Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс - Сборник

Физик, Институт «Периметр», Ватерлоо, Онтарио. Автор книги Time Reborn: From the Crisis in Physics to the Future of the Universe[9].

В моей области фундаментальной физики и космологии главный претендент на отставку – идея о том, что Большой взрыв был первым моментом времени.

У словосочетания «Большой взрыв» есть два значения. Во-первых, космология Большого взрыва представляет собой гипотезу, согласно которой наша Вселенная в течение 13,8 млрд лет продолжает расширяться, находившись изначально в исключительно горячем и плотном первичном состоянии – более горячем и плотном, чем в центре звезд и вообще где бы то ни было в настоящее время. С этим я спорить не буду; это установленный научный факт, и история расширения Вселенной известна в деталях – от единообразной и плотной горячей плазмы до изумительно разнообразного и сложного мира, который стал нашим домом. У нас есть подробные теории, подтвержденные многочисленными экспериментами, которые объясняют происхождение всех известных нам структур – от элементарных частиц до галактик, звезд, планет и молекулярных строительных блоков жизни. Как и в любой хорошей научной теории, здесь имеются вопросы, которые еще ждут ответа: например, какова точная природа темной материи и темной энергии, которые являются заметными действующими лицами в мироздании. Или очень интересный вопрос о том, была или нет первая фаза инфляционного экспоненциального расширения. Но эти вопросы не ставят под сомнение общую картину.

Что меня заботит, так это другое значение понятия «Большой взрыв»: гипотеза о том, что первичное происхождение нашей Вселенной было первым моментом времени, когда наша Вселенная возникла из состояния бесконечной плотности и температуры. Согласно этой гипотезе, во Вселенной не существует ничего, что было бы старше 13,8 млрд лет. И бессмысленно спрашивать, что было раньше, потому что раньше не было даже времени.

Главная проблема с этим вторым значением понятия состоит в том, что оно не очень хорошо подходит в качестве научной гипотезы, поскольку оставляет без ответа очень большие вопросы о Вселенной. Получается, что нашей Вселенной пришлось начаться в экстраординарно специфическом состоянии, чтобы развиться в нечто, похожее на нашу Вселенную. Гипотеза о том, что был первый момент времени, на удивление универсальна и непринужденна, поскольку допускает бесконечное число возможных состояний, в которых могла начаться Вселенная. Это следует из теоремы, доказанной Стивеном Хокингом и Роджером Пенроузом, – почти любая расширяющаяся вселенная, описанная общей теорией относительности, имеет некий первый момент времени. По сравнению с ними со всеми наша собственная ранняя Вселенная была исключительно однородной и симметричной. Почему? Если Большой взрыв был первым моментом времени, то научного ответа дать нельзя, потому что не было никакого «раньше», на котором можно было бы обосновать объяснение. Похоже, тут появляется шанс для теологов, и действительно, они выстраиваются у ворот науки, чтобы предложить свое объяснение: Вселенную создал Бог, и создал ее именно такой.

Сходным образом, если Большой взрыв был первым моментом времени, то не может быть научного ответа на вопрос о том, что именно определило законы природы. Здесь открывается поле для таких объяснений, как антропная мультивселенная, которые ненаучны, поскольку толкуют о ненаблюдаемых скоплениях других вселенных и не делают предсказаний, по которым можно было бы проверить и опровергнуть подобные гипотезы.

Тем не менее у науки есть шанс ответить на эти вопросы – в том случае, если Большой взрыв не был первым моментом времени, а был переходом от более ранней эры вселенной, эры, которая может быть исследована научными методами, потому что процессы, происходившие тогда, стали причиной возникновения и развития нашего мира.

Для того чтобы перед Большим взрывом появилось время, теореме Хокинга – Пенроуза необходимо быть ложной. Но есть простая причина думать, что так оно и есть: общая теория относительности не является исчерпывающей в качестве описания природы, поскольку она не учитывает ее квантового характера. Объединение и приведение в соответствие друг другу квантовой физики и общей теории относительности – это важнейшая задача фундаментальной физики, и в этой области за последние тридцать лет достигнут значительный прогресс. Хотя окончательного решения проблемы пока нет, квантовые космологические модели дают убедительные свидетельства того, что бесконечные сингулярности, которые в общей относительности заставляют время остановиться, аннулированы, а это превращает Большой взрыв – в смысле первого момента времени – в Большой отскок, который позволяет времени существовать до Большого взрыва, уходя далеко в прошлое. Подробные модели квантовых вселенных показывают предшествующую эру, заканчивающуюся коллапсом, в которую плотность возрастает до очень высоких значений. Но прежде чем Вселенная становится бесконечно плотной, включаются квантовые процессы, превращающие коллапс в новое расширение (это и есть «отскок»), запуская новую эру, которая и может быть нашей расширяющейся Вселенной.

Сейчас рассматриваются несколько сценариев того, что случилось в эпоху до Большого взрыва и как эта эпоха перешла в нашу расширяющуюся Вселенную. Два из этих сценариев исходят из гипотезы о квантовом отскоке и известны как «космология квантовой петли» и «геометрогенезис». Два других – один принадлежит Роджеру Пенроузу, а другой – Полу Стейнхардту и Нейлу Туроку – описывают циклические сценарии, в которых вселенные умирают, давая жизнь новым вселенным. Пятый сценарий постулирует, что новые вселенные возникают, когда квантовые эффекты обращают вспять сингулярности черных дыр. Эти сценарии предлагают объяснения того, как могли быть выбраны законы природы, управляющие нашей Вселенной. Они также могут объяснить, каким образом изначальное состояние нашей Вселенной эволюционировало из вселенной предыдущей эпохи. Важно, что каждая такая гипотеза делает предсказания, проверяемые с помощью реальных, выполнимых наблюдений, которые смогут проверить ту или иную гипотезу, опровергнуть ее и выбрать правильную.

В течение XX столетия мы много узнали о «первых трех минутах» (по выражению Стивена Вайнберга) нашей расширяющейся Вселенной. В течение нынешнего века мы можем надеяться получить научные свидетельства о последних трех минутах предшествующей эры и узнать, каким образом физические процессы до Большого взрыва привели к рождению нашего мира.

Вселенная началась в состоянии чрезвычайно низкой энтропии

Алан Гут

Космолог, профессор физики Массачусетского технологического института, первый лауреат премии по фундаментальной физике Фонда Мильнера. Автор книги The Inflationary Universe («Инфляционная Вселенная»).

Это предположение восходит по меньшей мере к 1865 году, когда Рудольф Клаузиус ввел термин «энтропия» и заявил, что энтропия Вселенной стремится к максимуму. Эта идея теперь известна как второй закон термодинамики, который чаще всего формулируется так: энтропия изолированной системы всегда увеличивается или остается постоянной, но никогда не уменьшается. Изолированные системы эволюционируют к состоянию максимальной энтропии – состоянию термодинамического равновесия. Хотя энтропия и будет играть главную роль в нашем обсуждении, ей придется на этот раз смириться с довольно грубым определением: энтропия – это мера неупорядоченности физической системы. В квантовом описании системы ее энтропия определяется числом квантовых состояний, соответствующих одному и тому же макроскопическому – то есть состоянию, описываемому такими переменными, как температура, объем и плотность.

Классический пример – газ в закрытом резервуаре. Если принять, что все молекулы газа сначала находятся в одном углу резервуара, то можно представить, что произойдет потом. Молекулы газа равномерно заполнят весь резервуар, увеличив энтропию до максимума. Но в обратном направлении процесс пойти уже не сможет: если молекулы газа заполнили резервуар, то мы никогда не увидим, как они сами по себе вновь соберутся в одном из его углов.

Такое поведение кажется естественным, но плохо сочетается с нашим пониманием основополагающих законов физики. Из-за того что газ всегда стремится из состояния с меньшей энтропией к состоянию с большей, возникает огромное различие между прошлым и будущим. Это однонаправленное поведение материи в большом масштабе называется «стрела времени». Однако микроскопические законы, описывающие столкновения молекул, симметричны по отношению ко времени и не делают никаких различий между прошлым и будущим.

Можно прокрутить задом наперед любой фильм о столкновении, и всё равно картина столкновения останется достоверной. (Для некоторых очень редких событий, открытых учеными, занимающимися физикой элементарных частиц, такой фильм будет гарантированно правильным, только если он к тому же отражается в зеркале и каждая частица выглядит как соответствующая античастица.) Отсюда возникает важная проблема, которой уже больше ста лет: понять, каким образом стрела времени могла возникнуть из симметричных во времени законов эволюции.