Шон Кэрролл: Далёкое время и намёк на мультивселенную
На TEDxCaltech космолог Шон Кэрролл штурмует – в увлекательном и наводящим на размышления путешествии через природу времени и вселенной – обманчиво простой вопрос: почему время вообще существует? Потенциальные ответы указывают на удивительный взгляд на природу вселенной и нашего места в ней.
Вселенная очень велика. Мы живем в галактике, в галактике Млечный Путь. В галактике Млечный Путь около ста миллиардов звёзд. И если вы возьмёте фотокамеру, направите её на любую часть неба и просто оставите затвор открытым, если ваша фотокамера прикреплена к Космическому Телескопу Хабл, она зафиксирует что-то вроде этого. Каждое из этих маленьких пятнышек – это галактика примерно того же размера, что и наш Млечный Путь – сто миллиардов звёзд в каждом из этих пятен. В обозримой вселенной примерно сто миллиардов галактик. Вам надо выучить только одно это число – сто миллиардов. Возраст вселенной между настоящим моментом и Большим Взрывом – сто миллиардов в собачьих годах. (Смех) Это кое-что говорит вам о нашем месте во вселенной.
Этой фотографией можно просто восхищаться. Она невероятно красива. Я часто размышлял, что это было за эволюционное давление, которое заставило наших предков в вельде [южноафриканской степи] развиться до такой степени, чтобы наслаждаться фотографиями галактик: ведь у них не было таких фотографий. Но мы также хотели бы понять её. Как космолог, я хочу спросить, почему вселенная такова? У нас есть одна большая подсказка – вселенная меняется со временем. Если бы вы взяли одну из этих галактик и измерили её скорость, оказалось бы, что она удаляется от вас. А если бы вы взяли более далёкую галактику, оказалось бы, что она удаляется быстрее. Поэтому мы говорим, что вселенная расширяется.
Это, конечно, означает, что в прошлом всё было ближе друг к другу. В прошлом вселенная была более плотная, а также более горячая. Если вы сжимаете что-то, температура растёт. Это нам более-менее понятно. Что нам не особенно понятно, это то, что вселенная на ранних этапах, вскоре после Большого Взрыва, была также очень и очень однородной. Вы можете подумать, что в этом нет ничего удивительного. Воздух в этой комнате очень однороден. Вы можете сказать, "Ну, возможно, вещи просто сами становятся однородными". Но условия вскоре после Большого Взрыва совершенно другие по сравнению с условиями воздуха в этой комнате. А именно, плотность была гораздо выше. Гравитационное притяжение было гораздо сильнее сразу после Большого Взрыва.
Вы должны подумать о том, что у нас есть вселенная со ста миллиардами галактик, со ста миллиардами звёзд в каждой. На ранних этапах эти сто миллиардов галактик были сжаты примерно до таких размеров – буквально, в древнейшие времена. И представьте себе такое сжатие без каких-либо дефектов, без каких-либо уплотнений, где было бы больше атомов, чем в других местах. Если бы уплотнения были, они бы сжались под действием гравитации в огромную чёрную дыру. Сохранение однородности вселенной на ранних этапах – это непростая и тонкая вещь. Это признак того, что ранняя вселенная не появилась случайно. Что-то сделало её такой. Мы бы хотели знать что.
Частично такое понимание нам дал Людвиг Больцман, австрийский физик 19 века. Вклад Больцмана заключался в том, что он помог нам понять энтропию. Вы слышали об энтропии. Это случайность, беспорядочность и хаотичность в некоторых системах. Больцман дал нам формулу, которая теперь выбита на его могиле и которая действительно позволяет измерить энтропию. По сути формула говорит нам, что энтропия – это число способов перемещения элементов в системе так, чтобы это не было заметно, чтобы макроскопически она выглядела бы так же. Если взять воздух в этой комнате, вы не замечаете каждый отдельный атом. Конфигурация с низкой энтропией – это когда лишь несколько вариантов расположения выглядят таким образом. Конфигурация с высокой энтропией – это та, где есть много вариантов расположения, которые выглядят таким образом. Это критично важное понятие, потому что оно помогает нам объяснить второй закон термодинамики – он гласит, что энтропия увеличивается во вселенной и в каждой отдельной части вселенной.
Энтропия увеличивается просто потому, что есть гораздо больше способов быть в состоянии высокой энтропии, чем низкой. Это прекрасный прорыв в понимании, но он кое-что не учитывает. Кстати, именно понятие увеличения энтропии стоит за тем, что мы называем осью времени, разницей между прошлым и будущим. Любая разница, какая есть между прошлым и будущем существует потому, что энтропия увеличивается – тот факт, что вы можете помнить прошлое, но не будущее, тот факт, что вы рождаетесь, потом живёте, и потом умираете, всегда в таком порядке, – это потому что энтропия увеличивается. Больцман объяснил, что если вы начинаете с низкой энтропией, естественно, что она будет увеличиваться, потому что есть больше способов быть в высокой энтропии. Но он не объяснил, почему энтропия изначально была низкой.
Тот факт, что энтропия вселенной была низкой, было отражением факта, что ранняя вселенная была очень и очень однородной. Мы бы хотели понять это. Это наша задача как космологов. К сожалению, мы уделяли недостаточно внимания этой проблеме. Этот вопрос – далеко не первое, что вы бы услышали, если бы вы спросили современного космолога, какие проблемы мы пытаемся решить. Одним из тех людей, которые понимали, что это проблема, был Ричард Фейнман. 50 лет назад он читал цикл различных лекций. Он читал популярные лекции, которые стали книгой "Характер физических законов". Он читал лекции студентам КалТеха [Калифорнийского технологического института], которые стали книгой "Фейнмановские лекции по физике" Он читал лекции выпускникам КалТеха, которые стали книгой "Фейнмановские лекции по гравитации". В каждой из этих книг, в каждом из этих циклов лекций он подчеркивал эту загадку: Почему у ранней вселенной была такая низкая энтропия?
И он говорит – я не буду имитировать акцент – он говорит, "По какой-то причине вселенная когда-то имела слишком низкую энтропию для той энергии, которую она содержала, и с того момента энтропия увеличивалась. Мы не можем полностью понять ось времени, пока загадка начала истории вселенной не продвинется дальше от предположений к пониманию." Так что, это наша задача. Это было 50 лет назад, и вы сейчас думаете: "Наверняка мы это уже выяснили". Но это неправда, ничего мы не выяснили.
Проблема стала скорее ещё сложнее, а не легче, потому что в 1998 году мы узнали кое-что важное о вселенной, чего мы не знали прежде. Мы узнали, что она ускоряется. Вселенная не только расширяется. Если вы посмотрите на галактику, – она удаляется. Если вы вернетесь через миллиард лет и посмотрите ещё раз, то она будет удаляться быстрее. Отдельные галактики уносятся от нас быстрее и быстрее. Поэтому мы говорим, что вселенная ускоряется. В отличие от низкой энтропии ранней вселенной, хотя мы и не знаем ответа на этот вопрос, у нас хотя бы есть хорошая теория, которая может объяснить это, если эта теория верна, – это теория тёмной энергии. Это идея о том, что пустое пространство само по себе обладает энергией.
В каждом маленьком кубическом сантиметре пространства, неважно, есть ли в нём хоть что-то, неважно, есть ли в нём частицы, материя, излучение или что-либо ещё, всегда есть энергия, даже в пространстве самом по себе. И эта энергия, согласно Энштейну, оказывает отталкивающее давление на вселенную. Это постоянный импульс, который отталкивает галактики друг от друга. Потому что тёмная энергия, в отличие от материи или излучения, не разбавляется по мере расширения вселенной. Количество энергии в каждом кубическом сантиметре остается тем же, даже по мере того, как вселенная становится больше и больше. Этот имеет очень важные следствия о том, как вселенная будет вести себя в будущем. Одно из них – это то, что вселенная будет расширяться бесконечно.
Когда я был в вашем возрасте, мы не знали, как будет вести себя вселенная. Некоторые считали, что вселенная в будущем снова сожмётся. Энштейну нравилась эта идея. Но если есть тёмная энергия, и тёмная энергия не исчезает, вселенная просто будет расширяться вечно. 14 миллиардов лет в прошлом, 100 миллиардов собачьих лет, но бесконечное число лет в будущем. Пока что, во всех отношениях пространство кажется нам конечным. Пространство может быть конечным или бесконечным, но из-за того, что вселенная ускоряется, есть части её, которые мы не можем увидеть, и никогда не увидим. Есть конечный участок пространства, окруженный горизонтом, к которому у нас есть доступ. Поэтому хотя время и бесконечно, пространство ограничено для нас. В конце концов, пустое пространство имеет температуру.
В 1970-х годах Стивен Хокинг рассказал нам, что чёрная дыра, хоть вы и думаете, что она чёрная, вообще-то испускает излучение, если вы учитываете квантовую механику. Искривление пространства-времени вокруг чёрной дыры приводит в движение квантово-механическую флуктуацию, и чёрная дыра испускает излучение. В точности похожие вычисления Хокинга и Гари Гиббонса показали, что если в пустом пространстве есть тёмная энергия, то вся вселенная испускает излучение. Энергия пустого пространства приводит в движение квантовые флуктуации. И хотя вселенная будет существовать вечно, а обычная материя и излучение исчезнут, всегда будет некоторое излучение, некоторые термические флуктуации, даже в пустом пространстве. И это значит, что вселенная – как коробка с газом, которая существует вечно. Каковы же следствия этого?
Следствия были изучены Больцманом в 19 веке. Он сказал, что энтропия увеличивается, потому что есть гораздо больше способов для вселенной иметь высокую энтропию, чем низкую. Но это вероятностное утверждение. Она, вероятно, увеличится, и вероятность этого громадна. Вам не стоит беспокоиться о том, что воздух вдруг соберётся в одной части этой комнаты, и мы задохнёмся. Это очень и очень маловероятно. Но если бы заперли двери и оставили бы нас здесь буквально навечно, это бы произошло. Всё, что возможно, каждая конфигурация, которую могут принять молекулы в этой комнате, в конце концов будет достигнута.
И Больцман говорит, возможно, сначала вселенная находилась в температурном равновесии. Он не знал о Большом Взрыве. Он не знал о расширении вселенной. Он думал, что пространство и время были объяснены Исааком Ньютоном, – они были абсолютными, они просто останутся вечно. Поэтому его представление о естественной вселенной было таким, в котором молекулы воздуха были равномерно распределены везде, молекулы всего. Но если вы Больцман, вы знаете, что если ждать достаточно долго, случайные флуктуации этих молекул порой могут привести их в конфигурации с более низкой энтропией. И потом, конечно, в естественном течении вещей, они расширятся обратно. Так что энтропия не должна всегда увеличиваться – могут быть флуктуации в более низкую энтропию, в более организованные ситуации.
Итак, если это правда, затем Больцману приходят в голову две очень современно звучащие идеи – мультивселенная и антропный принцип. Он говорит, что проблема с температурным равновесием в том, что мы не можем жить в нём. Помните, сама жизнь зависит от оси времени. Мы не смогли бы обрабатывать информацию, метаболизировать, ходить и говорить, если бы мы жили в температурном равновесии. Поэтому если вы представите очень большую вселенную, бесконечно большую вселенную со случайно сталкивающимися друг с другом частицами, иногда будут случаться флуктуации в состояние с более низкой энтропией, и потом они будут развеиваться обратно. Но также будут и большие флуктуации. Иногда образуется планета, или звезда, или галактика, или сто миллиардов галактик. Поэтому, говорит Больцман, мы будем жить только в той части мультивселенной, в той части этого бесконечно большого набора флуктуирующих частиц, где возможна жизнь. Это участок, где энтропия низкая. Может быть, наша вселенная – это одна из тех вещей, которые случаются время от времени.
Итак, ваше домашнее задание – крепко подумать обо всем этом, обдумать, что это значит. Карл Саган однажды произнес известную фразу, – "для того, чтобы сделать яблочный пирог, надо создать вселенную." Но он был неправ. В сценарии Больцмана, если вы хотите приготовить яблочный пирог, вы просто ждёте, пока случайные движения атомов приготовят вам яблочный пирог. Это будет случаться гораздо чаще, чем случайные движения атомов, которые создадут вам яблоневый сад, немного сахара и духовку, и только потом яблочный пирог. Этот сценарий делает предсказания. И предсказание таково, что флуктуации, создающие нас, минимальны. Даже если представить, что комната, где мы находимся, существует, и она настоящая, и вот мы здесь, и у нас есть не только воспоминания, но и впечатление, что снаружи есть что-то, что называется КалТех, США и галактика Млечный Путь, этим впечатлением гораздо проще случайно флуктуировать в ваш мозг, чем случайно флуктуировать в настоящий КалТех, Соединенные Штаты и галактику.
Хорошая новость состоит в том, что, следовательно, этот сценарий не работает, он неверен. Этот сценарий предсказывает, что мы должны быть минимальной флуктуацией. Даже если забыть о нашей галактике, вы не получите сто миллиардов других галактик. И Фейнман тоже понимал это. Фейнман говорит, "Из гипотезы о том, что мир – это флуктуация, единственное предсказание – это то, что если мы посмотрим на часть мира, которую мы раньше не видели, мы найдем её перемешанной, и не такой, как часть, на которую мы только что посмотрели, – в состоянии высокой энтропии. Если бы наш порядок происходил от флуктуации, мы бы не ожидали увидеть порядок где-то еще, кроме как где мы его только что заметили. Таким образом, мы заключаем, что вселенная – это не флуктуация." Хорошо. Тогда вопрос – что же является правильным ответом? Если вселенная не флуктуация, почему ранняя вселенная имела низкую энтропию? И я бы с удовольствием сообщил вам ответ, но у меня заканчивается время.
(Смех)
Вот вселенная, о которой мы вам рассказываем, против вселенной, которая действительно существует – я вам уже показывал ту картинку. Вселенная расширяется последние 10 миллиардов лет или около того. Она охлаждается. Но сейчас мы знаем достаточно о будущем вселенной, чтобы сказать гораздо больше. Если тёмная энергия не рассеивается, всё ядерное топливо в звёздах вокруг нас закончится, и они перестанут гореть. Они превратятся в чёрные дыры. Мы будем жить во вселенной, в которой нет ничего, кроме чёрных дыр. Эта вселенная будет существовать 10 в 100-й степени лет – гораздо дольше, чем существовала наша маленькая вселенная. Будущее гораздо дольше, чем прошлое. Но даже чёрные дыры не существуют вечно. Они испарятся, и у нас останется только пустое пространство. Это пустое пространство существует вечно. Но заметим, что поскольку пустое пространство испускает излучение, есть температурные флуктуации, которые циклически повторяют все возможные различные комбинации степеней свободы, которые существуют в пустом пространстве. Поэтому, хотя вселенная существует вечно, есть только конечное число вещей, которые могут произойти во вселенной. Они все происходят за период времени равный 10 в степени 10 в степени 120 лет.
Итак, у меня к вам два вопроса. Первый: если вселенная существует 10 в степени 10 в степени 120 лет, почему мы рождаемся в первые 14 миллиардов лет, в теплом, комфортном послесвечении после Большого Взрыва? Почему мы не в пустом пространстве? Вы можете сказать, "Ну, там нет ничего, в чём можно было бы жить", но это неправильно. Вы могли бы быть случайной флуктуацией из ничего. Почему вы ею не являетесь? Это вам ещё одно домашнее задание.
Итак, как я уже сказал, я вообще-то не знаю ответа. Я расскажу вам мой любимый сценарий. Либо это просто так есть. Нет никакого объяснения. Это просто жестокий факт вселенной, который нужно научиться принимать как есть и не задавать вопросов. Или, возможно, Большой Взрыв – это не начало вселенной. Не разбитое яйцо – это конфигурация с низким уровнем энтропии, и тем не менее, когда мы открываем холодильник, мы не восклицаем, "Ха, как удивительно найти эту конфигурацию с низким уровнем энтропии в нашем холодильнике." Это потому что яйцо – не закрытая система, оно появляется из курицы. Может быть, вселенная появляется из вселенской курицы. Может быть, есть что-то, что естественным образом, через развитие законов физики, даёт начало вселенной вроде нашей в конфигурации с низким уровнем энтропии. Если это правда, то это бы случилось больше одного раза, мы были бы частью еще более обширной мультивселенной. Это мой любимый сценарий.
Организаторы попросили меня закончить смелым предположением. Моё смелое предположение – что я буду полностью оправдан историей. И 50 лет спустя все мои текущие сумасшедшие идеи будут приняты за истину научным и прочими сообществами. Мы все будем считать, что наша маленькая вселенная – это только небольшая часть более обширной мультивселенной. И даже лучше – мы поймём, что произошло во время Большого Взрыва в терминах теории, которую мы сможем сравнить с наблюдениями. Вот вам предсказание. Я могу ошибаться. Но мы как человечество, много лет размышляли о том, какова наша вселенная и почему она стала такой, какой она стала. Очень волнующе думать, что когда-нибудь мы, возможно, узнаем ответ.
