Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
к оглавлению быть наложено на выбор решения (симметричных во времени) законов ОТО.
Это объяснение нашей вселенной требует асимметричных во времени начальных условий и очень сильно ослабляет аргумент в пользу нереальности времени, основанный на том, что законы природы симметричны во времени. Вы не можете проигнорировать роль начальных условий и заявить, что прошлое подобно будущему, когда, чтобы добиться хотя бы грубого согласия с нашей вселенной, начальные условия должны быть выбраны очень непохожими на те же условия, которые эволюционировали [10].
Бремя объяснения тогда падает на вопрос о том, как были выбраны начальные условия. Однако мы не имеем рационального объяснения тому, как они выбирались, так что мы достигли тупика, оставив критический вопрос о нашей вселенной без ответа.
Имеется другой и более простой вариант. Мы уверены, что наши законы являются приближениями к более глубокому закону. Что если этот более глубокий закон асимметричен во времени?
Если фундаментальный закон асимметричен во времени, тогда такими являются и большинство его решений [11]. Тогда не должно быть проблемы в объяснении, почему мы никогда не наблюдаем сумасшедших вещей, которые могли бы появляться из запуска естественных процессов в обратном направлении, поскольку обращенные во времени решения законов больше не будут решениями. Загадка, почему мы видим только изображения из прошлого, но не из будущего, решена. Тот факт, что вселенная в высшей степени асимметрична во времени, непосредственно объяснялся бы асимметрией во времени фундаментального закона. Асимметричная во времени вселенная больше не была бы невероятной, она была бы необходимой.
Как я понимаю, именно это имел в виду Пенроуз, когда предложил гипотезу кривизны Вейля. Разница между физикой вблизи начальной сингулярности и физикой более поздней вселенной навела бы нас на квантовую теорию гравитации, которая, с точки зрения Пенроуза, должна быть сильно несимметричной во времени теорией. Но несимметричная во времени теория неестественна, если время эмерджентно. Если фундаментальная теория не содержит понятия времени, у нас нет способа отличить прошлое от будущего. Экстремальная невероятность нашей вселенной все еще будет требовать объяснения.
Асимметричная во времени теория намного более естественна, если время фундаментально. Действительно, ничто не может быть более естественным, чем иметь фундаментальную
к оглавлению теорию, которая отличает прошлое от будущего, поскольку прошлое и будущее весьма различны. В рамках метафизической системы взглядов, в которой время и течение моментов от прошлого к будущему реальны, совершенно естественно иметь асимметричные во времени законы, управляющие асимметричной во времени вселенной. Так что реальность времени за счет этого рассмотрения получает доверие, поскольку она позволяет нам избежать необходимости оставить огромную невероятность - сильную асимметрию нашей вселенной во времени - без объяснения. Будем считать это еще одним шагом в открытии времени.
*
Можем ли мы говорить о вселенной как о чем-то невероятном?
Несколько раз в этой главе я ссылался на нашу вселенную или на ее начальные условия как на невероятные - например, когда я утверждал, что невероятно вселенной, управляемой симметричными во времени законами, иметь стрелу времени. Но только что означает утверждение, что вселенная невероятна? Вселенная уникальна и имеет место только раз. Это единственная вещь из ее вида. Ее любое свойство не должно иметь вероятность?
Чтобы устранить указанную путаницу, нам надо знать, что мы имеем в виду, когда говорим, что некоторая система имеет невероятную конфигурацию. В рамках Ньютоновской парадигмы это имеет смысл, поскольку описание ссылается на подсистему вселенной, которая может быть одной из многих подсистем ее вида. Но это, очевидно, неприменимо ко всей вселенной.
Вы можете попытаться определить вероятность того, что наша вселенная имеет некоторое свойство, предположив, что начальные условия были выбраны хаотически из конфигурационного пространства. Но мы знаем, что это предположение ошибочно: Мы знаем, что наша вселенная не была произведена за счет случайного выбора, поскольку для многих ее свойств экстраординарно маловероятно, что они возникли в результате такого выбора.
Вы можете избежать этой проблемы, представив, что имеется большое число вселенных. Однако, как мы говорили в Главе 11, есть два вида теорий мультивселенной: те, в которых наша вселенная нетипична и, следовательно, невероятна подобно другим, сгенерированным вечной инфляцией; и те, которые иллюстрируются космологическим естественным отбором, который генерирует ансамбль вселенных, где вселенные, подобные нашей, вероятны. Как
к оглавлению я объяснял в Главе 11, только в последнем виде теорий возможны фальсифицируемые предсказания для осуществимых наблюдений; в первом классе теорий должен быть использован антропный принцип, чтобы выделить нашу вселенную из вида невероятных вселенных, и невозможны предсказания, на основе которых могли бы быть независимо проверены гипотезы, лежащие в основе сценария. Мы должны заключить, что есть ли много вселенных или есть только одна, не существует эмпирического содержания для утверждения, что наша вселенная невероятна.
Но вся наука термодинамика базируется на применении понятий вероятности к микросостоянию системы. Из чего следует, что мы совершаем космологическую ошибку, как только мы применяем термодинамику для обсуждения свойств вселенной как целого [12]. Единственный способ избежать ошибки и парадокса невероятной вселенной это основывать наше объяснение того, почему вселенная сложна и интересна, на асимметричной во времени физике - физике, которая делает вселенную, подобную нашей, неизбежной, а не невероятной.
Это не единственный пример, когда физики приходят к парадоксальным заключениям, совершая ошибку через применение термодинамики к вселенной как целому. Людвиг Больцман, который изобрел статистическое объяснение энтропии и второй закон термодинамики, по-видимому, был первым, кто предложил ответ на вопрос, почему вселенная не находится в равновесии. Он не знал ничего о расширении вселенной или о Большом Взрыве; его концепция космологии заключалась в том, что вселенная вечна и статична. Вечность вселенной была для него большой загадкой, поскольку это означает, что она уже должна была достичь равновесия, так как у нее было бесконечное количество времени, чтобы сделать это.
Он мог бы думать, что единственной причиной для вселенной не быть в равновесии является то, что наша солнечная система и окружающий ее регион относительно недавно были местом очень большой флуктуации, в которой из равновесного газа спонтанно сформировались Солнце, планеты и окружающие звезды. Энтропия в нашем регионе теперь возрастает, поскольку ищет свой путь обратно к равновесию. Это был, вероятно, лучший ответ, согласующийся с картиной космологии, которую имел Больцман в конце 19-го столетия. Но это ошибочно. Сейчас мы это знаем, поскольку мы можем заглянуть назад к Большому Взрыву и за пределы соответствующих 13 миллиардов световых лет, и мы не видим никаких свидетельств в пользу того, что наш регион вселенной
к оглавлению является низкоэнтропийной флуктуацией в статическом находящемся в равновесии мире. Вместо этого мы видим вселенную, эволюционирующую во времени, имеющую структуру на каждом масштабе, развивающуюся по мере расширения вселенной.
Больцман не мог этого знать, но имеется аргумент, который он или его современники могли бы использовать, чтобы подвергнуть свои объяснения сомнению - происходящий из наблюдения, что чем меньше флуктуация, тем более часто она происходит в равновесии. Следовательно, чем меньше область пространства, покинувшая равновесие, тем это более вероятно.
Астрономы во времена Больцмана знали, что вселенная распространяется, по меньшей мере, на десятки тысяч световых лет и содержит многие миллионы звезд. Так что если наш регион пространства был результатом флуктуации, последняя должна была бы быть экстремально редкой - намного реже, чем другие, более мелкие флуктуации, которые могли содержать нас. Рассмотрим флуктуацию, которая состоит только из нашей солнечной системы. Мы знаем, что мы в такой не находимся, поскольку мы ночью не видели бы ничего кроме инфракрасной радиации, испускаемой окружающим нас равновесным газом. Но согласно предположениям Больцмана подобные флуктуации должны возникать в равновесной вселенной намного чаще, чем то, что мы видим - миллиарды звезд, каждая из которых столь же далека от равновесия, как и наша собственная солнечная система. Намного более вероятно, что мы нашли бы себя внутри флуктуации размером с солнечную систему, чем внутри флуктуации размером с галактику [13].
