Вечность. В поисках окончательной теории времени - Кэрролл Шон (чтение книг .TXT) 📗
Следовательно, любая современная космологическая теория должна отвечать на вопрос, почему мы не живем в пространстве де Ситтера. У него высокая энтропия, оно существует на протяжении вечности, и кривизна пространства—времени порождает небольшую, но все же ненулевую температуру. Пространство де Ситтера пусто, за исключением разреженного фонового термального излучения, так что по большей части оно совершенно непригодно для жизни; там нет стрелы времени, поскольку оно находится в тепловом равновесии. В пространстве будут наблюдаться термодинамические флуктуации, точно такие же, каких можно было бы ожидать в запечатанном контейнере с газом в ньютоновском пространстве—времени. Подобные флуктуации могут приводить к появлению больцмановских мозгов, целых галактик или любых других макросостояний, которые вы только можете себе вообразить, — нужно лишь подождать достаточно долго. Однако мы не похожи на такую флуктуацию, — если бы мы были ею, то мир вокруг нас был бы настолько высокоэнтропийным, насколько это вообще возможно, что, очевидно, не так.
Из этого затруднительного положения есть выход: пространство де Ситтера, возможно, не существует в вечном ничем не нарушаемом покое. С ним может что-то происходить. В этом случае все, что мы говорили о больцмановских мозгах, разом теряет смысл. Тот аргумент можно было принимать всерьез только потому, что мы точно знали, с системой какого типа имеем дело — газом при фиксированной температуре, и мы знали, что она будет существовать вечно, так что даже очень маловероятные события в конце концов произойдут. К тому же мы могли надежно вычислить относительную частоту появления разнообразных сомнительных событий. Если же мы усложним эту картину , то про вероятности флуктуаций можно забыть! (Как минимум про большинство из них.)
Нетрудно вообразить варианты того, как вечное существование пространства де Ситтера могло бы прерваться. Вспомните, что модель «старой инфляции», по сути, представляла период пространства де Ситтера в ранней Вселенной с очень высокой плотностью энергии, которую обеспечивало поле инфлатона, застрявшее в состоянии ложного вакуума. При условии, что существует другое состояние вакуума с более низкой энергией, это пространство де Ситтера в конечном счете подвергнется распаду путем появления пузырей истинного вакуума. Если пузыри будут появляться очень быстро, то ложный вакуум исчезнет полностью; если же они станут появляться медленно, то в итоге мы получим фрактальную смесь из пузырей истинного вакуума на неумирающем фоне ложного вакуума.
В случае инфляции критическое наблюдение состояло в том, что плотность энергии во время фазы де Ситтера была очень высока. Сейчас нас интересует противоположный конец спектра — тот, где энергия вакуума чрезвычайно низка, как в нашей текущей Вселенной.
Это порождает огромные различия. Высокоэнергетические состояния естественным образом стремятся распадаться до состояний с более низкой энергией, но не наоборот. И причина не в сохранении энергии, а в энтропии. [298] Энтропия, соответствующая пространству де Ситтера, низка, когда плотность энергии высокая, и высока, когда плотность энергии низкая. Распад высокоэнергетического пространства де Ситтера до состояния с меньшей энергией вакуума — это всего лишь естественная эволюция низкоэнтропийного состояния в высокоэнтропийное. Однако мы хотим узнать, как избежать ситуации, подобной той, в которую эволюционирует наша Вселенная, — пустое пространство де Ситтера с очень маленькой энергией вакуума и очень высокой энтропией. Куда нам податься?
Если бы правильная всеобщая теория была квантовой теорией поля на фоне классического пространства де Ситтера, то путей для отступления у нас бы не было. Пространство продолжало бы расширяться, квантовые поля продолжали бы флуктуировать, а мы пребывали бы в ситуации, описанной Больцманом и Лукрецием или очень похожей на нее. Но существует один (по крайней мере) вариант побега, который обеспечивает нам квантовая гравитация: создание новорожденных Вселенных. Если пространство де Ситтера дает начало непрерывному потоку Вселенных-младенцев, каждая из которых при рождении обладает низкой энтропией и расширяется в свою собственную высокоэнтропийную фазу де Ситтера, то, возможно, это и служит естественным механизмом увеличения энтропии Вселенной.
Как уже не раз говорилось, мы очень многого относительно квантовой гравитации не понимаем. Но мы довольно хорошо разбираемся в классической гравитации, а также в квантовой механике, так что у нас есть определенные обоснованные ожидания относительно того, что должно происходить в квантовой гравитации, даже если детали пока остаются скрытыми от нас. В частности, мы ожидаем, что само пространство—время будет подвержено квантовым флуктуациям. На деситтеровском фоне должны флуктуировать не только квантовые поля, само пространство де Ситтера должно испытывать флуктуации.
Один из вариантов флуктуаций пространства—времени был изучен в 1990-е годы Эдвардом Фархи, Аланом Гутом и Джемалем Гувеном. [299] Они предположили, что пространство—время может не только сгибаться и растягиваться, как в обычной классической теории относительности, но также разделяться на множество кусочков. В частности, крохотный кусочек пространства может оторваться от более крупной Вселенной и начать эволюционировать самостоятельно. Этот отдельный кусочек пространства, как и следовало ожидать, называется новорожденной Вселенной. (В противоположность «карманным Вселенным», о которых мы упоминали в предыдущей главе и которые навсегда остаются связанными с фоновым пространством—временем.)
Мы могли бы добавить новые уровни детализации. Термальные флуктуации в пространстве де Ситтера — это в действительности флуктуации лежащих в их основе квантовых полей; частицы — это то, что мы видим, когда наблюдаем эти поля. Представим, что одно из таких полей обладает подходящими свойствами для того, чтобы служить инфлатоном, — в его потенциале есть участки, такие как впадина ложного вакуума или плато новой инфляции, где поле может пребывать в относительно неподвижном состоянии. Однако вместо того чтобы начинать эволюцию вблизи одного из подобных участков, мы интересуемся, что произойдет, если поле стартует внизу, где энергия вакуума очень мала. Квантовые флуктуации будут периодически выталкивать поле к более высоким значениям потенциала, из истинного вакуума в ложный — не во всем пространстве, но в некоторых небольших его областях.
Рис. 15.5. Создание новорожденной Вселенной за счет образования квантовой флуктуации — пузыря ложного вакуума.
Что происходит, когда в пространстве де Ситтера в результате некоей флуктуации появляется пузырь ложного вакуума? И снова, не буду скрывать, окончательного ответа на этот вопрос тоже пока нет. [300] В большинстве случаев поле просто рассеется, снова смешавшись со своим термальным окружением. Внутри ложного вакуума, в который мы флуктуировали, пространство начнет расширяться; но стенка, отделяющая внутренность пузыря от всего, что находится за его пределами, хочет сжиматься, и чаще всего так и происходит: стенка сжимается, прежде чем что-либо серьезное успевает произойти.
Время от времени, однако, нам может улыбнуться удача. Соответствующий маловероятный процесс изображен на рис. 15.5. То, что мы здесь видим, — это одновременно флуктуация поля инфлатона, создающая пузырь ложного вакуума, и флуктуация самого пространства, при которой появляется область, отщепляющаяся от оставшейся части Вселенной. Крохотное горлышко, соединяющее их, — это кротовая нора (мы обсуждали ее в главе 6). Но эта кротовая нора нестабильна и быстро сколлапсирует в ничто, оставив нам лишь два не связанных между собой пространства—времени: исходную родительскую Вселенную и миниатюрного младенца.
