Граничные условия для вселенной

Но почему Вселенная должна была обладать очень упорядоченным состоянием на одном конце времени, том конце, который мы называем прошлым? Почему она не пребывает в состоянии полной неупорядоченности в любое время, всегда? Ведь это представляется более вероятным. И почему направление времени, в котором беспорядок нарастает, совпадает с тем, в каком расширяется Вселенная? Один из возможных ответов таков: Бог просто пожелал, чтобы Вселенная в начале фазы расширения находилась в однородном и упорядоченном состоянии. Мы не должны стараться понять почему или спрашивать, каковы были Его резоны, поскольку зарождение Вселенной — это деяние Бога. Но то же самое можно сказать и обо всей ее истории.

Похоже, что Вселенная развивается в согласии с четко определенными законами. Определены они Богом или нет, в любом случае мы способны открывать и постигать их. Не разумно ли в таком случае надеяться, что те же или сходные законы действовали при зарождении Вселенной? В классической общей теории относительности Вселенная начинается с сингулярности бесконечной плотности при бесконечной кривизне пространства-времени. При таких условиях должны нарушаться все известные законы физики. Так что их нельзя применять для предсказания того, как начиналась Вселенная.

Начальное состояние Вселенной могло быть весьма однородным и упорядоченным. Это привело к точно определенным термодинамической и космологической стрелам времени, какие мы наблюдаем. Но с такой же вероятностью развитие Вселенной могло начаться с предельно неоднородного и беспорядочного состояния. В этом случае беспорядок в совершенно хаотической Вселенной не мог возрастать со временем. Он должен был либо оставаться постоянным (в этом случае не существовало бы никакой определенной термодинамической стрелы времени), либо уменьшаться (и тогда термодинамическая и космологическая стрелы времени были бы направлены в противоположные стороны). Ни одна из этих возможностей не согласуется с наблюдениями.

Как я упоминал, классическая общая теория относительности предсказывает, что Вселенная возникает из сингулярности, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. По сути, это означает, что классическая общая теория относительности предсказывает собственный крах. При очень больших искривлениях пространства-времени эффекты квантовой гравитации становятся существенными и классическая теория уже не дает удовлетворительного описания Вселенной. Для того чтобы понять, как зарождалась Вселенная, надо использовать квантовую теорию гравитации.

В квантовой теории гравитации рассмотрению подлежат все возможные истории Вселенной. И каждой истории соответствует пара чисел. Одно характеризует размер волны, а второе — ее фазу (гребень или впадина). Вероятность того, что Вселенная будет обладать тем или иным специфическим свойством, определяется сложением всех волн, соответствующих историям, которые обладают этим свойством. Истории должны представлять собой искривленные пространства, отображающие эволюцию Вселенной во времени. Но и тогда нам придется определить, как возможные истории Вселенной ведут себя на границе пространства-времени в прошлом. Мы не знаем и не можем знать граничных условий для Вселенной в прошлом. Однако этой трудности можно избежать, если граничные условия для Вселенной состоят в том, что у нее нет границы. Другими словами, все возможные истории конечны по протяженности, но не имеют ни границ, ни краев, ни сингулярностей. Все они напоминают поверхность Земли, которой приданы два дополнительных измерения. В этом случае начало времени должно быть обычной гладкой точкой в пространстве-времени. Значит, расширение Вселенной должно было начаться с очень ровного и упорядоченного состояния. Оно не могло быть совершенно однородным, потому что это нарушило бы принцип неопределенности квантовой теории. В распределениях плотности и скоростей частиц должны были иметься небольшие флуктуации. Условие об отсутствии границы, однако, лимитирует величину этих флуктуаций, сводя ее к минимально необходимому значению в соответствии с требованиями принципа неопределенности.

Развитие Вселенной должно было начаться с периода экспоненциального (инфляционного) расширения. Это привело бы к многократному увеличению ее размеров. Во время расширения флуктуации плотности сперва оставались бы небольшими, но затем начали бы расти. Расширение областей

с плотностью немного выше средней было бы замедлено гравитационным притяжением избыточной массы. Рано или поздно такие области вообще прекратили бы расширяться и пережили коллапс, ведущий к образованию галактик, звезд и существ, подобных нам.

Однородная и упорядоченная вначале, Вселенная с течением времени должна была становиться неоднородной и неупорядоченной. Этим объясняется существование термодинамической стрелы времени. Вселенная должна была начаться с состояния высокой степени упорядоченности и со временем стать менее упорядоченной. Как я показал ранее, психологическая стрела времени указывает в том же направлении, что и термодинамическая. Поэтому наше субъективное восприятие времени имело бы скорее ту же направленность, что и расширение Вселенной, нежели противоположную направленность, соответствующую сжатию.

 

Обратима ли стрела времени?

Но что произошло бы, если (когда) расширение Вселенной прекратилось бы, уступив место сжатию? Не обратилась бы вспять термодинамическая стрела времени и не начал бы беспорядок сокращаться с течением времени? Для людей, переживших переход от расширения к сжатию, это обернулось бы разного рода возможностями в духе научной фантастики. Увидят ли они, как разбитые чашки сами собой складываются из осколков и вспрыгивают на стол? Сколотят ли состояние на фондовой бирже, припомнив завтрашние котировки акций?

Вам может показаться сугубо умозрительным беспокойство о том, что случится в результате коллапса Вселенной, коль скоро размеры ее не начнут сокращаться в ближайшие десять

миллиардов лет. Но есть более быстрый способ определить, что случится, — прыгнуть в черную дыру. Коллапс звезды, которая должна превратиться в черную дыру, в значительной мере напоминает последние стадии коллапса всей Вселенной. Так что если беспорядок уменьшается в фазе сжатия Вселенной, можно ожидать, что он уменьшается и в черной дыре. Возможно, астронавт, угодивший в черную дыру, выиграет кучу денег в рулетку, припомнив, куда отправился шарик перед тем, как была сделана ставка. К несчастью, однако, в рулетку астронавт играл бы недолго, потому что очень сильные гравитационные поля быстро превратили бы его в лапшу. Равным образом он не смог бы ни сообщить нам, обратима ли термодинамическая стрела времени, ни положить свой выигрыш в банк, потому что навеки остался бы за горизонтом событий, пойманный в ловушку черной дыры.

Поначалу я верил в уменьшение беспорядка при обратном сжатии Вселенной. А все потому, что считал, будто с уменьшением размеров Вселенная должна вернуться к упорядоченному и однородному состоянию. Это означало бы, что в фазе сжатия время, за которое произошла стадия расширения, потечет вспять. Люди в фазе сжатия проживали бы свою жизнь от конца к началу. Умирали бы раньше, чем рождались, и молодели бы по мере сжатия Вселенной. Эта идея привлекательна, поскольку устанавливает точную симметрию между фазами расширения и сжатия. Однако ее нельзя принять саму по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Вопрос в следующем: согласуется она или нет с предположением об отсутствии границы?

Как уже упоминалось, я поначалу думал, что условие об отсутствии границы действительно предполагает уменьшение беспорядка в фазе сжатия Вселенной. Это убеждение основывалось на работе над простой моделью Вселенной, в которой фаза сжатия похожа на обращенную во времени

фазу расширения. Однако мой коллега Дон Пейдж указал, что это условие вовсе не требует со всей неизбежностью, чтобы фаза сжатия была подобна обращенной во времени фазе расширения. Позднее мой студент Раймон Лафламм обнаружил, что в чуть более сложной модели процесс сжатия Вселенной существенно отличается от расширения. Я понял, что допустил ошибку. На самом деле условие отсутствия границы не предполагало, что беспорядок будет уменьшаться в фазе сжатия. Ни в сжимающейся Вселенной, ни в черной дыре термодинамическая и психологическая стрелы времени не меняют своего направления.

Что же делать, когда обнаруживаешь, что совершил такую ошибку? Кое-кто, подобно Эддингтону, никогда не признают, что ошибались. Они продолжают искать новые, зачастую взаимоисключающие, аргументы в поддержку своей позиции. Другие делают вид, будто никогда всерьез не поддерживали неверных взглядов, а если и поддерживали, то только для того, чтобы выявить их несостоятельность. Я мог бы привести множество примеров, но не стану, потому что это не прибавит мне популярности. Самым лучшим и щадящим самолюбие выходом мне представляется признание своей ошибки в печати. Хорошим примером может служить Альберт Эйнштейн, признавший, что введение космологической постоянной для обоснования стационарной модели Вселенной было величайшей ошибкой его жизни.