Разрешение проблемы энтропии

В своей книге «От вечности до наших дней» Шон Кэрролл рассматривает популярный вопрос: почему энтропия Вселенной вначале была такой низкой? Этот вопрос называется проблемой энтропии. Вообще, я бы упрощенно ответил, что она была низкой вначале, потому что именно так мы определяем начало — как момент, когда энтропия была минимальной. На самом же деле, как объясняет Кэрролл, вопрос заключается в том, почему это крайне маловероятное состояние в принципе возникло в какое бы то ни было время. Если Вселенная появилась благодаря случайным процессам, то она должна была начаться с гораздо большей энтропией. Это все равно что бросить миллиард игральных костей и получить все шестерки.

Разумеется, если Мультивселенная безгранична, то все возможные комбинации выпадут неограниченное число раз. Но этот ответ слишком прост и столь же неинформативен, как если бы мы сказали, что это сделал Бог.

После внимательного рассмотрения всех этих вариантов Кэрролл показывает, что вечная Мультивселенная предоставляет убедительное решение проблемы энтропии. Он задает ключевой вопрос: как должна выглядеть Вселенная, если она абсолютно естественна? Его ответ: «Естественная Вселенная — которая бы не полагалась на тонко настроенные контрольные условия низкой энтропии в любой точке в прошлом, настоящем или будущем — по сути, представляла бы собой пустое пространство»^{346}.

Далее, как мы уже знаем, пустое пространство описывается решением уравнений Фридмана, которое предложил де Ситтер, и такое пространство может иметь положительную космологическую постоянную ?, которая эквивалентна постоянной плотности энергии вакуума и приводит к экспоненциальной инфляции. Можно показать, что энтропия обратно пропорциональна порядку ?. Поэтому если космологическая постоянная велика, то энтропия будет мала.

В главе 12 я описал, каким образом, согласно Линде, квантовые флуктуации в пространстве де Ситтера могут поднять потенциальную энергию инфлятонного поля, подобно тому как отец подталкивает свою дочь, сидящую на качелях. Это эквивалентно зарождению космологической постоянной. В данном случае мы можем представить себе область пространства, которая испытывает такую флуктуацию и превращается в расширяющийся пузырек. В большинстве случаев этот пузырек сожмется обратно в ничто.

Однако изредка эта флуктуация случайно может оказаться очень большой. Тогда из-за трения один пузырек останется в состоянии высокой энергии достаточно долго, что позволяет ему увеличиться на много порядков. Тогда он может выделиться из исходного фонового пространства и превратиться в отдельный пузырь Вселенной.

Поскольку у этого пузыря Вселенной будет большая космологическая постоянная, у него будет низкая энтропия. Это разрешает проблему энтропии: чтобы расширяющийся пузырь Вселенной мог возникнуть от квантовой флуктуации, у него должна быть низкая энтропия. Это не нарушает второй закон термодинамики, поскольку мы можем рассматривать пузырь Вселенной и фоновое пространство как единую систему, в которой общая энтропия все еще возрастает, а фон восполняет энтропию, потерянную при создании пузыря Вселенной (или больше).

Заметьте, что все это может происходить без всякой внутренней движущей силы, то есть посредством чисто случайной, хаотичной инфляции. Поскольку все симметрично, то не требуется никаких специально созданных законов физики, только метазаконы и внутренние законы. Модели, которые мы используем для описания происходящего, по логике вынуждены заключать в своих формулировках те принципы, которые вытекают из симметрии, — метазаконы. К ним относятся все законы сохранения, специальная и общая теории относительности, а также квантовая механика. Они вытекают из симметрии пустоты. В дальнейшем спонтанное нарушение симметрии порождает внутренние законы, которые необходимы для развития сложности.