Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Имеется, однако, сильное основание предпочесть, чтобы космологическая теория моделировалась пространством-временем, которое пространственно ограничено. Если вселенная не ограничена пространственно, то она должна быть бесконечной в пространственном измерении. Это означает, неожиданно, что имеется граница в пространстве. Эта граница бесконечно удалена, но, тем не менее, это граница, через которую может пройти информация [2]. Следовательно, вселенная, которая пространственно бесконечна, не может рассматриваться как содержащая саму себя система. Она должна рассматриваться как часть большей системы, что включает любую информацию, приходящую из границы.
Если граница удалена на конечное расстояние, вы могли бы вообразить, что имеется еще больше пространства за ее пределами. Информация о границе может быть объяснена в терминах того, что приходит из мира за пределами границы [3].
Но граница на бесконечности не позволяет нам представить мир за ее пределами. Нам просто требуется точно определить информацию о том, что приходит из-за нее и уходит за нее, но выбор совершенно произволен. Здесь не может быть дальнейшего объяснения для информации, втекающей во вселенную из бесконечной границы: Выбор должен быть сделан, и выбор произволен. Следовательно, мы должны признать, что в любой модели вселенной, которая имеет бесконечные границы, ничто не может быть объяснено. Принцип объяснительной замкнутости нарушается, а вместе с ним и принцип достаточного обоснования.
В этом утверждении имеются технические тонкости, которые я не хотел бы упоминать здесь. Но это утверждение ключевое, которое, насколько я могу сказать, игнорируется теми космологами, кто допускает, что вселенная пространственно
к оглавлению бесконечна. Я не нахожу способа уйти от заключения, что любая модель вселенной должна быть пространственно замкнута и не иметь границ.
Так что не имеется ничего бесконечно удаленного, и нет бесконечных пространств, чтобы бороться с ними. Теперь обратим наше внимание с бесконечного расстояния на бесконечное будущее.
*
Литература космологов наполнена беспокойством по поводу будущего. Если вселенная является до настоящего времени более Лейбницевской, чем Больцмановской, не может ли быть так только временно? Возможно, в долгосрочной перспективе умрем не только мы все, но и вселенная.
Ограничение до пространственно конечной вселенной выводит нас из многих трагедий и парадоксов бесконечной Больцмановской вселенной. Однако, не из всех. Конечная в пространстве и замкнутая вселенная все еще может жить бесконечное время, и если она никогда не сократится, она будет расширяться вечно. Тогда для нее доступно бесконечное количество времени, чтобы достигнуть теплового равновесия. Если это произойдет, и не важно, как долго это будет длиться, останется бесконечное количество времени, также как и постоянно растущее количество пространства для флуктуаций, создающих невероятные структуры. Следовательно, мы и тут можем утверждать, что все, что может произойти, в конце концов произойдет за бесконечное количество времени. Это опять приводит к парадоксу мозга Больцмана. Если принципы достаточного обоснования и идентичности неразличимых должны быть удовлетворены, вселенная тем или иным способом должна избежать окончания в таком парадоксальном состоянии. Эти принципы ограничивают варианты для возможной будущей судьбы вселенной.
Имеется небольшое количество научной литературы, пытающейся спланировать, что произойдет в далеком будущем вселенной. Вся она умозрительна, поскольку, чтобы рассуждать о далеком будущем, вы должны делать некоторые значительные допущения. Одно из них, что законы природы никогда не должны изменяться, ибо, если они менялись, наша предсказательная способность будет загнана в угол. И не должно существовать неоткрытых явлений, которые могли бы изменить направление истории вселенной. Например, могла бы быть некоторая сила, настолько слабая, что еще только должна быть обнаружена, но,
к оглавлению однако, вступающая в игру выше гигантских расстояний и на временах, больших сегодняшнего возраста вселенной. Это возможно и подробно рассматривалось. Но это затрудняет любое предсказание на базе сегодняшнего знания. Также в запасе не должно быть других сюрпризов, таких как стенки космических пузырей, приходящие к нам со скоростью света из-за пределов нашего нынешнего горизонта.
Предположив, что хорошо установленные законы и явления это все, что имеет место, мы можем надежно вывести следующее:
В конечном счете галактики прекратят делать звезды. Галактики есть гигантские системы по превращению водорода в звезды. Они не очень результативны; типичная спиральная галактика создает примерно одну звезду в год. После почти 14 миллиардов лет большая часть вселенной все еще представляет собой изначальный водород и гелий. Пока что одного водорода настолько много, что, по самой меньшей мере, должно существовать только конечное число звезд. Только если весь водород в конце концов переработается в звезды, будет сделана последняя звезда. И это только предел сверху; более вероятно, что неравновесные процессы, которые управляют формированием звезд, будут затихать задолго до того, как весь водород будет переделан в звезды.
Последние звезды выгорят. У звезд конечное время жизни. Массивные звезды живут несколько миллионов лет и умирают драматически в виде сверхновых. Большинство живут многие миллиарды лет и в конце выдыхаются в виде белых карликов. Но будет время, когда последняя звезда уже умрет.
Что тогда?
Раз последняя звезда умерла, вселенная заполнена материей, темной материей, излучением и темной энергией. Что происходит со вселенной в длительной перспективе зависит, главным образом, от компоненты, о которой мы знаем меньше всего: темной энергии.
Темная энергия это энергия, связанная с пустым пространством. Она была обнаружена, чтобы компенсировать около 73 процентов массы-энергии вселенной. Ее природа на сегодня неизвестна, но наблюдается ее влияние на движение удаленных галактик. В особенности, темная энергия способствовала объяснению недавно открытого ускорения всеобщего расширения.
Отдельно от этого мы о ней ничего не знаем. Она могла бы быть просто космологической константой или она могла бы быть некоторой экзотической формой энергии с постоянной плотностью. Хотя плотность темной энергии оказывается
к оглавлению приблизительно константой, мы не знаем, так ли это на самом деле или она просто изменяется более медленно, чем фиксируют наблюдения в настоящее время. Будущее вселенной будет очень разным в зависимости от того, останется ли темная энергия константой или нет.
Рассмотрим сначала сценарий, в котором темная энергия сохраняет свою плотность, когда вселенная расширяется. Если ее плотность постоянна, она ведет себя просто как космологическая константа Эйнштейна. Она не уменьшается по мере того, как вселенная продолжает расширяться. Все остальное - все вещество и все излучение - рассеивается по мере расширения вселенной, а плотность полной энергии от указанных источников монотонно убывает. После нескольких десятков миллиардов лет можно будет пренебречь всем, за исключением плотности энергии, связанной с космологической константой.
Поскольку это такой простой случай, у нас есть довольно хорошая идея о том, что произойдет. Следствием экспоненциального расширения будет, что скопления галактик разделятся настолько быстро, что вскоре они будут не видны друг для друга. Фотоны, покидающие одно скопление и двигающиеся со скоростью света, не перемещаются достаточно быстро, чтобы быть захваченными другими скоплениями. Наблюдатели в каждом скоплении будут окружены горизонтом, за пределами которого исчезли их соседи. Каждое скопление станет изолированной системой. Так что внутренняя часть каждого горизонта будет разновидностью ящика, отграничивая подсистему от остальной вселенной. Так что к каждой такой подсистеме будут применимы методы физики в ящике - что означает, мы можем при рассуждении о ней использовать методы термодинамики.
В этот момент в данной истории включается новый эффект квантовой механики, приводящий к заполнению внутренней части каждого горизонта газом фотонов в тепловом равновесии - разновидностью тумана, созданного процессами, аналогичными процессам, которые создают излучение черных дыр Хокинга. Этот газ называется излучением горизонта. Его температура экстремально низкая, и такова же его плотность, но они остаются постоянными в процессе расширения вселенной. Тем временем все остальное, включая вещество и КМФ, становится все более и более разреженным, так что после прохождения достаточного времени вселенную будет заполнять только излучение горизонта. Вселенная пришла к равновесию.
