Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

Пенроуз предложил свою собственную модель под названием «конформационная циклическая космология», согласно которой Вселенная проходит через бесконечное количество эпох, причем каждая начинается с фазы, напоминающей Большой взрыв. В конце каждого цикла, после того как испаряются даже черные дыры, остается только тепловое излучение. И это, предполагает Пенроуз, похоже на ровное высокоэнергетическое излучение, которое заполнило бы Вселенную сразу после Большого взрыва, а после установления сложной связи между низкой энтропией первоначальной Вселенной и высокой энтропией в конце (ибо ничто не избежит действия второго закона термодинамики) можно присоединить конец одного эона (эры) к другому и увидеть, как все снова начинается с Большого взрыва. Достаточно сказать, что это предположение еще более противоречиво, чем теория инфляции.

Поскольку мы уже далеко залезли в область предположений, зачем останавливаться? В настоящий момент в космологии пользуется популярностью идея вечной инфляции. Согласно этому сценарию, наша Вселенная – просто маленький пузырь в бесконечном пространстве более высокоуровневых измерений, известном как Мультивселенная, которая вечно подвергается инфляции. Тогда Большой взрыв, который создал нашу Вселенную, являлся лишь квантовым колебанием, произошедшим 13,82 миллиарда лет назад. Благодаря этому в вечно расширяющемся пространстве образовался наш пузырь. Пространство внутри него – наша Вселенная – перестало подвергаться инфляции, и расширение его замедлилось до более спокойных темпов, тогда как Мультивселенная снаружи продолжает подвергаться стремительной инфляции. Таким образом, вместо очень короткого периода инфляции, имевшего место после Большого взрыва, теперь наша ситуация изменилась на противоположную: Большой взрыв отмечает конец инфляции в нашей части Мультивселенной.

Более того, вечная инфляция говорит о том, что внутри Мультивселенной могут возникнуть и другие вселенные-пузыри – возможно, бесконечное их количество, – которые будут вечно существовать отдельно друг от друга и стремительно разбегаться из-за постоянно расширяющегося гравитационного поля.

У этой идеи есть еще одна положительная сторона, которую многие физики находят очень привлекательной. Я уже говорил, что физики не любят тонкой настройки, то есть отсутствия каких-либо основополагающих причин для того, чтобы некие физические величины имели именно те значения, которые они имеют. Это хорошо видно при взгляде на наши важнейшие константы: они имеют ровно те значения, которые позволяют существовать такой Вселенной, как наша. Если бы сила притяжения была чуть слабее, галактики и звезды никогда бы не сформировались, а если бы заряд электрона оказался чуть больше, атомы «обвалились» бы и сложная материя не могла бы существовать. Так вот, теория вечной инфляции Мультивселенной отвечает на вопрос: почему наша Вселенная так тонко настроена, что она подходит для существования звезд, планет и самой жизни? Ответ заключается в том, что возможно существование различных вселенных-пузырей, причем все будут подчиняться одним и тем же законам физики, но каждая будет иметь свой собственный набор фундаментальных физических констант. Просто так уж случилось, что мы находимся во Вселенной, абсолютно соответствующей требованиям возникновения жизни, и можем размышлять о том, как нам все-таки повезло.

Чтобы избежать путаницы, здесь я должен добавить, что эти вселенные-пузыри – совсем не то же самое, что параллельные реальности Мультивселенной в одной из интерпретаций квантовой механики, которые обязаны своим существованием различным результатам измерений квантового мира. Вселенные-пузыри в теории вечной инфляции – не параллельные, перекрывающие друг друга реальности; они совершенно не зависят друг от друга.

Рис. 6. Как бесконечное пространство может поместиться в конечном объеме? Два взгляда на нашу Вселенную: «снаружи» у нее всегда конечный объем. А для нас, в нашем пространстве-времени, ось пространства искривлена и направлена по оси времени в бесконечность. Нам же кажется, что все времена совпадают, что и дает нам ощущение бесконечного пространства

И, прежде чем пойти дальше, я хочу еще сказать вот что. Можно озадачиться вопросом, является ли наша Вселенная бесконечной по протяженности (хотя мы и не можем заглянуть за ее горизонт) – это ведь возможно. Тогда как же бесконечное пространство помещается внутри конечного пузыря, плавающего в Мультивселенной наряду с другими вселенными-пузырями? Ответ будет неожиданным: для нас, находящихся внутри, Вселенная может быть бесконечной по протяженности, но конечной во времени. Однако это только потому, что внутри нашего пузыря искаженное представление о пространстве и времени. «Снаружи» наша Вселенная оказалась бы конечной по размеру, но бесконечной во времени (рис. 6). Это очень точный (хотя, уж простите, концептуально непростой) способ понять, как бесконечное пространство может поместиться в конечном объеме.

Информация

Один момент, о котором я еще ничего не говорил, но который объединяет все три столпа фундаментальной физики – квантовую механику, общую теорию относительности и термодинамику, касается роли информации в современной физике. Сейчас стало понятно, что информация – это больше, чем просто абстрактное понятие, ее можно точно измерить (или дать точную количественную оценку).

Некоторое время назад Стивен Хокинг сформулировал вопрос: что происходит с информацией, например с этой книгой, если бросить ее в черную дыру? Книга, конечно, пропадет, а как насчет содержащейся в ней информации? Я имею в виду информацию, которую содержат слова в книге. Дело в том, что согласно законам квантовой механики информацию нельзя уничтожить, она всегда должна сохраняться[34]. Хокинг описывает, как черная дыра медленно испаряется, теряя энергию в виде так называемого «излучения Хокинга», а согласно квантовой механике эта радиация содержит всю информацию, поглощенную черной дырой, включая информацию, необходимую для восстановления этой книги. Уверены ли мы в этом? Опять же только окончательный вариант теории квантовой гравитации позволит нам поставить точку в этом вопросе.

Исследование математики черных дыр также позволило сделать вывод, что максимальное количество информации, которое можно сохранить в определенном объеме пространства, пропорционально не самому объему, как можно было бы ожидать, а площади поверхности, ограничивающей этот объем. Эта идея известна как голографический принцип и превратилась в мощный инструмент теоретической физики. По сути, она обязана своим существованием глубинной связи между информацией и энергией. Наращивая объем информации, хранящейся в определенном объеме пространства, вы увеличиваете его энергию. А поскольку энергия – эквивалент массы, это означает и усиление гравитационного поля до того момента, пока наш пространственный объем не схлопнется в черную дыру. Голографический принцип утверждает, что теперь вся информация будет закодирована на ровном горизонте черной дыры. Считается, что эта идея работает даже для информации, необходимой для описания Вселенной. Похоже, что роль информации при