Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Потрясающее преимущество инфляционного возрождения идеи Больцмана заключаются в том, что малая флуктуация сразу – скромный прыжок к подходящим условиям в мельчайшем кусочке пространства – неизбежно дает гигантскую и упорядоченную вселенную, которую мы осознаем. Раз уж инфляционное расширение началось, маленький кусочек будет неумолимо растянут до масштабов, по меньшей мере таких же больших, как вселенная, которую мы в настоящее время видим, а потому нет загадки в том, почему вселенная не ограничилась уголком; нет загадки, почему вселенная столь обширна и населена огромным числом галактик. От начала своего действия инфляция дала вселенной поразительные условия сделки. Прыжок к низкой энтропии внутри мельчайшего кусочка пространства был использован для инфляционного расширения в широчайшие пределы космоса. И, что самое важное, инфляционное растяжение не просто дает произвольную старую большую вселенную. Оно дает нашу большую вселенную – инфляция объясняет форму пространства, она объясняет крупномасштабную однородность, и она даже объясняет "мелкомасштабные" неоднородности, такие как галактики, и температурные вариации фонового излучения. Инфляция упаковывает все богатство объяснительной и предсказательной мощи в отдельную малую флуктуацию к низкой энтропии.

Итак, Больцман был почти прав. Все, что мы видим, могло произойти от случайной флуктуации от высоко разупорядоченного состояния первичного хаоса. В этом объяснении его идеи, однако, мы можем верить нашим записям и мы можем верить нашей памяти: флуктуация не произошла прямо сейчас. Прошлое реально происходило. Наши записи записали вещи, которые имели место. Инфляционное расширение увеличивает микроскопическую крупинку порядка в ранней вселенной, – оно "заводит" вселенную на гигантское расширение с минимальной гравитационной энтропией, – так что 14 миллиардов лет последующего раскручивания, последующего собирания в галактики, звезды, планеты, не представляет загадки.

Фактически этот подход говорит нам даже немного больше. Точно так же, как возможно сорвать куш на нескольких игровых автоматах в подвале казино Белладжио (Лас-Вегас), в изначальном состоянии высокой энтропии и полного хаоса нет причин, по которым необходимые для инфляционного расширения условия могли бы появиться только в отдельном пространственном кусочке. Напротив, как предположил Андрей Линде, там могли бы быть многие кусочки, разбросанные тут и там, которые подверглись разглаживающему пространство инфляционному расширению. Если это было так, наша вселенная становится лишь одной среди многих вселенных, прораставших – и, вероятно, продолжающих прорастать, – когда случайные флуктуации делают условия подходящими для инфляционного взрыва, как проиллюстрировано на Рис.11.2. Так как другие вселенные, вероятно, всегда будут отделены от нашей, тяжело себе представить, как мы когда-либо сможем установить, является ли эта картина "мультивселенной" правильной. Однако, как концептуальная схема, она является как богатой, так и привлекательной. Среди других вещей она предлагает возможный сдвиг в нашем понимании космологии: В Главе 10 я описал инфляцию как "передовой рубеж" стандартной теории Большого взрыва, в котором Взрыв идентифицировался с мимолетным быстрым расширением. Но если мы думаем об инфляционном прорастании каждой новой вселенной на Рис 11.2 как о ее собственном Взрыве, тогда сама инфляция лучше всего выглядит как всеобъемлющая космологическая структура, в рамках которой эволюции вроде Большого взрыва происходят пузырь за пузырем. Таким образом, вместо того, чтобы включить инфляцию в стандартную теорию Большого взрыва, в этом подходе стандартный Большой взрыв включается в инфляцию.

Рис 11.2 Инфляция может возникать постоянно, выращивая новые вселенные из старых.

Инфляция и яйцо

Так почему яйцо расплескивается, но не собирается назад? Откуда происходит стрела времени, которую мы все ощущаем? В этом предложенный подход нас поддерживает. Через случайные, но каждым так часто ожидаемые флуктуации из обыкновенного изначального состояния с высокой энтропией мельчайшие кусочки пространства весом двадцать фунтов достигают условий, которые приводят к короткому взрыву инфляционного расширения. Жуткое, направленное наружу раздувание приводит к растянутому и экстремально гладкому пространству гигантских размеров, и, когда взрыв подходит к концу, поле инфлатона освобождается от своей гигантским образом увеличившейся энергии, заполняя пространство почти однородно материей и излучением. Когда инфляционная отталкивательная гравитация уменьшается, обычная притягивательная гравитация становится доминирующей. И, как мы видели, притягивательная гравитация использует микроскопические неоднородности, вызванные квантовыми дрожаниями, чтобы заставить материю собираться в комки, формируя галактики и звезды и, в конечном счете, приводя к образованию Солнца, Земли и остальной Солнечной системы, а также других структур в нашей наблюдаемой вселенной. (Как обсуждалось, примерно через 7 миллиардов лет после Большого Взрыва отталкивательная гравитация еще раз стала доминирующей, но это существенно только на самых больших космических масштабах и не сказывается непосредственно на более мелких сущностях вроде индивидуальных галактик или нашей Солнечной системы, где по-прежнему царствует ординарная притягивающая гравитация). Солнечная относительно низкоэнтропийная энергия используется низкоэнтропийными растительными и животными формами жизни на Земле, чтобы производить еще более низкоэнтропийные формы жизни, медленно увеличивая полную энтропию через тепло и отходы. В конечном счете эта цепочка произвела курицу, которая произвела яйцо – и мы знаем конец истории: яйцо скатилось с вашего кухонного стола и расплескалось по полу как часть неотвратимого движения вселенной к более высокой энтропии. Такова низкоэнтропийная, высоко упорядоченная, однородно гладкая природа пространственной ткани, произведенной инфляционным растягиванием, что является аналогом обладания всеми страницами Войны и Мира в их правильном числовом расположении; это тот ранее установленный порядок, – отсутствие больших неровностей и деформаций или чудовищных черных дыр, – который заряжает вселенную на постепенную эволюцию к высокой энтропии и потому обеспечивает стрелу времени, которую мы ощущаем. На нашем сегодняшнем уровне понимания это наиболее полное объяснение стрелы времени, которое может быть дано.

Ложка дегтя в бочке меда?

Для меня эта история инфляционной космологии и стрелы времени является любимой. Из дикой и энергичной реальности изначального хаоса возникла ультрамикроскопическая флуктуация однородного поля инфлатона весом намного меньше, чем лимит ручной клади. Это инициировало инфляционное расширение, которое задало направление стреле времени, а остальное и есть история.

Но, говоря об этой истории, мы делаем стержневое допущение, которое все еще не подтверждено. Чтобы определить величину вероятности того, что инфляция могла начаться, мы определили характеристики предынфляционной реальности, без которых инфляционное расширение не обязано возникнуть. Особая реальность, которую мы себе представляли, – дикая, хаотическая, энергичная – звучит разумно, но выражение этого интуитивного описания с математической точностью оказывается затруднительным. Более того, это только гипотеза. Основым моментом является то, что мы не знаем, какие условия были предпочтительны в предлагаемой предынфляционной реальности, в размытом пятне на Рис. 10.3, а без этой информации мы не в состоянии сделать убедительную оценку вероятности инициации инфляции; любое вычисление вероятности чувствительно зависит от сделанных нами допущений.[6]

С этой дырой в нашем понимании самое осмысленное обобщение заключается в том, что инфляция предлагает мощную объяснительную схему, которая связывает вместе кажущиеся несопоставимыми проблемы – проблему горизонта, проблему плоскостности, проблему первоначальной структуры, проблему низкой энтропии ранней вселенной – и предлагает отдельное решение, которое адресуется ко всем этим проблемам. Это кажется правильным. Но, чтобы перейти на следующий этап, нам нужна теория, которая может справиться с экстремальными характеристиками условий размытого пятна, – экстремальными по теплу и колоссальной плотности, – тогда мы сохраним шанс получения острого, однозначного проникновения в самые ранние моменты космоса.

Как мы узнаем в следующей главе, это требует теории, которая может преодолеть, возможно, величайшую преграду теоретической физики, которая стоит перед нами на протяжении последних восьмидесяти лет: фундаментальную трещину между ОТО и квантовой механикой. Многие исследователи уверены, что относительно новый подход, именуемый теорией суперструн, может достигнуть этого, но если теория суперструн верна, ткань космоса оказывается намного более странной, чем кто-либо когда-либо себе представлял.