строго определенной вероятностью. Однако в момент измерения это «поле возможностей» схлопывается в единственное значение — то самое, которое мы получаем в результате измерения. Этот эффект, широко обсуждаемый в квантовой механике, известен под именем коллапса волновой функции (или редукции вектора состояния). До сих пор с удовлетворительным объяснением этого эффекта имеются серьезные трудности; однако в рамках некоммутативной модели оно дается очень легко [15].

Но что же у нас со временем? Как оно возникает за пределами некоммутативной эры? Математика решает эту проблему очень красиво. Если с помощью определенного отношения эквивалентности мы склеим некоторые элементы первоначальной алгебры А, то картина становится грубее: она выглядит так, как будто в дело вступают некие усредняющие процессы, и в результате различные «параметры t» сливаются воедино и делаются независимыми от состояния. Так рождается известное нам время [11].

 

5.5. История начала и конца

Начало и конец Вселенной в классической космологии (то есть не принимающей во внимание эффекты квантовой гравитации) известны под техническими наименованиями начальной и конечной сингулярностей. Доказано несколько важных теорем, утверждающих, что эти сингулярности неизбежны при самых общих условиях, которым, как предполагается, удовлетворяет любая неквантовая вселенная [6]. Но что, если мы все‑таки примем во внимание эффекты квантовой гравитации? Хотя широко распространено мнение, что будущая теория квантовой гравитации (или какая‑либо иная конечная теория) избавит нас от сингулярностей, существует несколько работающих моделей, свидетельствующих об обратном. Во всяком случае, здесь возможно и «да», и «нет».

Точное математическое описание сингулярностей представляет собой сложную проблему. Тот факт, что некоторые физические величины (такие, как плотность материи и кривизна пространства–времени) при приближении к сингулярности уходят в бесконечность, заставляет нас рассматривать сингулярности не как размещенные в пространстве–времени, но, скорее, как своего рода границы пространства–времени, и если мы пытаемся распространить на эти «сингулярные границы» стандартные геометрические методы — эти методы не работают. Это — безошибочный знак того, что стандартные методы нуждаются в обобщении. Если так, почему бы не испробовать новые методы некоммутативной геометрии? И что же — оказывается, они действительно работают!

К немалому нашему удивлению, все виды сингулярности (даже сильнейшие), возникающие в общей теории относительности, поддаются анализу в терминах некоммутативной геометрии [10, 13]. Более того, этот анализ помогает нам понять, как сингулярности возникают. Как мы уже знаем, на уровне некоммутативной геометрии понятие локализации в принципе бессмысленно, однако до некоторой степени может быть заменено понятием состояния. Показано, что в некоммутативном режиме нет разницы между сингулярным и несингулярным состояниями: все состояния существуют на равных. Однако, если мы перейдем от некоммутативного описания Вселенной к обычному коммутативному описанию, возникает обычное пространство–время со своими четко локализованными событиями, а некоторые состояния превращаются в сингулярности.

Если мы свяжем эти строгие математические результаты с предложением (кратко обрисованным в предыдущем разделе) смоделировать с помощью некоммутативной геометрии фундаментальный уровень физики, то нам откроется возможность новой интерпретации. Как мы уже видели, на вопрос о том, может ли будущая теория квантовой гравитации изгнать из нашего космологического сценария сингулярности, давались два взаимоисключающих ответа — «да» и «нет»; теперь же на сцену выходит третья возможность — фундаментальный уровень физики (ниже планковского масштаба) оказывается вневременным и внепространственным, и вопрос о существовании начальной и конечной сингулярностей в отношении этой эры лишен смысла. С некоммутативной точки зрения мир «регулярен», хотя и резко отличается от мира постпланковской эпохи. Только когда Вселенная совершает «фазовый переход» от некоммутативной геометрии к коммутативной, возникает пространство–время вместе со своими сингулярными границами. Следовательно, с точки зрения макроскопического наблюдателя, всегда находящегося в пространстве–времени, это выглядит так, как будто Вселенная имела начало (начальную сингулярность) в конечном прошлом и, возможно, встретит свой конец (конечную сингулярность) в конечном будущем. Сами понятия начала и конца становятся осмысленными только тогда, когда в распоряжении макроскопического наблюдателя имеется глобальное время, простирающееся (или текущее) из прошлого в будущее.

Рассмотрим дальше точку зрения макроскопического наблюдателя. Мы ищем планковскую эру «в двух направлениях»: назад во времени, пока не достигнем планковской плотности ρPI=1093 g.cm-3; и все глубже и глубже в пространстве, пока не достигнем планковского расстояния LPI=10–33 cm. С нашей макроскопической точки зрения эти два направления различны, но на фундаментальном уровне нет ни пространства, ни времени; следовательно, эти два направления суть одно и то же. В этом смысле начало и конец Вселенной существуют всегда и везде.

 

5.6. Результаты и предположения

В предыдущих разделах я представил некоторые новые идеи, относящиеся к проблеме времени в современных космологических и физических исследованиях. Я сделал это в том порядке, который кажется мне наиболее подходящим для читателя, пробирающегося по логическим лабиринтам современных физических теорий и моделей. Попробуем теперь сложить из кусочков информации, добытых на этом пути, более связный космический сценарий.

Начнем с фундаментального уровня. Пространства нет, времени — тоже. Слова «начало» и «конец» не имеют никакого смысла. Вселенная просто существует. Мало сказать, что все физические силы едины — это целое максимально замкнуто на понятийном уровне. Такие, казалось бы, различные понятия, как динамика, причинность, вероятность (и некоторые другие, о которых я не имел случая упомянуть) всего лишь различные аспекты одной и той же математической структуры. Отсюда вопрос: почему это «совершенное состояние» оказалось нестабильным, почему Вселенная вынуждена была перешагнуть через планковский порог? Думаю, этот вопрос неверно поставлен. Мы склонны думать об этой «зародышевой эпохе» как о находящейся «в начале». Однако, как мы уже видели, можно считать, что на расстояниях ниже планковского масштаба она существует даже и сейчас. Если это так, то фундаментальный уровень все еще существует, и он не перешагнул через планковский. Существование порога и все, что происходит на нашей стороне — просто часть некоммутативной игры.

Мы знаем механизм, действующий в планковскую эпоху, который приводит к появлению (независимого от состояния) времени в постпланковскую эпоху (он описан в разделе 4). Однако нам нужно нечто большее — время должно быть глобальным. Некоторые признаки указывают на то, что глобальный характер времени связан с некоммутативным происхождением энтропии и второго закона термодинамики [2].

Некоммутативная модель фундаментального уровня, исследованная в этой статье, весьма привлекательна с концептуальной точки зрения, однако на настоящей стадии развития носит чисто гипотетический характер. Чтобы создать из нее конкурентоспособный сценарий происхождения космоса, требуется еще много работы. Настоящая история начинается по нашу сторону планковского порога. Эта история началась, и она открыта в далекое будущее.

 

Литература

1. Connes, A., Non‑commutative Geometry (Academic Press, New York, London, 1994).

2. Connes, A, and Rovelli, C, "Von Neumann Algebra Automorphisms ant Time‑Thermodynamics Relation in Generally Covariant Quantum Theories", Class. Q. Grav., 11, 2899–917 (1994).

3. Frohlich, J., Grandjean, O., and Recknagel, A, "Supersymmetric Quantum Theory and (Non‑commutative) Geometry", Commun. Math. Phys., 193, 527–94 (1998). Hep‑th/9612205.

4. Geroch, R., "Einstein Algebras", Commun. Math. Phys., 26, 271–275 (1972).

5. Hawking, S. W., "The Existence of Cosmic Time Functions", Proc. Roy. Soc. Lond., A 308, 433–35 (1968).

6. Hawking S. W., and Ellis, G. F.R., The Large Scale Structure of Space‑Time (Cambridge University Press, Cambridge, 1973).

7. Heller, M., Theoretical Foundations of Cosmology (World Scientific, Singapore, London, 1992).

8. Heller, M., "Einstein Algebras and General Relativity", Int. J. Theor. Phys., 31, 277–88 (1995).

9. Heller, M., and Sasin, W., "Sheaves of Eindtein Algebras", Int. J. Theor. Phys., 34, 387–98 (1995).

10. Heller, M., and Sasin, W., "Non‑Commutative Structure of Singularities in General Relativity", J. Math. Phys., 37, 5665–71 (1996).

11. Heller, M., and Sasin, W., "Emergence of Time", Phys. Lett. A 250, 48–54 (1998).

12. Heller, M., and Sasin, W., "Non‑Commutative Unification of General Relativity and Quantum Mechanics", Int. J. Theor. Phys., 38, 1619–42 (1999).

13. Heller, M., and Sasin, W., "Origin of Classical Singularities", Gen. Rel. Grav., 31, 555–70 (1999).

14. Heller, M., Sasin, W., and Lambert, D., "Groupoid Approach to Non‑commutative Quantization of Gravity", J Math. Phys., 38, 5840–53 (1997).

15. Heller, М., Sasin, W., and Odrzygozdz, Z., "State Vector Reduction as a Shadow of Non‑commutative Dynamics", J. Math. Phys., 41, 5168–79 (2000).

16. Landi, G., and Marmo, G., "Lie Algebra Extensions and Abelian Monopoles", Phys. Lett., В 195, 429–34 (1987).

17. Landi, G., and Marmo, G., "Einstein Algebras and the KaluzaKlein Monopole", Phys. Lett., В 210, 68–72 (1988).

18. Mehlberg, H., Time, Causality, and Quantum Theory, vol.1: Essay on the Causal Theory of Time (Reidel, Dordrecht, Boston, London, 1980).

19. Seiberg, N., and Witten, E., "String Theory and Non‑commutative Geometry", J. High‑Energy Phys., 9909, 32 (1999), hep‑th/9908142.

20. Sunder, V. S., An Invitation to von Neumann Algebras (Springer, New York, Berlin, Heidelberg, 1987).

 

Мартин Дж. Риз

 

6.1. Биофилическая вселенная?

Если когда‑нибудь нам удастся установить контакт с разумными инопланетянами — как мы преодолеем «культурную пропасть»? Одним из вариантов общей культуры для нас могла бы стать физика и космология. Иная разумная жизнь будет, как и мы, состоять из атомов, и мы сможем вместе проследить наше происхождение вплоть до «первого события», так называемого Большого взрыва, случившегося около 13 миллиардов лет назад. Общими будут и наши с ними будущие перспективы, быть может простирающиеся в бесконечность.

Однако наше существование (как и существование инопланетян, если они есть) зависит от особых свойств нашей вселенной. Всякая вселенная, благоприятная для жизни — то, что мы можем назвать «биофилической вселенной», — должна быть определенным образом на это «настроена». Предпосылки существования всякой жизни — стабильные долгоживущие звезды, стабильные ядра (углерод, кислород, кремний), способные объединяться в сложные молекулы, и так далее — чувствительны к физическим законам, а также к размерам, скорости расширения и содержимому вселенной. Будь изначальные условия, заложенные в миг Большого взрыва, чуть иными — и мы не могли бы существовать.

Наша вселенная развилась из простого начала — Большого взрыва, определенного весьма коротким рецептом, но этот рецепт выглядит очень специфично. Иной «выбор» некоторых основных величин имел бы радикальный эффект, исключающий те благоприятные космические условия существования, в которых мы родились. Например, мы не смогли бы существовать в мире с более сильной гравитацией. В воображаемом «высокогравитационном» мире звезды (ядерные реакторы, связанные гравитацией) были бы маленькими; гравитация раздавила бы любое существо больше насекомого. Но в еще большей степени возникновению сложной экосистемы помешала бы ограниченность по времени. Минисолнце горело бы быстрее и истощило бы свою энергию еще до того, как органическая эволюция сделала бы даже свои первые шаги Большая, долгоживущая и стабильная вселенная очень существенно зависит от того, что гравитационная сила чрезвычайно слаба.

Реакция ядерного синтеза, снабжающая звезды энергией, зависит от тонкого баланса между двумя силами: электрическим отталкиванием протонов друг от друга и сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Будь ядерные силы чуть больше по сравнению с электрическими — и два протона склеивались бы друг с другом так легко, что не мог бы существовать обычный водород и звезды развивались бы совершенно по–другому. Есть и еще более чувствительные детали. Например, углерод — вещество, без которого невозможна никакая жизнь, не мог бы так легко производиться звездами, если бы не некоторая тонкая «настройка» свойств его ядра, еще более чувствительным образом зависящая от ядерной силы.

Даже большая вселенная, вроде нашей, могла бы быть очень скучна: в ней могло бы совсем не быть атомов, а могли быть только черные дыры или инертная темная материя. Даже если бы она имела такие же ингредиенты, как наши, она могла бы расширяться так быстро, что звезды и галактики не успевали образовываться, или быть столь турбулентной, что вся ее материя вместо звезд и галактик формировала бы лишь черные дыры, — обстановка, неблагоприятная для жизни. Кроме того, важной особенностью нашей вселенной является ее пространственная трехмерность. Четырехмерный мир был бы нестабильным; в двух измерениях не могло бы существовать ничто сложное.

 

6.2. Три интерпретации видимой «настройки»

 

Если наше существование зависит от космического рецепта, который кажется весьма специфическим, то как нам следует реагировать на эту видимую тонкую настройку? По–видимому, есть три возможности: можно не придавать ей значения, считая простой случайностью; можно приветствовать ее как действие провидения; или (к чему склоняюсь я сам) можно предположить, что наша вселенная — это лишь особо благоприятный уголок в еще более обширной мультивселенной. Рассмотрим по очереди все эти возможности.

 

6.2.1. Случайность (или совпадение)

Возможно, все ключевые свойства нашей вселенной определяет фундаментальная система уравнений, которая в один прекрасный день будет написана на футболках. В таком случае то, что эти уравнения допускали процесс неизмеримо сложной эволюции, приведшей к возникновению нас самих, окажется неопровержимым фактом.

Однако, мне кажется, и в этом случае все же будет чему удивляться. Простые уравнения не обязательно имеют сложные следствия. Приведем математическую аналогию: рассмотрим красивую конструкцию, известную как множество Мандельброта. Эта конструкция задается коротким алгоритмом, но имеет бесконечно глубокую структуру: при любом увеличении ее тонких деталей они открывают все новые сложности. Однако можно легко написать и другие, внешне похожие алгоритмы, которые задают очень скучные конструкции. Почему же данные фундаментальные уравнения кодируют нечто с такой потенциальной сложностью, а не ту скучную и бесплодную вселенную, к которой должны были бы привести многие другие рецепты?

Один хитрый ответ заключается в том, что мы не могли бы существовать, если бы законы имели скучные последствия. Мы, очевидно, здесь — значит, удивляться нечему. Однако неужели не удивительно, что уникальный рецепт физического мира допускает такие интересные следствия, как те, что мы видим вокруг себя (а заодно — и наше собственное существование)?

 

6.2.2.

Провидение или замысел

Свидетельства разумного замысла в космосе — традиционная тема «естественного богословия». Двести лет назад кембриджский богослов Уильям Пейли предложил знаменитую метафору часов и часовщика, приводя глаз, большой палец (противопоставленный остальным) и тому подобное в качестве свидетельства о существовании благого творца. Однако в постдарвиновскую эпоху этот ход мысли вышел из моды даже среди большинства богословов. Теперь в любом биологическом изобретении мы видим плод долгого эволюционного отбора и симбиоза с окружающей средой.

Однако Пейли мог бы защищаться по–другому, если бы он знал о провиденциально–подобной физике — процессах, приведших к возникновению галактик, звезд, планет и девяносто двух элементов периодической таблицы. От «биофилических» черт фундаментальной физики и химии нельзя отмахнуться так же легко, как от старинных претензий на видение разумного замысла, порождаемых живыми существами: биологические системы развиваются в симбиозе с окружающей средой, но базовые законы, управляющие звездами и атомами, даны нам изначально, и ничто биологическое не может оказывать на них обратного воздействия с тем, чтобы как‑то их модифицировать. Современный продолжатель дела Пейли, Джон Полкинхорн, интерпретирует нашу «приспособленную» к жизни вселенную как «творение Творца, который желает, чтобы она была именно такой» [8].

 

6.2.3. Особая вселенная, выделенная из множества, или мультивселенная

Для тех, кто не верит в замысел провидения, но все же полагает, что тонкая «настройка» требует какого‑то объяснения, есть еще одна перспектива, правда, чисто спекулятивная. Возможно, существует множество «вселенных», и наша — лишь одна из них. В других вселенных некоторые законы и физические константы могут быть другими. Но возможно, что наша вселенная — это не просто случайность. Она может принадлежать к необычному подмножеству, предоставляющему благоприятные условия для возникновения сложности и сознания. Аналогия с часовщиком уходит со сцены. Скорее космос можно сравнить с магазином готовой одежды: если его ассортимент велик, мы не удивимся, обнаружив среди множества костюмов тот, что нам подходит. Аналогично, если наша вселенная — часть мультивселенной, то ее, по–видимому, сконструированные или тонко настроенные свойства уже не вызывают удивления.

 

6.3. Являются ли вопросы о других вселенных научными вопросами?

 

Наука — это экспериментальная и наблюдательная деятельность, и естественно, что рассуждения, обращающиеся к чему‑либо принципиально ненаблюдаемому, вызывают беспокойство. Кто‑нибудь, пожалуй, скажет, что другие вселенные относятся к области метафизики, а не физики. Но я полагаю, что они лежат уже в сфере компетенции науки. Вопрос «Существуют ли ненаблюдаемые вселенные?» не абсурден и не бессмыслен даже в том случае, если ждать на него скорого ответа не приходится. Этот вопрос невозможно однозначно решить прямым наблюдением, но можно найти относящиеся к делу свидетельства, которые могут привести нас к ответу.

Между явлениями легко наблюдаемыми и абсолютно ненаблюдаемыми нет четкой границы, их соединяет весьма обширная «серая зона». Чтобы проиллюстрировать эту мысль, можно вообразить себе последовательность горизонтов, в которой каждый последующий горизонт уводит нас дальше от непосредственного опыта, чем предыдущий.

 

6.3.1. Ограничение, связанное с мощностью современных телескопов

Существует предел того, как глубоко наши современные инструменты могут зондировать пространство. Очевидно, в этом ограничении нет ничего принципиального — оно связано с современной технологией. Несомненно, в ближайшие несколько десятилетий много новых галактик будет открыто с помощью более сильных телескопов, проектируемых в настоящее время. Нам не следует исключать эти галактики из сферы строго научного дискурса только потому, что мы их пока не видим. Когда древние мореплаватели рассуждали о том, что находилось за пределами известного им мира, или когда мы сегодня рассуждаем о том, что может скрываться под океанами спутников Юпитера, Европы и Ганимеда, мы рассуждаем о чем‑то «реальном» — мы задаемся научными вопросами. Таким же образом и гипотезы об отдаленных уголках вселенной, несомненно, относятся к науке, хотя для того, чтобы проверить их, мы вынуждены ждать появления лучших инструментов.

 

6.3.2. Ограничение, принципиальное в настоящее время

Даже если бы мощность телескопов не имела абсолютно никаких технических ограничений, наши наблюдения все равно были бы ограничены горизонтом, определяемым тем расстоянием, которое может пройти любой сигнал с момента Большого взрыва, двигаясь со скоростью света. Этот горизонт образует вокруг нас своего рода сферу, на поверхности которой красное смещение может быть бесконечным. В галактиках, находящихся на этой сфере, нет ничего особенного — не более, чем особенностей на той окружности, которая определяет ваш горизонт, когда вы находитесь посреди океана. В океане, чтобы увидеть больше, можно залезть на мачту. Но расширить наш космический горизонт невозможно, разве только вселенная изменится таким образом, что до нас начнет долетать свет из галактик, находящихся за горизонтом.

Если бы наша вселенная замедляла скорость, то горизонт наших отдаленных потомков включал бы в себя те галактики, которые сегодня в наш горизонт не включены. Разумеется, существует большая практическая разница между тем, чего нам придется ждать для проверки своих предположений о той или иной удаленной галактике, — космических изменений, требующих миллиардов лет, или достижений технического прогресса, занимающего (возможно) всего лишь несколько десятилетий. Но принципиальна ли эта разница? Очевидно, более длинное время ожидания — чисто количественное различие, не изменяющее эпистемологический статус этих далеких галактик.

 

6.3.3. Галактики, ненаблюдаемые из «нашего» большого взрыва

А что сказать о галактиках, которых мы не увидим никогда, сколько не жди? По всеобщему убеждению, мы живем в ускоряющейся вселенной. Она, как и замедляющаяся вселенная, содержит в себе столь удаленные галактики, что сигналы от них до нас пока не дошли. Но если расширение космоса ускоряется, то мы сейчас удаляемся от этих далеких галактик со все увеличивающейся скоростью; если их свет еще не достиг нас — значит, никогда и не достигнет. Такие галактики не просто в принципе ненаблюдаемы сейчас — они навсегда останутся за пределами нашего горизонта. Но, если сейчас галактика ненаблюдаема, вряд ли имеет значение, останется ли она ненаблюдаемой навеки или войдет в наше поле зрения, если мы подождем триллион лет. (Выше, в разделе 6.3.2, я показал, что последнюю категорию, несомненно, следует рассматривать как реальную.)

 

6.3.4. Галактики в разъединенных вселенных

Принципиально ненаблюдаемые галактики из раздела 6.3.3 возникли из того же Большого взрыва, что и мы сами. Но предположим, что вместо каузально не связанных регионов, возникших из единого Большого взрыва (в ходе эпизода инфляции), мы представим себе много отдельных «больших взрывов». Неужели пространства–времена, полностью отдельные от нашего, менее реальны, чем части того, что мы по традиции называем нашей вселенной, но которые никогда не войдут в пределы нашего горизонта? Очевидно, нет — значит, эти вселенные тоже могут считаться реальными частями нашего космоса.

Эта пошаговая аргументация (те, кому она не понравилась, могут назвать ее аргументацией «скользкого склона») наводит на мысль, что вопрос о существовании иных вселенных действительно научный вопрос. Как же мы можем на него ответить?

 

6.4. Сценарии мультивселенной

С первого взгляда ничто концептуально не выглядит более экстравагантным, более грубо нарушающим принцип бритвы Оккама, чем обращение к множеству вселенных. Однако это концепция вытекает сразу из нескольких различных теорий (хотя все они спекулятивны).

Линде [7], Гаррига и Виленкин [4] и другие разработали компьютерные модели, описывающие «вечную» фазу инфляции, в которой множество вселенных вырастает из отдельных «больших взрывов» в несоединенные друг с другом регионы пространства–времени. Гут [5] и Смолин [13] с разных точек зрения предположили, что новая вселенная может родиться внутри черной дыры, расширяясь затем в новую область пространства и времени, недоступную для нас. А Рэндалл и Сандрам [9] полагают, что другие вселенные могут существовать независимо от нашей в дополнительном пространственном измерении; эти разъединенные вселенные могут взаимодействовать гравитационно или же никак не влиять друг на друга. Если обратиться к избитой аналогии, в которой поверхность воздушного шарика представляет двухмерную вселенную, погруженную в наше трехмерное пространство, то эти другие вселенные будут представлены поверхностями других шариков; жучки, прикованные к поверхности шарика и не имеющие понятия о третьем измерении, не будут ничего знать о своих собратьях, ползающих по другим шарикам; другие вселенные будут отдельными доменами пространства и времени. В некоторых из этих сценариев оказывается бессмысленным даже вопрос о том, существовали ли другие вселенные прежде, будут существовать позже или существуют одновременно с нашей, поскольку эти понятия имеют смысл, только если мы можем ввести единое измерение времени, часы, одинаково тикающие во всех вселенных.

Фари и Гут [3], а также Харрисон [6] предположили даже, что вселенные можно создавать в лаборатории, взрывая сгусток материи таким образом, чтобы образовать маленькую черную дыру. Что, если вся наша вселенная — результат эксперимента, проведенного в другой вселенной? Тогда богословские аргументы относительно «замысла» могут воскреснуть в новом обличье. Смолин [13] предполагает, что дочерняя вселенная может управляться законами, несущими на себе отпечаток тех, что господствовали в родительской вселенной. Если эта новая вселенная будет похожа на нашу, значит, и в ней будут формироваться звезды, галактики и черные дыры; эти черные дыры, в свою очередь, породят новое поколение вселенных — и так далее, возможно, до бесконечности.

Кроме того, теория «множества миров», впервые выдвинутая Эвереттом и Уиллером в 1950–х годах, обращается к параллельным вселенным для разрешения некоторых парадоксов квантовой механики. Ранее эту концепцию описал Степлдон, как одно из наиболее изощренных творений своего Делателя Звезд [14]:

Всякий раз, когда существу представал выбор из нескольких возможных действий, оно совершало их все, создавая таким образом множество… различных историй космоса. Поскольку в каждой эволюционной последовательности этого космоса было много существ, каждое из них постоянно сталкивалось с множеством возможных путей, и комбинации всех этих путей были неисчислимы, то в каждый момент каждой временной последовательности возникало бесконечное множество отдельных вселенных.

Ни один из этих сценариев не был просто взят «с потолка»: за каждым стоит серьезная, хотя и спекулятивная теоретическая мотивация. Однако верным может быть, самое большее, один из них. А очень может быть, что неверен ни один — существуют альтернативные теории, которые приводят к представлениям только об одной вселенной.

Для подтверждения этих идей необходима теория, непротиворечиво описывающая экстремальную физику сверхвысоких плотностей, конфигурацию структур в дополнительных измерениях, и так далее. Но одной непротиворечивости недостаточно: нужны основания для уверенности в том, что эта теория — не просто математический конструкт, что она приложима к внешней реальности. Такая уверенность возникнет, если теория объясняет такие явления, которые мы можем наблюдать, но не можем объяснить другим способом.

На сегодняшний день у нас есть прекрасная физическая конструкция, называемая стандартной моделью, которая объясняет почти все наблюдаемые субатомные феномены. Но формулы «стандартной модели» включают в себя числа, которые невозможно вывести из теории — их приходится получать экспериментально. Возможно, в двадцать первом веке физики создадут теорию, объясняющую, например, почему существуют три вида нейтрино, или природу ядерной и электрической сил. Возможно к тому же, что данная теория окажется правдоподобной. Если эта теория, приложенная к началу нашей вселенной, будет предсказывать существование множества «больших взрывов», у нас будут такие же основания верить во множество отдельных вселенных, как сейчас — верить выводам из физики элементарных частиц о существовании кварков внутри атомов или выводам теории относительности о ненаблюдаемом содержимом черных дыр.

 

6.5. Универсальные законы или местные установления?

«Уникальны ли законы физики?» — менее поэтический вариант знаменитого вопроса Эйнштейна: «Был ли выбор у Бога, когда он творил Вселенную?» Ответ определяет то, какую степень разнообразия можно предположить для иных вселенных (если они существуют). Если исходные данные нашей вселенной фундаментальны и неизбежны, то последствия любого большого взрыва были бы повторением нашей собственной вселенной. Но гораздо более интересная возможность (логически вполне допустимая при нашем современном уровне незнания фундаментальных законов) состоит в том, что фундаментальные законы, управляющие мультивселенной в целом, допускают разнообразие отдельных вселенных. В этой более монументальной перспективе кое‑что из того, что мы именуем «законами природы», может оказаться лишь местными установлениями, согласующимися с некоторой общей теорией, управляющей всем ансамблем, но не жестко зафиксированными этой теорией.

В качестве аналогии рассмотрим форму снежинок. Общая для них всех шестилучевая симметрия — прямое следствие свойств и формы молекул воды. Но снежинки обнаруживают огромное разнообразие структуры, поскольку каждая из них формируется своей микросредой: каждая снежинка растет в ответ на случайные изменения температуры и влажности, сопровождающие ее рост. Если физики когда‑нибудь создадут фундаментальную теорию, она объяснит нам, какие стороны природы являются прямыми следствиями этой теории (как симметрия снежинок есть следствие базовой структуры молекулы воды), а какие (вроде уникальной структуры каждой конкретной снежинки) — результатами случайностей. Случайные черты могли возникнуть в процессе остывания после Большого взрыва так же, как кусок раскаленного железа магнетизируется, когда остывает, но расположение полюсов при этом может зависеть от случайных факторов.

Космологические числа нашей вселенной, а также, возможно, некоторые из так называемых констант лабораторной физики могут оказаться «случайностями, обусловленными средой», а не зафиксированными единообразно по всей мультивселенной некоей окончательной теорией. Только в этом случае «тонко настроенные» черты нашей вселенной могут объясняться «антропными» аргументами, аналогичными тому, что делает наблюдатель или экспериментатор, отбирая те или иные эффекты в материалах своих измерений: если вселенных много и большинство из них необитаемы, стоит ли удивляться, что мы находимся в одной из обитаемых вселенных?!

Вся история вселенной может быть лишь эпизодом бесконечной мультивселенной; то, что мы называем законами природы (по крайней мере некоторые из них) — лишь местными установлениями нашей космической провинции. Подобные размышления резко расширяют наши представления о реальности. Чтобы поставить их на твердую почву, необходимо дождаться успешной фундаментальной теории, которая сообщит нам, действительно ли много «больших взрывов» вероятнее, чем один, и если так, то как велико разнообразие, которое они могли бы продемонстрировать. Эта теория должна объединить квантовую теорию (управляющую микромиром) с гравитацией, силой, правящей вселенной на макроуровне. Для большинства природных феноменов такое объединение не требуется: квантовая теория важна лишь в микромире атомов, где гравитация слишком слаба, чтобы иметь какое‑нибудь значение; напротив, гравитация важна только на уровне звезд и планет, где онтологическую «размытость», вызванную квантовыми эффектами, можно не принимать во внимание. Однако в самом начале все было сжато так плотно, что квантовые эффекты могли потрясать всю вселенную.

Можно ли надеяться, что такая теория, соединяющая гравитацию с квантовым принципом и изменяющая наши представления о пространстве и времени, появится в ближайшие десятилетия? Сейчас модно ставить на теорию суперструн, или М–теорию, в которой каждая точка нашего пространства является прочно свернутым оригами из шести или даже семи дополнительных измерений. Однако между лабиринтами десяти или одиннадцати измерений и тем, что мы можем пронаблюдать и измерить, по–прежнему зияет устрашающая пропасть. Теория дополнительных измерений пока что не предсказала никаких новых результатов, ни экспериментальных, ни космологических. И все же многие готовы поставить на суперструны едва ли не из чисто эстетических соображений. Как сказал Эдвард Уиттен: «Хорошие неправильные идеи встречаются чрезвычайно редко, а хороших неправильных идей, хотя бы отдаленно способных соперничать с величием теории струн, мир не видел никогда».

 

6.6. Проверка теорий мультивселенной — здесь и сейчас

Возможно, когда‑нибудь мы обзаведемся убедительной теорией, объясняющей самое начало нашей вселенной, которая расскажет нам, существует ли мультивселенная, и если существует, не являются ли так называемые законы природы лишь местными установлениями нашей космической провинции. Однако, пока мы ждем появления этой теории — а ждать, возможно, придется долго — аналогию с «магазином готового платья» можно уже проверить. Ее можно даже опровергнуть: это случится, если наша вселенная окажется настроенной даже более тонко, чем требует наше присутствие. Приведу два примера подобного стиля рассуждений применительно к двум различным научным вопросам.

Во–первых, Больцманн писал о том, что вся наша вселенная является необыкновенно редкой «флуктуацией» в бесконечном и вечном мире с симметричным временем. Сейчас против этой гипотезы выдвинуто много аргументов, но даже тогда, когда она была только высказана, можно было уже отметить, что в больших объемах флуктуации куда менее вероятны, чем в малых. Поэтому (если бы Больцманн был прав) было бы намного более вероятно, что мы находимся в самой малой из возможных флуктуации, совместимых с нашим существованием, а именно солипсическая вселенная, где существует лишь один мозг, полный воспоминаний, была бы более правдоподобна, чем любая другая интерпретация нашего опыта. Если же мы не готовы сделаться солипсистами, то, вне зависимости от нашего начального отношения к теории Больцманна, ее вероятность будет стремительно падать по мере того, как мы будем осознавать колоссальный масштаб нашего космоса.

Во–вторых, если бы мы даже ничего не знали о формировании звезд и планет, то не удивлялись бы тому, что орбита Земли очень близка к окружности; будь она сильно эксцентричной, вода на земле закипала бы в перигелии и замерзала в афелии — суровые условия, неблагоприятные для нашего появления на свет. Однако некоторая умеренная эксцентричность орбиты, очевидно, совместима с жизнью. Если бы выяснилось, что земля движется вокруг солнца по орбите, гораздо более близкой к идеальной окружности, мы могли бы вывести из этого теорию, постулирующую антропную селекцию орбит, чьи эксцентриситеты имеют «байесовскую априорную вероятность», равномерно распределенную на отрезке 0–1.

Мы можем применить этот стиль рассуждений к важным физическим числам (например, к космологической константе L), чтобы проверить, является ли наша вселенная типичной для подмножества вселенных, в которых могла бы существовать сложная жизнь [15]. Методология требует от нас решить, какие значения совместимы с нашим существованием. Кроме того, требуется особая теория, дающая относительные байесовские априорные вероятности для каждого конкретного значения. Например, в случае L все ли значения равно вероятны? Являются ли небольшие значения более предпочтительными с точки зрения физики? Или существует лишь конечное число возможных дискретных значений? Получив эту информацию, можно будет спросить, «типична» ли наша вселенная для подмножества вселенных, в которых мы могли бы возникнуть. Если даже в этом подмножестве (не говоря уж обо всей мультивселенной) она представляет собой нечто из ряда вон выходящее, то нам придется отказаться от нашей гипотезы.

В качестве другого примера проверки теорий «мультивселенной» рассмотрим предположение Смолина [13] о том, что новые вселенные возникают внутри черных дыр и что физические законы в дочерней вселенной хранят в себе память о законах родительской вселенной, иными словами, что и здесь существует своего рода наследственность. Концепция Смолина пока что не подкреплена какой‑либо развернутой теорией того, каким образом какая‑либо физическая информация (или даже стрела времени) может передаваться из одной вселенной в другую. Однако у нее есть то преимущество, что она делает относительно нашей вселенной предсказание, которое можно проверить.

Если Смолин прав, то вселенные, порождающие много черных дыр, имеют репродуктивное преимущество, которое передается следующим поколениям. Если наша вселенная является результатом такого процесса, то ее способность производить черные дыры должна быть близка к оптимуму в том смысле, что любое незначительное изменение законов и констант физики сделало бы формирование черных дыр менее вероятным. (Лично я считаю, что предсказание Смолина едва ли подтвердится, но он заслуживает нашей благодарности за предоставления примера того, как можно в принципе опровергнуть теорию мультивселенной.)

Эти примеры показывают, что некоторые утверждения о других вселенных могут быть опровергнуты, — необходимое условие валидности научной гипотезы. Мы не можем уверенно утверждать, что «больших взрывов» было много — мы просто слишком мало знаем о самых ранних стадиях развития нашей собственной вселенной. Не знаем мы и того, являются ли фундаментальные законы лишь «разрешающими», этот вопрос предстоит решить физикам двадцать первого столетия. Но если они таковы, то так называемые антропные объяснения станут законными, в сущности, для некоторых важных черт нашей вселенной это будет единственный тип объяснений, которым мы когда‑либо будем располагать.

То, что мы по традиции называем «вселенной», может оказаться результатом одного из многих «Больших взрывов», так же как наша Солнечная система — это лишь одна из многих планетных систем в галактике. Как структура кристаллов льда в замерзающем пруду — скорее случайный исторический факт, чем отражение фундаментальных свойств воды, так и некоторые из природных «констант» могут на поверку оказаться случайными деталями, не определенными однозначно общей теорией. Поиски точных формул для того, что мы называем природными константами, могут оказаться такими же тщетными и запутывающими, как поиск точной цифровой закономерности для планетарных орбит, осуществлявшийся Кеплером. А другие вселенные станут частью научного дискурса, такой же, какой были на протяжении столетий «иные миры». Тем не менее (и здесь я охотно уступаю место философам) любое понимание того, почему что‑либо существует — почему существует вселенная (или мультивселенная), а не ничто — остается в области метафизики.

 

6.7. Отдаленное будущее

Теперь вернемся к нашей собственной вселенной — нашему «космическому оазису» в (возможно) бесконечной мультивселенной. Каково ее отдаленное будущее? Солнце будет продолжать светить еще около шести миллиардов лет — в несколько раз больше, чем потребовалось биосфере земли (включая нас самих), чтобы развиться из первых многоклеточных организмов. Искусственные модификации ведут к гораздо более быстрым переменам, чем естественный отбор. Даже если сейчас жизнь — уникальная особенность Земли, в конечном счете она может «овладеть» космосом. Всю галактику, протяженностью в сотню тысяч световых лет, можно «озеленить» за меньший срок, чем понадобился нам, чтобы развиться из первых приматов. У жизни полно времени, чтобы распространиться по всей галактике и даже дальше.

Мы далеки от кульминации эволюции: образование структуры, интеллекта и сложности еще близко к своему космическому началу. Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают умозрительные сценарии, которых мы пока не можем даже вообразить. Возможно, будущее за созданными нами артефактами, которые будут развиваться благодаря своему собственному направляемому разуму. Диффузные живые структуры, свободно парящие в межзвездном пространстве, будут, вероятно, думать в замедленном темпе, но тем не менее смогут найти свое место в отдаленном будущем.

Через шесть миллиардов лет, когда погаснет Солнце, галактики будут более отдалены друг от друга и в определенном смысле более «слабы» — популяция их звезд состарится и газа для образования новых ярких звезд останется меньше. Но что может произойти дальше? Мы не можем предсказать той роли, которую жизнь в конце концов отведет самой себе. Возможно, в далеком будущем вся вселенная станет в определенном смысле живой. Возможно, создания, ведущие свой род от нас, будут способны «создавать» внутри черных дыр новые вселенные. Наша вселенная потенциально способна стать домом для такого множества сложных и разнообразных форм жизни, какого мы и представить себе не можем.

Однако можно составить долгосрочные прогнозы для вселенной, которая будет по–прежнему управляться только физическими силами. Ее судьба — продолжать расширяться, и даже, если современные свидетельства подтвердятся в будущем, с ускорением. Со временем погаснут даже самые медленно горящие звезды и все галактики в нашей локальной группе — наш Млечный Путь, Андромеда и десятки более мелких галактик — сольются в единую систему. Большая часть изначального газа к тому времени будет привязана к мертвым останкам звезд: одни из них станут черными дырами, другие — холодными нейтронными звездами или белыми карликами.

Еще позже могут вступить в свои права события, слишком редкие для того, чтобы быть заметными сейчас, например столкновения звезд. Звезды столь редко рассеяны в пространстве, что столкновения между ними (к счастью для нашего Солнца) крайне редки; однако со временем их число будет возрастать. Терминальные фазы галактик время от времени будут озаряться яркими вспышками, каждая из которых будет сигнализировать о столкновении двух мертвых звезд.

В конце концов погибнут даже черные дыры. Поверхность черной дыры благодаря квантовым эффектам не совсем гладкая и, следовательно, излучает. Этот эффект может быть важен и в нашей нынешней вселенной, если в ней существуют мини–дыры размером с атом: такие черные дыры будут разрушаться, испуская излучение и частицы; чем меньше они становятся, тем мощнее и энергичнее делается излучение, пока наконец они не исчезнут в результате взрыва. Однако существование таких мини–дыр кажется маловероятным. Они могли возникнуть лишь в ранней, сверхплотной вселенной, и даже тогда это было бы вероятно лишь при условиях гораздо более высокой турбулентности, чем предполагаемая теорией. А чтобы сформировать такую черную дыру в наше время, нужно сжать астероид в километр диаметром (или что‑нибудь близкое по массе) до размеров атомного ядра. Испарение черных дыр, будучи квантовым процессом, далеко не так важно для больших дыр: время, необходимое для разрушения дыры, пропорционально кубу ее массы. Срок жизни дыры с массой звезды — 1066 лет. Даже черные дыры с массой в миллиард солнц вроде тех, что скрываются в центрах галактик, будут разрушены менее чем за 10100 лет.

 

6.8. Асимптотическое будущее жизни

Космологи создали весьма обширную спекулятивную литературу о самой начальной вселенной Космическую же футурологию они, напротив, оставили писателям–фантастам. Я сам могу претендовать на одну из первых научных разработок этой темы еще в 1968 году, когда я написал короткую статью под названием «Коллапс вселенной: эсхатологический этюд» [10]. В то время многие космологи полагали, что мы живем в пульсирующей вселенной, которая закончится «большим схлопыванием», и я рассчитал, что может произойти после того, как космическое расширение остановится и вселенная вновь начнет сжиматься. Во время «обратного отсчета» в направлении схлопывания галактики сольются воедино, а отдельные звезды ускорятся почти до скорости света (как атомы в сжатом газе); дело кончится мощными взрывами, поскольку тепло, поглощаемое поверхностью такой звезды (излучение от других звезд испытывающее голубое смещение) будет жарче, чем ее собственные внутренности.

Одиннадцать лет спустя научную респектабельность этому предмету придал Фримен Дайсон: он опубликовал в Reviews of Modern Physics увлекательную и подробную статью под названием «Время без конца: физика и биология в открытой вселенной» [2]. В то время свидетельства в пользу вечно расширяющейся вселенной были не столь ясны, как сейчас. Но уже у Дайсона были свои предрассудки: ему не хотелось бы поддерживать возможность «большого схлопывания», поскольку она «внушала ему чувство клаустрофобии». Он обсуждал перспективы разумной жизни. Возможно ли, спрашивал он, чтобы жизнь сохранилась навечно без угасания разума, даже когда погаснут звезды? Запасы энергии конечны, и на первый взгляд это ограничение кажется фундаментальным. Однако Дайсон показал, что на самом деле оно не фатально. По мере расширения и остывания вселенной для хранения и передачи информации могут использоваться низкоэнергетические кванты энергии (или, что то же самое, излучение со все большей и большей длиной волн). Как бесконечный ряд может иметь конечную сумму (например, 1 + ½ + ¼ + … = 2), так же нет ограничений и на объем обработки информации, который может быть достигнут при конечном расходе энергии. Любой возможной форме жизни придется становиться все холоднее и холоднее, думать все медленнее и медленнее, впадать в спячку на все более долгие периоды времени. Но торопиться ей будет некуда. Как сказал однажды Вуди Аллен, «вечность — это очень долго… особенно ближе к концу».

Дайсон представлял себе эндшпиль растянутым на такое большое число лет, что для его записи потребуется столько же нулей, сколько атомов содержится во всех видимых нами галактиках. К концу этого срока все звезды превратятся в черные дыры, которые, в свою очередь, испарятся за время, почти мгновенное по сравнению с предыдущим.

Через двадцать с небольшим лет после выхода статьи Дайсона наши взгляды на будущее изменились в двух отношениях — и оба они сделали перспективу более мрачной. Во–первых, теперь большинство физиков полагает, что атомы не живут вечно. Со временем, может быть через 1036 лет, белые карлики и нейтронные звезды будут уничтожены — тепло, производимое распадом частиц, будет заставлять каждую звезду светиться, но так тускло, как светится домашний обогреватель. К этому времени наша локальная группа галактик будет лишь сгустком темной материи с небольшим числом электронов и позитронов. За пределами первых 1036 лет мысли и воспоминания смогут выжить лишь в форме сложных круговоротов и магнитных полей в облаках электронов и позитронов, быть может, чего‑то вроде враждебного инопланетного разума в «Темном облаке», первом и самом впечатляющем из фантастических романов Фреда Хойла, написанных в 1950–х годах.

Дайсон придерживался оптимистических взглядов на потенциал открытой вселенной, поскольку тогда казалось, что масштаб артефактов, которые когда‑либо могут быть созданы, не имеет пределов. Он представлял себе, что обозримая вселенная будет становиться все больше и больше; более того, со временем в поле нашего зрения, а, следовательно, возможной коммуникации и связей, войдут многие галактики, свет которых пока еще не успел дойти до нас; хотя далекие галактики и уходят все дальше, гравитация имеет тенденцию замедлять их разбегание, так что разрушительный эффект расширения будет становиться менее значительным. Однако, судя по современным данным, не похоже, чтобы расширение замедлялось; какая‑то отталкивающая сила, или «антигравитация», все быстрее разносит галактики в разные стороны. Следовательно, в отдаленном будущем нас ждут новые ограничения. Галактики будут скрываться из виду еще быстрее: красное смещение их излучения будет становиться все сильнее, с нашей точки зрения их часы будут идти все медленнее и медленнее, пока в определенный момент времени не остановятся на точке замерзания, так что, хотя они и не исчезнут окончательно, мы будем видеть лишь конечный отрезок их будущей жизни. Ситуация аналогична тому, что случится, если космологи упадут в черную дыру: с безопасной точки наблюдения вне черной дыры мы увидим, как наши падающие коллеги «замерзают» в определенном моменте времени, хотя за горизонтом они будут переживать будущее, ненаблюдаемое для нас.

Наша собственная галактика, Андромеда и еще несколько десятков мелких галактик–спутников, находящихся в поле притяжения той или другой, сольются в единую аморфную систему стареющих звезд и темной материи, и вселенная начнет еще более напоминать «островную систему» (тип вселенной, впервые описанный Лапласом). В ускоряющейся вселенной из нашего поля зрения исчезнет все остальное; если ускорение обусловлено фиксированной «лямбдой», это поле зрения никогда не станет намного шире, чем сейчас. Таким образом, имеется жесткое ограничение, хотя, конечно, колоссального объема, на величину любой сети или любого артефакта. Из этого вытекает и определенное ограничение на то, насколько сложным может стать что бы то ни было. Одним из важных недавних достижений была количественная оценка этого ограничения. Пространство и время не могут делиться до бесконечности. Внутренняя «зернистость» пространства устанавливает лимит для сложности сетей, которые могут быть сотканы во вселенной фиксированных размеров.

Даже если удастся разрешить проблему ограниченных энергетических резервов, останется ограничение на разнообразие и сложность. Лучшим способом отогнать скуку в подобной вселенной было бы сконструировать машину времени и, по край–ней мере субъективно, перебрать все возможности, снова и снова проходя по замкнутой временной петле.

Эти долгосрочные прогнозы подразумевают очень красивую физику, большая часть которой вполне понятна. Однако читателям, всерьез интересующимся тем, что случится через триллионы лет, следует помнить о некоторых неясностях. Во–первых, нельзя быть полностью уверенными, что области, находящиеся за нашим нынешним горизонтом, похожи на те части вселенной, которые мы видим. В океане что‑то необычное может находиться как раз за горизонтом. Так и вселенная, которая расширяется с замедлением, но, по–видимому, недостаточным, чтобы когда‑нибудь остановиться, однажды может быть раздавлена более плотным материалом, пока что невидимым для нас. Даже если этого не произойдет, возможно, что тенденция к большей однородности на больших масштабах не будет продолжаться неопределенно долго. В масштабах, много больших, чем та часть вселенной, которую мы до сих пор наблюдали, может существовать новый уровень структур. Джон Бэрроу и Фрэнк Типлер указали, что если вселенная расширяется в разных направлениях с различной скоростью, то это дает доступ к новому источнику энергии, так называемой «энергии ножниц».

Во–вторых, мы не знаем, что может со временем произойти с «квинтэссенцией» — таинственной энергией пространства, определяющей все ускоряющееся расширение космоса. Эта остаточная энергия может превратиться в какие‑то новые виды частиц. Если это превращение будет происходить равномерно, оно не сможет предотвратить печального конца. Однако остаточная энергия может уменьшаться в пузырях, поверхности которых будут сталкиваться друг с другом, создавая концентрацию энергии, способную запустить даже регенерацию атомов. Эта возрожденная вселенная будет состоять из «островков» возрожденной активности, отделенных друг от друга огромными пустотами. Как сказал Пол Стейнхардт, смогут ли будущие существа «постичь, что они происходят из изотропной вселенной, которую мы видим вокруг себя сегодня? Узнают ли они когда‑нибудь, что в прошлом вселенная была жива, а затем умерла только для того, чтобы получить второй шанс?»

Более обескураживающую перспективу представляет возможная уязвимость пустого пространства для катастрофических преобразований. Очень чистая вода способна «переохлаждаться» ниже точки замерзания, но замерзает мгновенно, едва в нее попадет пылинка. По аналогии не исключено, что наш нынешний «вакуум» просто метастабилен и может со временем превратиться в совершенно другую вселенную, управляемую другими законами, вероятно с высокой отрицательной лямбдой, которая будет причиной всеобщего взрыва, а не ускоряющегося разлетания.

Время от времени возникают страхи, что подобный переход может быть вызван искусственно, путем столкновения высокоэнергетических частиц во время экспериментов с ускорителями. Ободряет, однако, то, что куда более высокоэнергетические столкновения, например с частицами космических лучей, происходили в природе на протяжении миллиардов лет, не разрывая ткани пространства.

Еще одной дорогой к Армагеддону может стать превращение обычных атомных ядер в гипотетические частицы, называемые «чудачками»: в них содержится третий тип кварков, дополнительный к типам, создающим обычные протоны и нейтроны. Если чудачки способны существовать как стабильные объекты и если их электрический заряд отрицателен (что считается крайне маловероятным), они могут притягивать другие ядра, а затем путем заражения превратить свое окружение и в конце концов всю землю в так называемую «странную материю». Эта возможность достаточно серьезно рассматривалась администрацией Брукхейвенского ускорителя, которая заказала экспертное заключение по вопросу о том, могут ли эксперименты по сталкиванию очень тяжелых ядер вызвать подобную катастрофу.

Возможно, наши отдаленные потомки будут иметь бесконечное будущее (если только не попадут в объятия черной дыры). Однако стоит отметить, что альтернативная судьба — гибель в «большом схлопывании» — может стать источником обогащающего опыта. Мы видели, что в постоянно расширяющейся вселенной события происходят все медленнее и медленнее: общее число дискретных событий или «мыслей» может быть ограничено даже в бесконечном будущем. Джон Бэрроу и Фрэнк Типлер подчеркивали, что в коллапсирующей вселенной возможно обратное: бесконечное количество «происшествий» в пределах конечного времени [1]. Космологи привыкли к идее, что первые мгновения после Большого взрыва были необычайно насыщены событиями: при обратной экстраполяции все больших плотностей время должно измеряться последовательностью часов, которые становятся все меньше, грубее и тикают все быстрее. Бесконечное множество чисел может сложиться в конечную сумму. Таким же образом и в последние мгновения перед схлопыванием мы сможем не только снова увидеть всю свою жизнь, но и пережить бесконечное множество новых событий.

Даже если наша собственная вселенная приговорена к вечному расширению, сценарий «большого схлопывания» может разыграться где‑то еще в мультивселенной, там, где имеется иная глобальная кривизна, но законы микрофизики те же, что и у нас (и столь же благоприятны для жизни). Большинство вселенных, управляемых иными микрофизическими законами, должны быть не столь благосклонны к жизни; но некоторые, возможно, допускают даже большую сложность, чем наша собственная. Большинство биологов не способны представить разнообразие инопланетных форм жизни, способных существовать в нашей вселенной, еще менее можем мы вообразить себе, какие возможности могут развертываться во вселенных, управляемых иными «хорошо настроенными» законами.

 

6.9. Земля в космической перспективе

Иконой 1960–х годов стала первая фотография из космоса, запечатлевшая нашу родную планету с ее сушей, океанами и облаками: хрупкая красота, резко контрастирующая с застывшим и стерильным лунным пейзажем, на котором оставили свои следы космонавты. Теперь мы знаем, что другие звезды — не просто «источники света»: многие из них имеют свиту из вращающихся планет. Через каких‑нибудь двадцать лет мы сможем украсить стену другой, еще более впечатляющей фотографией — видом в телескоп на иную землю, вращающуюся вокруг какой‑нибудь далекой звезды.

Но будет ли у этой планеты биосфера? Если будет — сможет ли на ней развиться сложная, разумная жизнь? Возможно, эволюция разума требует столь невероятной цепи событий, что из триллионов звезд, видимых в наши телескопы, нет ни одной, вблизи которой он мог возникнуть. В таком случае наша крохотная Земля получает еще более глубокое значение — она важна не только тем, что представляет собой сейчас, но и своим космическим потенциалом.

На 13–м миллиарде лет от рождения наша вселенная только начинает жить. Наши действия в этом столетии могут инициировать распространение жизни за пределами солнечной системы по всей галактике, а со временем и дальше. Или, если жизнь и вправду существует лишь на земле, они могут изменить будущее всего космоса. Гибель высокоорганизованной жизни, пока она ограничена нашей Землей, может оборвать творческий потенциал целого космоса на миллиарды лет вперед: это будет не «просто» земное, но космическое бедствие.

Технология XXI века сталкивает нас лицом к лицу со многими смертельными угрозами. Мы можем столкнуться с глобальной экологической катастрофой. Выше я оцениваю угрозу гибели от искусственно выведенного и размножающегося в воздухе смертельного вируса, передающегося воздушно–капельным путем, или зловредных катастрофически самовоспроизводящихся наномашин. С ростом наших технических достижений возрастает и риск. Существует до ужаса много способов, с помощью которых маленькие группы террористов или случайные происшествия в небольших лабораториях могут вызвать глобальную катастрофу. Любая из этих катастроф может свершиться по злому умыслу или, что пугает еще сильнее, просто из‑за технического несчастного случая. (Катастрофу, спровоцированную ускорителем, которую мы упоминали выше, тоже не стоит полностью сбрасывать со счета, но в моем личном «списке рисков» она стоит гораздо ниже, чем катастрофы, связанные с био- или нанотехнологиями.)

Из соображений осторожности правительства должны притормозить исследования в рискованных областях генетической инженерии и нанотехнологий. Такую же предусмотрительность должны проявить и физики. Если эксперимент способен уничтожить мир, даже один шанс из миллиарда — недопустимо высокий риск. На этом уровне нельзя успокаивать себя теоретическими аргументами: они никогда не будут тверже предположений, на которых они основаны, и лишь безответственно самонадеянные теретики будут делать ставки в триллион к одному за истинность своих предположений. Нельзя спать абсолютно спокойно, пока мы не уверимся, что абсолютно такие же события, например равные по мощности энергетические столкновения частиц космических лучей, уже происходили естественным путем и не повлекли за собой никаких бедствий. Превалировать должен принцип «крайней предосторожности».

Но даже если все государства жестко ограничат потенциально опасные эксперименты, пользы от этих запретов будет не больше, чем от законов, касающихся наркотиков. А поскольку даже одно–единственное нарушение запрета способно повлечь за собой глобальную катастрофу, единственной рациональной позицией мне представляется глубокий пессимизм.

Хотя это слабое утешение для жителей Земли, для которых сохраняется риск 50 на 50, но можно гарантировать, что долгосрочный космический потенциал жизни не уничтожен. Когда разумная жизнь в реальной или закодированной форме распространена и за пределами земли, никакая земная катастрофа не может уничтожить после этого ее космический потенциал — жизнь «проложила тоннель» через эру максимального риска.

Некую гарантию может дать создание «космических поселений», вполне возможно, еще до конца XXI столетия. Основав автономные сообщества вне земли, на Луне, на Марсе или свободно летающие в космосе, наш вид будет неуязвим для любой глобальной катастрофы на Земле, и ничто не сможет его уничтожить, какой бы потенциал он ни имел для последующих пяти миллиардов лет. Возможно, это единственная причина, по которой следует отдавать приоритет программам пилотируемых космических полетов. (Это не обязательно подразумевает предприятие в стиле «Аполло»: полеты могут финансироваться частным образом, может быть, действительно став уделом богатых искателей приключений, готовых рисковать, чтобы смело разведывать дальние рубежи.)

Новые технологии могут предложить и другую возможность: загрузить наши «чертежи» в неорганические носители памяти и запустить их в космос (быть может, с возможностью самовоспроизведения). Эти идеи поднимают глубокий вопрос об ограничениях на хранение информации, а также философскую проблему идентичности.

Возможно, наша Земля имеет космическое значение как единственное место, из которого по вселенной может распространиться жизнь. Понимание этого поднимает ставки от Земли до целого космоса. Может быть, эта мысль не поражает воображение так, как «непосредственный» риск для тех, кто уже живет на Земле; но для меня, а возможно, и других (особенно для неверующих) этот космический контекст усиливает императив беречь жизнь на Земле.

Новое столетие, наступающее на этой планете, может стать определяющим моментом для космоса. Возможно, во всей области, исследуемой космологами, — десять миллиардов лет времени, десять миллиардов световых лет пространства — самая важная пространственно–временная точка (не считая самого Большого взрыва) — это здесь и сейчас. Благодаря злому умыслу или несчастному случаю технология XXI века может уничтожить наш вид и тем закрыть возможности нашей биофилической вселенной, эволюция которой еще только начинается. И напротив, благодаря предусмотрительности и экспансии за пределы земли мы могли бы гарантировать достаточное разнообразие, чтобы сохранить потенциал жизни для бесконечного будущего в космосе, который гро–маднее и разнообразнее того, что мы прежде представляли себе.

 

Литература

1. Barrow, J., and Tipler, E., The Anthropic Cosmological Principle (Oxford University Press, Oxford, 1988).

2. Dyson, F. J., "Time without End: Physics and Biology in an Open Universe", Rev. Mod. Phys., 51, 447460 (1979).

3. Fahri, E. H., and Guth, A. H., "An Obstacle to Creating a Universe in a Laboratory", Phys. Lett., В 183, 149 (1987).

4. Garriga, J., and Vilenkin, A., "Many Worlds in One", Phys. Rev., D 64, 043511 (2001); gr‑qc/0102010.

5. Guth, A. H., The Inflationary Universe (Addison‑Wesley, 1996), especially 245–52; astro‑ph/0101507.

6. Harrison, E. R., "The Natural Selection of Universes Containing Intelligent Life", QJ. Roy Ast. Soc, 36, 193 (1995).

7. Linde, A., "The Self‑Reproducing Inflationary Universe", Sci. Amer., 5, 32–39 (1994).

8. Polkinghorne, J., Quarks, Chaos, and Christianity (SPCK Triangle Press, London, 1994).

9. Randall, L., and Sundrum, R., "An Alternative to Compactification", Phys. Lett., 83, 4690 (1999).

10. Rees, M., "The Collapse of the Universe: An Eschatological Study", Observatory, 89, 193 (1969).

11. Rees, M., Just Six Numbers (Basic Books, New York, 1999).

12. Rees, M., Our Cosmic Habitat (Princeton University Press, Princeton, 2001).

13. Smolin, L., The Life of the Cosmos (Oxford University Press, New York, 1996).

14. Stapledon, O., Star Maker (Penguin, New York, 1972; first published Methuen, London, 1937), 251.

15. Weinberg, S. W., Conference Summary in "Relativistic Astrophysics", ed. J. C. Wheeler and H. Martin (AIP Publications, New York), 893–910; astro‑ph/0104482.