Почему мы живем не в пустом пространстве?

Мы начали эту главу с вопроса о том, как должна выглядеть Вселенная. Совсем не очевидно, что этот вопрос, в принципе, может считаться осмысленным, но если это все же так, то логичным ответом на него будет: «Вселенная должна выглядеть так, словно она находится в высокоэнтропийном состоянии», потому что состояний с высокой энтропией намного больше, чем низкоэнтропийных. Затем мы убедились, что истинно высокоэнтропийные состояния выглядят, по сути, как пустое пространство; в мире с положительной космологической постоянной это означает пространство де Ситтера — Вселенную, содержащую энергию вакуума и больше ничего.

Итак, главный вопрос, на который пытается ответить современная космология, звучит так: «Почему пространство, в котором мы живем, — это не пространство де Ситтера?». Почему мы живем во Вселенной, в которой бурлит жизнь со всеми этими звездами и галактиками? Почему мы живем в шлейфе нашего Большого взрыва, чудовищном пожарище материи и энергии, и обладаем невероятно низкой энтропией? Почему во Вселенной так много всего и почему это все было так плотно и однородно упаковано в ранние годы?

Одним из возможных ответов могло бы быть воззвание к антропному принципу. Мы не можем жить в пустом пространстве — ну, потому что оно пусто. Там просто нет ничего, что можно было бы использовать для жизни. Это рассуждение звучит абсолютно обоснованно, но все же не отвечает на поставленный вопрос. Пусть мы действительно не в состоянии существовать в пустом пространстве де Ситтера, но это не объясняет, почему наша ранняя Вселенная даже отдаленно не напоминает ничего, что можно было бы охарактеризовать словом «пустой». Наша реальная Вселенная несоразмерно дальше от пустоты, чем было бы достаточно для применения антропного критерия.

Возможно, эти размышления заставляют вас вспомнить наше обсуждение сценария Больцмана—Лукреция из главы 10. Тогда мы воображали себе статичную Вселенную, содержащую бесконечное число атомов, то есть атомы в ней были распределены по всему пространству с некоей средней плотностью. Мы предполагали, что статистические флуктуации расстановок этих атомов могли приводить к возникновению временных низкоэнтропийных конфигураций, может быть, даже напоминающих нашу Вселенную. Однако с этим была связана определенная проблема: этот сценарий надежно предсказывал, что мы (при любых возможных определениях «нас») должны быть наименьшей возможной флуктуацией по сравнению с термодинамическим равновесием, удовлетворяющей условиям нашего существования. В предельном случае мы должны быть бесплотными больцмановскими мозгами, окруженными газом при постоянной температуре и плотности. Но это не так, и дальнейшие эксперименты предоставляют все больше доказательств того, что остальная Вселенная и близко не подходит к равновесию, то есть данный сценарий полностью опровергается экспериментальными данными.

Несомненно, под влиянием общей теории относительности прямолинейный сценарий, предложенный Больцманом, подвергся бы кардинальному пересмотру. Наиболее важный новый ингредиент заключается в том, что существование статичной Вселенной, наполненной молекулами газа, попросту невозможно. Согласно Эйнштейну, пространство, заполненное материей, не может оставаться неизменным; оно будет либо расширяться, либо сжиматься. И если материя равномерно распределена по Вселенной и к тому же состоит из нормальных частиц (не обладающих отрицательной энергией или давлением), то неизбежно появление сингулярности в том направлении течения времени, где материя уплотняется — Большой взрыв в прошлом, если Вселенная расширяется, или Большой коллапс в будущем сжимающейся Вселенной. (Или и то и другое, если Вселенная какое-то время расширяется, а затем снова начинает сжиматься.) Получается, что эта беззаботная ньютоновская картина с молекулами, вечно живущими в счастливом статичном равновесии, теряет всякий смысл, как только на сцену выходит общая теория относительности.

Вместо этого нам следует обдумать возможность существования жизни в пространстве де Ситтера, отобравшего звание состояния с наибольшей энтропией у газа термальных частиц. Если бы наши знания ограничивались классической физикой, то пространство де Ситтера было бы воистину пусто. (Энергия вакуума — это характеристика самого пространства—времени; с ней не связаны никакие частицы.) Но классическая физика — это еще не вся история; реальный мир на самом деле квантово-механический. А в соответствии с квантовой теорией поля частицы могут создаваться «из ничего» при условии, что дело происходит в подходящем искривленном пространстве—времени. Излучение Хокинга — самый очевидный тому пример.

Если следовать той же нити рассуждений, что и Хокинг при исследовании черных дыр, то выясняется, что предположительно пустое пространство де Ситтера на самом деле бурлит жизнью со всеми этими частицами, то и дело возникающими из ниоткуда. Разумеется, необходимо подчеркнуть, что их все же не так много, — мы говорим о чрезвычайно тонком эффекте. (В пустом пространстве множество виртуальных частиц, но лишь небольшое число реальных, уловимых.) Давайте представим себе, что мы сидим в пространстве де Ситтера, вооружившись невероятно чувствительным экспериментальным прибором, способным обнаруживать любые пролетающие мимо частицы. Мы увидим, что в действительности нас окружает газ из частиц при постоянной температуре, словно мы находимся в контейнере при тепловом равновесии. И температура никуда не денется с расширением Вселенной — это характеристика пространства де Ситтера, остающаяся постоянной на протяжении вечности.[257]

Следует признать, что нам удастся обнаружить не так уж много частиц; температура все же довольно невысока. Если кто-либо спросит вас, какова «температура Вселенной» прямо сейчас, то вашим ответом, вероятно, будет 2,7 кельвина, температура космического микроволнового фонового излучения. Это довольно низко; 0 кельвинов — это минимальная возможная температура, комнатная температура равна приблизительно 300 кельвинам, а самая низкая температура, которой когда-либо удалось достичь в лабораторных условиях на Земле, составляет около 10^–10 кельвинов. Если допустить, что Вселенная расширится до такой степени, что вся материя и микроволновое фоновое излучение полностью рассредоточатся, оставив после себя лишь частицы, рождаемые пространством де Ситтера за счет квантовых эффектов, то температура такой системы будет составлять примерно 10^–29 кельвинов. Кого ни спроси, это очень мало.

И все же температура есть температура, и любая температура выше нуля допускает флуктуации. Когда мы принимаем во внимание квантовые эффекты в пространстве де Ситтера, Вселенная выглядит и ведет себя как контейнер с газом при фиксированной температуре, и эта ситуация сохранится навечно. Даже если в прошлом у нее случился впечатляющий Большой взрыв, будущее остается вечностью в условиях ультранизкой температуры, которая никогда не понижается до нуля. Следовательно, мы можем рассчитывать на бесконечное будущее, полное термических флуктуаций, — включая больцмановские мозги и любые другие варианты термодинамически маловероятных конфигураций, которые только можно вообразить в вечном контейнере с газом.

А это означает, что все проблемные аспекты сценария Больцмана—Лукреция становятся проблемными аспектами реального мира. Если подождать достаточно долго, то наша Вселенная будет опустошена. Она превратится в пространство де Ситтера, существующее при очень низкой температуре, и останется в этом состоянии навсегда. Периодически будут возникать случайные флуктуации теплового излучения, приводящие ко всевозможным маловероятным событиям, включая спонтанное образование галактик, планет и больцмановских мозгов. Шанс, что любое такое событие случится в конкретный момент времени, очень мал, но нам некуда торопиться — в нашем распоряжении целая вечность, так что любое допустимое событие рано или поздно произойдет. В этой Вселенной — нашей Вселенной, насколько мы можем судить, — подавляющее большинство математических физиков (или разумных наблюдателей любого другого типа) будут возникать из окружающего хаоса и обнаруживать себя дрейфующими в пространстве в полном одиночестве.[258]

Ускорение Вселенной было открыто в 1998 году. Физики-теоретики какое-то время не спеша обдумывали этот удивительный результат, прежде чем очевидной стала проблема с больцмановскими мозгами. Впервые она была рассмотрена в 2002 году Лайзой Дайсон, Мэтью Клебаном и Леонардом Сасскиндом в статье со зловещим названием «Тревожный подтекст космологической постоянной» (Disturbing Implications of a Cosmological Constant), а Андреас Альбрехт и Лоренцо Сорбо дополнили ее подробностями в своей статье 2004 года.[259] Пока что до решения этой загадки нам все еще очень далеко. Самый простой выход из положения — считать, что темная энергия — это не космологическая постоянная, существующая на протяжении вечности, а истощающийся источник энергии, который угаснет задолго до того, как мы достигнем времени возвращения Пуанкаре. Правда, не совсем ясно, как такой источник может работать, поэтому строить обоснованные модели затухающей темной энергии оказывается весьма затруднительно.

Так что у загадки больцмановских мозгов — «Почему мы пребываем во Вселенной, постепенно эволюционирующей из состояния невероятно низкой энтропии, а не обнаруживаем себя в форме изолированных созданий, недавно флуктуировавших из окружающего хаоса?» — все еще нет очевидного ответа. Кроме того, стоит подчеркнуть, что данная загадка делает проблему стрелы времени значительно более значимой. До того как ученым удалось понять проблематику этой непростой ситуации, нас беспокоила лишь проблема тонкой подстройки: почему ранняя Вселенная обладала такой низкой энтропией? Однако мы, по крайней мере, всегда могли пожать плечами и сказать: «Ну, просто потому, что такой она была, и никакого глубокомысленного объяснения этого явления не существует». А теперь нам этого уже недостаточно. В пространстве де Ситтера можно надежно предсказать, сколько раз за историю Вселенной (включая бесконечное будущее) наблюдатели будут появляться в окружении холодной и недружелюбной пустоты, а сколько — в комфортном окружении, полном звезд и галактик, и станет очевидно, что холодная и недружелюбная пустота — вариант чрезвычайно более вероятный. Это больше, чем неудобная тонкая подстройка; это прямое разногласие между теорией и наблюдением, а также знак, что нам еще есть над чем работать.