Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
к оглавлению связанные, анти-термодинамические системы оказываются в конечном итоге в одном из огромного числа в высшей степени неоднородных состояний.
Так что факт, что наша вселенная интересна и нетривиальна, имеет тройное объяснение: Принцип управляемой самоорганизации действует на мириады подсистем и масштабов, от молекулярного до галактического, заставляя их эволюционировать к состояниям все более возрастающей сложности. Двигателями, ведущими этот процесс, являются звезды, которые существуют благодаря комбинации тонкой настройки фундаментальных законов и анти-термодинамической природе гравитации. Но эти силы могут произвести вселенную, заполненную звездами и галактиками, только если начальные условия вселенной сильно асимметричны во времени.
Все это может быть сформулировано и, в некоторой степени, понято в рамках Ньютоновской парадигмы. Но если мы продолжаем думать в рамках этой парадигмы, организация мира, кажется, остается с огромными невероятностями - предельной особостью выбора законов и начальных условий. Печальное заключение в том, что единственная разновидность вселенной, которая естественным образом появляется из вневременных воззрений Ньютоновской парадигмы, есть мертвая вселенная в равновесии, что, очевидно, не та разновидность вселенной, в которой мы живем. Но с точки зрения реальности времени полностью естественно, что вселенная и ее фундаментальные законы асимметричны во времени, с сильной стрелой времени, которая осуществляет рост энтропии для изолированных систем вместе с непрерывным ростом структуры и сложности.
к оглавлению
18
Бесконечное пространство или бесконечное время?
Мы видели, что, принимая реальность времени, мы можем осмыслить, почему вселенная полна структуры и сложности. Но как долго она может быть сложной и структурированной? Может ли равновесие быть отложено навсегда? Может быть, мы находимся только в пузырьке сложности в намного большей равновесной вселенной.
Это приводит нас к наиболее умозрительным разделам в современной космологии: очень далеким местам и далекому будущему.
Нет более романтического понятия, чем бесконечность, но в науке эта концепция может легко привести к путанице. Представим себе, что вселенная бесконечна в пространстве. Вообразим также, что везде в ней поддерживаются одни и те же законы, но начальные условия выбирались хаотически. Это картина первоначальной Больцмановской вселенной. Почти все в бесконечной вселенной находится в термодинамическом равновесии; все интересное, что происходит, является следствием флуктуаций. Но все, что происходит внутри флуктуации, будет происходить где-то, но если доступно бесконечное количество этих 'где-то', то каждая флуктуация, не важно, насколько вероятная, будет происходить бесконечное число раз [1].
Так что наша наблюдаемая вселенная могла бы быть просто большой статистической флуктуацией.
к оглавлению Если вселенная на самом деле бесконечна, то наша наблюдаемая вселенная, которая представляет собой область около 93 миллиардов световых лет в поперечнике, будет повторяться бесконечное число раз через бесконечность пространства. Так что, если вселенная бесконечная и Больцмановская, то мы существуем точно как мы есть и действуем точно как мы действуем бесконечное число раз.
Это определенно нарушает Лейбницевский принцип, что не может быть двух идентичных мест во вселенной.
Но не только это. Вообразим любым способом, как вам нравится, что сегодняшний день мог бы быть иным. Я мог бы не родиться. Или вы заключили бы брак с вашей первой любовью. Кто-то мог перебрать алкоголя год назад, не обратить внимания на совет своих друзей, поехать домой и по пути насмерть сбить ребенка. Ваш двоюродный брат был случайно перепутан при рождении, воспитан в неблагополучной семье и стал серийным убийцей. Эволюционировал вид разумных динозавров, решивших для себя проблему изменения климата, и теперь доминирует на планете, так что млекопитающие никогда не владели миром. Все это вещи, которые могли произойти, приведя нас в иную современную конфигурацию вселенной. Каждая такая современная конфигурация есть возможный способ, которым могут быть организованы атомы по соседству от нас. И каждая происходит бесконечное число раз в бесконечном пространстве.
Для меня это ужасная перспектива. Она поднимает этическую проблему, почему я должен заботиться о последствиях выборов, которые я делаю, если все другие выборы сделаны другими версиями меня в других областях бесконечной вселенной? Я могу отдать предпочтение воспитанию моего ребенка в этом мире, но я не должен при этом заботиться о детях в других мирах, которые страдают вследствие плохих решений других моих 'я'?
В дополнение к этому этическому вопросу имеются проблемы в отношении полезности науки. Если в мире есть реальный факт, что все, что может происходить, происходит, то сильно уменьшаются возможности объяснения. Принцип достаточного обоснования Лейбница требует, чтобы была рациональная причина каждого случая, когда вселенная идет одним путем, но могла бы идти другим. Но если вселенная есть каждый возможный путь, тут нечего объяснять. Наука может дать нам проникновение в локальные условия, но, в конечном счете, это бесплодное занятие, поскольку правильный закон будет просто в том, что все, что может произойти, происходит прямо сейчас и бесконечное число раз. Это разновидность сведения к абсурду Ньютоновской
к оглавлению парадигмы, распространенной на космологию - и другой пример космологической ошибки. Я называю это бесконечной Больцмановской трагедией.
Одна из причин, почему это трагедия, в том, что в огромной степени снижается предсказательная сила физики, поскольку вероятности тут не означают то, что вы думаете, они означают. Предположим, вы проводите эксперимент, для которого квантовая механика предсказывает, что результат А имеет 99-процентную вероятность, а результат В - 1-процентную. Допустим, что вы проводите эксперимент 1000 раз. Тогда вы можете ожидать, что грубо 990 раз из 1000 в результате будет А. Вы можете чувствовать себя в безопасности, заключив пари на исход А, поскольку вы обоснованно можете ожидать, что грубо будут 99 результатов А на каждый 1 результат В. Вы должны были бы иметь хороший шанс подтвердить предсказание квантовой механики. Но в бесконечной вселенной имеется бесконечное число ваших копий, проводящих эксперимент. Бесконечное число этих копий наблюдают результат А. Но имеется также бесконечное число ваших копий, наблюдающих результат В. Так что предсказание квантовой механики, что один результат будет в 99 раз чаще, чем другой, в бесконечной вселенной непроверяемо.
Это называется проблемой измерения в квантовой космологии. После того, как я послушал и почитал ярких людей, работающих над ней, моя точка зрения такова, что она не решаема. Я предпочитаю принять факт, что квантовая механика работает, как подтверждение, что мы живем в конечной вселенной, содержащей только одну мою копию.
Мы можем избежать последствий трагедии бесконечной вселенной, отвергнув мысль, что вселенная бесконечна в пространстве. Несмотря на то, что мы, конечно, не можем заглянуть дальше определенного расстояния, для меня кажется правдоподобным и осмысленным выдвинуть гипотезу, что вселенная конечна в пространственном измерении - как и в предположении Эйнштейна, что она конечна, но не имеет границы. Это означает, что вселенная имеет общую топологию замкнутой поверхности вроде сферы или бублика (то есть, тора).
Это предположение не противоречит нашим наблюдениям. Какая именно топология верна, зависит от средней кривизны пространства. Если кривизна положительна, как у сферы, то имеется только одна возможность, которая является трехмерным аналогом сферической двумерной топологии. Если средняя кривизна пространства нулевая, как у плоскости, тогда также имеется единственный выбор для конечной вселенной, который есть
к оглавлению трехмерный аналог двумерной топологии бублика. Если кривизна отрицательна, как у седла, то имеется бесконечное число возможностей для топологии вселенной. Они слишком сложны, чтобы описать их здесь, и их каталогизация была триумфом математики конца 20-го столетия.
Предположение Эйнштейна это гипотеза, которая должна быть подтверждена. Если вселенная замкнута и достаточно мала, то свет должен пройти весь путь вокруг нее, и мы должны видеть удаленные галактики в виде множественных изображений. Это было предметом поисков, но до сегодняшнего дня не найдено.
