Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Это состояние равновесия сохранится навсегда. Нельзя избежать концовку как в вечной вселенной Больцмана. Будут, конечно, флуктуации и возвраты к прежнему, и иногда та или иная конфигурация
к оглавлению вселенной будет происходить вновь - включая то, что относится к парадоксу мозга Больцмана, который я описывал в Главе 16 как финал сведения к абсурду Ньютоновской парадигмы. В соответствии с этим сценарием очевидная сложность нашей вселенной до настоящего момента является только кратчайшей вспышкой перед тем, как вселенная успокоится в своем вечном равновесии.
Мы знаем с некоторой определенностью, что мы не являемся Больцмановскими мозгами, поскольку (как отмечалось в Главе 16) если бы мы таковыми были, мы, вероятно, не увидели бы гигантскую и упорядоченную вселенную вокруг нас. Тот факт, что мы не есть мозги Больцмана, означает, что этот сценарий для будущего нашей вселенной ошибочен. Принцип достаточного основания, действуя через своего заместителя, принцип идентичности неразличимых, также требует, чтобы этот сценарий был ошибочен. Вопрос в следующем: Как его избежать?
Простейший способ избежать вечно мертвую вселенную будет иметь место, если вселенная имеет достаточную плотность вещества, чтобы остановить расширение и вызвать коллапс. Вещество притягивает вещество гравитационно, и это замедляет расширение, так что если вещества достаточно, вселенная будет коллапсировать к финальной сингулярности. Или может быть, что квантовые эффекты остановят коллапс и заставят вселенную отскочить, развернув сжатие на расширение, приводящее к новой вселенной. Но сейчас не кажется, что вещества достаточно, чтобы развернуть расширение, не говоря уже о противодействии тенденции темной энергии это расширение ускорять.
Следующий простейший способ избежать бесконечного мертвого будущего имеется, если космологическая константа на самом деле не постоянна. Несмотря на то, что мы имеем подтверждение, что темная энергия - которая для всех намерений и целей есть космологическая константа - не меняется на масштабах сегодняшней эры вселенной, у нас нет доказательств, что она не будет изменяться в конце концов. Это изменение могло бы быть следствием более глубокого закона, одного из тех, что действуют столь медленно, что их действие проявляется ощутимо только на больших временных масштабах. Или изменение могло бы быть просто эффектом общей тенденции законов эволюционировать. На самом деле принцип отсутствия действия без взаимности предполагает, что космологическая константа должна быть подвержена влиянию со стороны вселенной, на которую указанная константа столь решительно действует.
Космологическая константа может распадаться до нуля. Если это происходит,
к оглавлению расширение замедляется, но, вероятнее всего, не обращается вспять. Вселенная может быть вечной, но статической; это, по меньшей мере, аннулирует парадокс мозга Больцмана.
Расширяется ли вселенная без космологической константы вечно или коллапсирует, зависит, в конечном счете, от начальных условий. Если энергии в расширении в конечном счете достаточно, чтобы преодолеть взаимное гравитационное притяжение всего во вселенной, последняя никогда не коллапсирует. Но даже если вселенная существует вечно, имеются богатые возможности для возрождения, поскольку каждая черная дыра в результате ликвидации ее сингулярности может привести к рождению дочерней вселенной. Как отмечалось в Главе 11, имеются хорошие теоретические свидетельства, что это должно происходить.
Если это так, то наша вселенная, которая еще далека от смерти, уже имела, по меньшей мере, миллиард миллиардов потомков. Каждая из этих новых вселенных даст рождение следующим потомкам. Так что тот факт, что каждая вселенная может рано или поздно умереть после рождения такого большого количества других, кажется несущественным.
Имеются также возможности возрождения, которые содержат целую вселенную, а не только ее черные дыры. Это гипотезы, исследующие класс космологических моделей, называемых циклическими моделями. Одна из разновидностей циклических моделей, изобретенная Полом Стейнхардтом из Принстонского Университета и Нилом Туроком из Института Периметра, достигает этого, допуская, что космологическая константа уменьшается до нуля, а затем продолжает двигаться к сильно отрицательным величинам [4]. По причинам, которые я не хочу тут объяснять, это приводит к драматическому коллапсу целой вселенной. Однако, они утверждают, что этот коллапс сменяется отскоком и новым расширением. Этот отскок должен был бы быть следствием эффектов квантовой гравитации, или финальная сингулярность могла бы быть обойдена чрезмерной величиной темной энергии.
Теоретическое обоснование того, что вследствие квантовых эффектов от финальной космологической сингулярности можно отскочить, приводит к новому расширению вселенной, которое даже более сильное, чем в случае сингулярностей черных дыр [5]. В рамках петлевой квантовой гравитации изучались некоторые модели квантовых эффектов вблизи космологических сингулярностей, и оказалось, что отскок является универсальным феноменом. Однако, необходимо предостеречь, что это только модели, и до сих пор в них применяются радикальные допущения. Ключевое допущение в том, что вселенная пространственно однородна.
к оглавлению В чем мы совершенно уверены, так это в том, что очень однородные регионы вселенной - регионы без гравитационных волн или черных дыр - отскакивают, чтобы дать начало новым вселенным.
В худшем случае регионы, которые сильно неоднородны, не отскакивают. Они просто коллапсируют к сингулярностям, где время останавливается. Однако, даже в этом плохом случае нет худа без добра, ибо это обеспечивает принцип отбора для определения, какие регионы вселенной отскочат и воспроизведут себя. Если отскакивают только более однородные регионы, тогда начало новых вселенных сразу после отскока также будет сильно однородным [6]. Это дает предсказание: В очень ранние времена сразу после отскока вселенная в высшей степени однородна - нет черных или белых дыр и нет гравитационных волн, точно как мы видим в нашей вселенной.
Но чтобы сценарий отскакивающей вселенной был наукой, должно быть, по меньшей мере, еще одно предсказание, посредством которого гипотеза могла бы быть проверена. Имеется, по меньшей мере, два, которые нужно проделать со спектром флуктуаций в КМФ. Циклический сценарий предлагает объяснение для этих флуктуаций, которое не требует короткого периода экстремальной инфляции, часто принимаемого в качестве их причины. Спектр флуктуаций, который мы видим до сих пор, воспроизводится, но имеется два отличия между предсказаниями циклических инфляционных моделей, и эти предсказания могут быть проверены в экспериментах сегодня и в ближайшем будущем. Первая проверка заключается в том, будут ли наблюдаться гравитационные волны в КМФ; инфляция говорит 'да', циклические модели говорят 'нет'. Циклические модели также предсказывают, что излучение КМФ не полностью хаотично - на техническом языке, они предсказывают негауссовость.
Циклические модели являются примерами, как рассмотрение времени как фундаментального - в том смысле, что время не началось в Большом Взрыве, но существовало до него, - приводит к более предсказывающей космологии. Другими примерами являются теории, в которых предполагается, что скорость света была другой - фактически, более быстрой - в самой ранней вселенной. Эти так называемые теории с переменной скоростью света выбирают предпочтительное понятие времени способом, который нарушает принципы теории относительности. Вследствие этого они не популярны, но перспективны для объяснения флуктуаций КМФ в отсутствие инфляции.
к оглавлению Роджер Пенроуз предложил другой сценарий получения новой вселенной из старой [7]. Грубо говоря, он соглашается со сценарием вечной Больцмановской вселенной с фиксированной космологической константой, а затем спрашивает, что произойдет после того, как пройдет бесконечное количество времени. (Только Пенроуз мог бы задать такой вопрос). Он рассуждает, что после некоторого момента все элементарные частицы с массой, включая протоны, кварки и электроны, распадутся, и останутся только фотоны и другие безмассовые частицы. Если это так, то не будет ничего, чтобы обнаружить бесконечное прохождение вечности, поскольку фотоны, раз они путешествуют со скоростью света, вообще не чувствуют времени. Для фотона вечность очень поздней вселенной будет неотличима от очень ранней вселенной. Единственной разницей будет температура. Общеизвестно, что температурная разница гигантская, но это, безусловно, единственный масштаб. Пенроуз утверждает, что единственный масштаб не имеет значения. В релятивистски описываемом газе фотонов все, что имеет значение, есть сравнения или отношения между вещами, которые существуют во времени; всеобщая шкала не может быть обнаружена. Так что поздняя вселенная, заполненная газом холодных фотонов и других безмассовых частиц, становится неотличимой от горячего газа тех же частиц, заполняющих раннюю вселенную. Согласно принципу идентичности неразличимых поздняя вселенная также является рождением другой вселенной.
