Текст книги "Далекое будущее Вселенной Эсхатология в космической перспективе"
Автор книги: Джордж Эллис
Жанры:
Религиоведение
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 34 страниц)
Когда мы оцениваем долгосрочные космологические перспективы, важно точно знать, что в космосе не может измениться, сколько бы мы ни ждали. Такие неизменные величины у физиков принято называть «природными константами». Предполагается, что они всегда одни и те же. Существуют различные полученные в наблюдениях и экспериментах строгие ограничения, которые подтверждают это предположение, и стандартные модели физики элементарных частиц и космологии большого взрыва исходят именно из этой неизменности. Однако, если одной или нескольким из этих констант суждено измениться, пусть величина изменения сейчас и кажется совершенно незначительной для каких бы то ни было практических целей, в отдаленном будущем это может радикально изменить картину нашей вселенной. До недавних пор у нас не было никаких положительных свидетельств того, что некоторые традиционные природные константы – не просто константы. Разрабатывались теории, рассматривающие последствия изменений G, гравитационной постоянной Ньютона, но этот вопрос ставился преимущественно в чисто теоретическом ключе с целью установить ограничения на допустимые вариации с помощью наблюдательных данных. Однако, к общему изумлению, серия тщательных наблюдательных исследований [37, 38, 39] показала, что в красном смещении, между единицей и тройкой, тонкая структура становится приблизительно на семь миллионных долей меньше.
Теоретическое исследование [7, 8] этой ситуации открыло весьма необычную черту вселенных с изменчивостью таких констант, как константа тонкой структуры α или G. Если вселенная плоская и ее космологическая константа равна нулю, то значение α будет оставаться постоянным в раннюю эру излучения, но начинает изменяться в пылевую эру, пока кривизна вселенной или энергия вакуума не начнут влиять на расширение. Когда кривизна вселенной или энергия вакуума контролируют расширение, все изменения а прекращаются. Таким образом, для жизни может быть существенно, что кривизна или энергия вакуума в нашей вселенной не слишком малы [20]20
Мы признаем вместе с тем, что жизнь, по–видимому, требует, чтобы кривизна и энергия вакуума не были бы слишком велики —иначе они начнут сдерживать расширение так рано в истории вселенной, что галактики и звезды просто не смогут сформироваться [6]. Следовательно, нельзя ожидать, что в подобных вселенных возникнет жизнь, основанная на атомных структурах.
[Закрыть] .Поскольку чем меньше эти эффекты, тем дольше будет возрастать значение α.
В конце концов оно станет слишком большим для существования атомов, и возможность жизни, как мы ее знаем, будет утеряна. В космологической истории существует определенная ниша для существования жизни, основанной на атомных структурах [9]. Существование крайне малого уровня пространственной кривизны, создающего открытую вселенную, или ненулевой энергии вакуума предотвращает возрастание константы альфа и позволяет атомам существовать в течение намного более долгих сроков.
Эти соображения показывают, что для создания достоверных и долгосрочных прогнозов о будущем вселенной и тех форм материи, которые смогут в ней существовать, необходимо полностью понимать феномен постоянства традиционных природных констант.
3.7. если эта теория верна – она не может быть оригинальнойЕсть и последняя линия рассуждений, о которой также не следует забывать. В науке мы привыкли пренебрегать крайне маловероятными событиями несмотря на то, что они в принципе возможны. Например, законы физики допускают, что мой письменный стол взлетит и застынет в воздухе. Необходимо всего лишь, чтобы все его молекулы в ходе своих случайных движений одновременно устремились вверх. Такая возможность настолько невероятна даже в масштабе 15 миллиардов лет истории вселенной, что для всех практических целей о ней можно не вспоминать. Однако, когда перед нами бесконечное будущее, у любой фантастически невероятной физической случайности в конечном счете появляется немалый шанс воплотиться в жизнь. Энергетическое поле, сидящее на дне вакуумного ландшафта, рано или поздно совершит фантастический, невероятный прыжок вверх – прямо на вершину холма. Тогда для нас расширяющаяся вселенная начнется заново. Или, что еще более невероятно,
вся наша вселенная реализует ничтожную вероятность квантового перехода в другой тип вселенной? Ни один обитатель вселенной, испытавший столь радикальное преобразование, не выживет. Впрочем, по мере роста системы вероятность ее драматического квантового преобразования уменьшается. Гораздо вероятнее, что такую перестройку пройдут отдельные объекты вселенной (например, камни, черные дыры или люди), чем то, что это произойдет со вселенной в целом. Эта возможность достаточно важна не столько потому, что мы можем предсказать, что может случиться в течение бесконечного времени, сколько потому, что предсказать это невозможно. Когда перед нами бесконечность, все,что может случиться, в ней обязательно случится.Хуже того (или лучше того), это будет случаться бесконечно часто.
На глобальном уровне вселенная может быть самовоспроизводящейся, но это лишь обеспечивает существование других расширяющихся областей с новыми началами. Быть может, кто‑то из ее обитателей когда‑нибудь овладеет техниками, которые будут нуждаться в возникновении этих локальных инфляции для того, чтобы упорядочивать их последствия и управлять ими. Для нас же бытие представляет какую‑то странную симметрию. Возможно, однажды вселенная возникла из квантового вакуума, сохранив кое–какие незначительные воспоминания о его энергии. В далеком будущем эта энергия вакуума повторно заявит о своем присутствии и снова ускорит расширение, на этот раз, возможно, навсегда. Самовоспроизведение на глобальном уровне может положить начало новым большим взрывам, новым физикам, новым измерениям; но нашей мировой линии, нашей части вселенной, похоже, суждено в конце концов навсегда обратиться в однообразный, беззвездный и безжизненный пейзаж.
Хотел бы поблагодарить Мэри Энн Мейерс и Фонд Темплтона за приглашение на этот симпозиум, участников – за многочисленные и плодотворные дискуссии, а также Джорджа Койне и работников Понтификальной академии наук – за их неизменное гостеприимство.
Литература1. Вак, P., How Nature Works(Oxford University Press, Ocford, and Copernicus, New York, 1996).
2. Barrow, J. D., Impossibility(Oxford University Press, Oxford, 1998).
3. Barrow, J. D., "Life, Universe, and Almost Everything", Physics World, 12,31–35 (1999).
4. Barrow, J. D., and Dabrowski, M., "Oscillating Universes", Mon. Not. Roy. Astron. Soc, 275,850–62 (1995).
5. Barrow, J. D., and Tipler, F. J., "Eternity Is Unstable" Nature, 276,453 (1978).
6. Barrow, J. D., and Tipler, F. J., TheAnthropic Codmobgical Principle(Oxford University Press, Oxford, 1986).
7. Barrow, J. D., Sandvik, H., and Magueijo, J., "The Behaviour of Varying‑Alpha Cosmologies", Phys. Rev. D., 65,063504 (2002).
8. Barrow, J. D., Sandvic, H., and Magueijo, J., "A Simple Varying‑Alpha Cosmology", Phys. Rev. Lett., 88,031302 (2002).
9. Barrow, J. D., Sandvik, H., and Magueijo, J., "Anthropic Reasons for Non‑zero Flatness and L", Phys. Rev. D., 65,1235XX (2002).
10. Bernal, J. D., The World, the Flesh, and the Devil,2 nded. (Indiana University Press, Bloomington, 1969, 1 sted,. 1929), 63.
11. Clark, S. R.L., How to Live Forever (Routledge, London, 1995).
12. Darwin, C, On the Origin of Species by Means of Natural Selection,2 nded. (Murray, London, 1860), 489.
13. Dyson, F., "Life in an Open Universe", Rev. Mod. Phys., 51,447 (1979).
14. Eddington, AS., "The End of the World: From the Standpoint of Mathematical Physics", Nature, 127,447–53 (1931).
15. Eldredge, N., Macro‑Evolutionary Dynamics(Mc‑Graw‑Hill, New York, 1989).
16. Eliade, M., The Myth of the Eternal Return(Pantheon, New York, 1934).
17. Ellis, G. F.R., and Brundrit, G. B., "Life in the Infinite Universe", Q. I. Roy. Astron. Soc, 20,37 (1979).
18. Frautschi, S., "Entropy in an Expanding Universe", Science, 217,593 (1982).
19. Haldane, J. B.S., The Last Judgement(Harper Bros., New York, 1927), 38.
20. Harrison, E. R., Cosmology(Cambridge University Press, Campridge, 1981), 299–300.
21. Harrison, E. R., "The Natural Selection of the Universes", Q I. Roy. Astron. Soc, 36,22.193 (1995).
22. Hawking, S. W., "Black Hole Explosions", Nature, 248,30 (1974).
23. Hut, P., and Rees, M. J., "How Stable Is Our Vacuum?", Nature, 302,508(1983).
24. Inge, W., God and the Astronomers(Longmans Green, London, 1934), 28.
25. Kant, I., Universal Natural History and Theory of the Heavens,trans. W. Hastie (Greenwood Pub., New York, 1968), 59–70.
26. Krauss, L., and Starkman, G., "Life, the Universe, and Nothing: Life and Death in an Ever‑Expanding Universe", Astrophys, J., 531,22–31 (2000).
27. Linde, A., "The Self‑Reproducing Inflationary Universe", Sci. Amer.5, November, 48–55 (1994).
28. Sandvik, H. B., Barrow, J. D., and Magueijo, J., "A Simple Varying‑Alpha Cosmology", Phys. Rev. Lett, 88,031302 (2002).
29. Smolin, L., "Did the Universe Evolve?", Class Q. Gravity, 9,173 (1984).
30. Starobinskii, A. A., "Future and Origin of Our Universe: Modern View", Phys. Grav. Cosmoi, 6,157–63 (2000).
31. Tipler, F. J., "A Brief History of the Extraterrestrial Intelligence Concept", Q. I. Roy. Astron. Soc, 22,133 (1981).
32. Tipler, F. J., The Physics of Immortality(Doubleday, New York, 1995).
33. Tolman, R. C., "On the Problem of the Entropy of the Universe as a Whole", Phys. Rev., 37,1639–1771 (1931).
34. Tolman, R. C., "On the Theoretical Requirements for a Periodic Behaviour of the Universe", Phys. Rev., 38,1758 (1931).
35. Turnerm V. S., and Wilczek, F., "Is Our Vacuum Metastable?", Nature, 298,633 (1982).
36. von Helmholtz, H., "On the Interaction of the Natural Forces", reprinted in Popular Scientific Lectures,ed. M. Kline (Dover, New York, 1961).
37. Webb, J. K., Flambaum, V. V., Churchill, C. W., Barrow, J. D., and Drinkwater, M. J., "Evidence for Time Variation of the Fine Structure Condtant?", Phys. Rev. Lett., 82,884–87 (1999).
38. Webb, J. K., Murphy, V., Flambaum, V. V., Dzuba, V., Barrow, J. D., Churchill, C. W., Prochaska, J., and Wolfe, A., "Further Evidence for Cosmological Evolution of the Fine Structure Constant", Phys. Rev. Lett, 87,0913301 (2001).
39. Webb, J. K., Murphy, M., Flambaum, V. V., Dzuba, V., Barrow, J. D., Churchill, C. W., Prochaska, J., and Wolfe, A, "Possible Evidence for a Variable Fine Structure Constant from QSO Abruption Lines – I. Motivations, Analysis, and Results", Mon. Not. Roy. Astron. Soc, 327,1208 (2001).
4. Вечность
Кому она нужна?
Пол Дэвис
4.1. ВведениеИзвестная поговорка «Путешествовать интереснее, чем достигать цели» хорошо отражает сложные и противоречивые отношения людей со временем и вечностью. Смерть – для большинства из нас проклятие, но и вечная жизнь может казаться бесцельной. Это внутреннее напряжение относится как к человеческому существованию, так и к «жизни» вселенной в целом. Оно всплывает и в научной космологии, и в сильной эмоциональной привлекательности, присущей некоторым космологическим моделям в разных культурах.
Мирча Элиаде [9] писал, что все древние культуры основаны на мифе о вечном возвращении. Эволюционная психология показывает, что цикличность глубоко укоренена в человеческой психике. Выживание в былые времена напрямую зависело от способности людей жить в гармонии с циклами и ритмами природы: дневным, лунным, годовым циклами, менструальными циклами и другими биоритмами. Естественно, что в рамках тех культур развивались циклические космологии. Цикличность пронизывает мифы о творении и многих современных культур, от времени сновидений австралийских аборигенов до многоуровневых циклов индуизма. Понятие «колесо Фортуны» и распространенные выражения типа «Жизнь – как зебра, полосатая» свидетельствуют о сильном влиянии циклического мироощущения даже на современное западное общество.
Решительный разрыв с цикличностью принес иудаизм, подчеркнувший роль Бога–Творца, который создал вселенную в определенный момент в прошлом и далее поддерживал ее однонаправленное развитие. В иудаизме, христианстве и исламе время не замкнуто, а линейно, и Бог открывает себя в истории через специфическую последовательность событий (например, творение, грехопадение, воплощение, искупление, суд). Иными словами, перед нами разворачивается космическая история – история, имеющая начало, середину и конец.
4.2. С точки зрения научной космологииС XVII века, когда наука приняла свою современную форму, она разделяла иудео–христианский взгляд на мир. Поток (англ. flux)линейного времени стал основой, на которой Ньютон построил свою механику (его теория «флюксий» ныне известна как дифференциальное исчисление). Любопытно, что космология Ньютона статична и вечна, однако поддерживается божественными заботами.
Наука держалась за статичную и вечную картину космоса вплоть до двадцатого века, когда выяснилось, что вселенная расширяется. С тех пор было выдвинуто множество космологических моделей, исходящих из этого факта. Их выводы о конечной судьбе вселенной радикально различны. Приведем их краткий обзор:
1. Вселенная возникает в определенный момент в прошлом и расширяется вечно, дегенерируя согласно второму закону термодинамики и в очень отдаленном будущем приближаясь к состоянию почти безликого равновесия («тепловой смерти» в космологии XIX века).
2. Вселенная возникает в определенный момент в прошлом и исчезает в определенный момент в будущем (например, коллапсирует в сингулярность конечного «большого схлопывания» или гибнет в космической катастрофе, вроде распада квантового вакуума). Энтропия постоянно возрастает, однако вселенная (по крайней мере в ее нынешней форме) исчезнет раньше, чем будет достигнуто состояние конечного равновесия.
3. Развивается сценарий 2, однако в определенный момент, возможно, в точке, близкой к максимальному расширению, «стрела времени» поворачивает вспять – и вселенная возвращается к итоговому, относительно упорядоченному состоянию, которое аналогично или даже идентично изначальному состоянию «Большого взрыва».
4. Циклическая вселенная, в которой за расширением и сжатием следует «большой скачок» в новый цикл расширения и сжатия. Вселенная бесконечно пульсирует таким образом. Здесь возможны следующие варианты:
• Информация о физическом состоянии до скачка переживает скачок, так что вселенная продолжает развиваться согласно законам термодинамики. С каждым скачком циклы увеличиваются (на что указывал Толмен [25] еще в 1930–х годах) и, возможно, после множества циклов возникает нечто подобное нашей вселенной [16].
• Скачок представляет собой столь экстремальный физический переход, что информация после него воспроизводится «с нуля» [27], может быть, случайным образом. Возможно, изменяются сами законы физики. В этом случае эволюция каждого цикла не обязана коррелировать с предыдущими и последующими циклами. Стоит спросить, уместны ли здесь вообще термины «предыдущий» и «последующий», поскольку временная последовательность в этом случае теряет смысл. С тем же успехом можно сказать, что циклы не последовательны, а параллельны.
• Циклическая модель каким‑либо образом комбинируется с обращением времени. Например, стрела времени может быть направлена в разные стороны в следующих друг за другом циклах, поворачиваясь вспять (скорее всего) не на вершине расширения, а в момент скачка [21]21
Подобную теорию опубликовал я сам, см. [4].
[Закрыть]. В таком случае по прошествии двух циклов вселенная вернется в изначальное состояние.
5. Стационарная вселенная, которая не имеет ни начала, ни конца, но продолжает неограниченно расширяться. Постоянно возникающая новая материя заполняет промежутки, возникающие при разбегании галактик. Эти инъекции низкоэнтропийной материи всегда «подпитывают» вселенную, позволяя ей сочетать вечное существование с бесконечным развитием. Из вариаций на эту тему можно назвать космологию С–поля, разработанную Хойлом [13], с асимптотически стационарной вселенной, или модели, в которых эволюционные эпизоды погружены в общее стационарное состояние.
6. Космологии мультивселенных [22]22
Обзор этих концепций см. у Риза [20].
[Закрыть]. Общая идея этих моделей: то, что мы до сих пор принимали за «вселенную», на самом деле лишь «пузырь пространства», в гораздо более крупной системе, где другие «пузыри», возможно, с совершенно разными физическими условиями, существуют на очень большом расстоянии друг от друга. Каждый «пузырь» может проходить свой жизненный цикл: рождение, развитие и, возможно, смерть; но это не мешает всему ансамблю в целом пребывать в состоянии, похожем на стационарное. Таким образом, мультивселенная вечна, но ее индивидуальные компоненты – нет. Среди моделей такого рода можно назвать хаотическую космологию Линде [18] и «космический дарвинизм» Смолина [23]. В последней модели одна вселенная может порождать другие посредством своеобразного «почкования», так что ситуация напоминает жизнь биологических организмов – по мере того как вселенная – «родитель» стареет, рождаются новые вселенные, и так до бесконечности.
Хотя астрономические наблюдения предлагают нам возможность различения между этими моделями, космология (по крайней мере до самого последнего времени) славилась тем, что из одних и тех же наблюдений разные космологи делали совершенно разные выводы. В этой атмосфере, вероятно, можно понять сторонников и противников различных моделей, которые чаще, чем это принято в науке, привлекают себе на помощь аргументы эмоционального и богословского характера. Например, Фред Хойл ясно дал понять, что теория стационарного состояния привлекательна для него потому, что исключает «Большой взрыв» [14], который в 1950–х годах идентифицировался в некоторых кругах (например, папой Пием XII) с иудео–христианской концепцией творения. Для Хойла (в то время) идея божественного творения была нетерпима, поэтому он приветствовал теорию вселенной, не имеющей ни начала ни конца, как способ избавить научную космологию от ее богословских корней. В том же духе многие ученые (например, Роберт Джастроу [15]) принимали прямо противоположную точку зрения, заявляя, что верят в «большой взрыв» как научную версию библейского мифа о творении. Нет сомнения, что даже сейчас теисты чувствуют себя более комфортабельно с теорией «Большого взрыва», хотя самому по себе учению о творении ex nihiloникогда не предназначался большой вклад в описание начала вселенной.
4.3. Циклические вселенныеЧитая публичные лекции о моделях космологии, я не раз поражался тому, сколь многие из моих слушателей радостно принимали идею циклической вселенной. Эта модель больше всего соответствует древним космологическим мифам, а также системе индуизма. Трудно сказать, связана ли ее привлекательность с современной популярностью восточной философии, или же в ней отражается глубоко коренящаяся тревога, которую порождает концепция линейного времени, предваряющая западную научную мысль. В то же время другие люди находят идею бесконечных повторяющихся циклов нестерпимой.
Необходимо, однако, проводить различие между строго циклическими космологиями, в которых время замкнуто в кольцо, и теми, в которых повторяются лишь базовые черты все–ленной. Согласно распространенному заблуждению, строгая цикличность означает, что мы обречены на бесконечное и бесцельное повторение одних и тех же событий – идея, отраженная (весьма грубо) в голливудском фильме «День сурка». Здесь смешиваются два различных представления о стреле времени. С одной стороны, существует асимметрия физического мира относительно времени: более поздние состояния объективно отличаются от более ранних (например, энтропия возрастает, люди становятся старше). С другой стороны, существует психологическое впечатление, что время «течет» или «идет» – представление, не имеющее подтверждений в современной физике и отвергаемое многими философами как иллюзия или лингвистическая путаница (см., например, «Миф течения» Дональда Уильямса [28]). В циклической вселенной стрела времени (в первом смысле) должна в какой‑то момент обернуться вспять так, чтобы вселенная вернулась в более раннее состояние [23]23
Теория циклической вселенной и сама склонна к «вечному возвращению». Различные ее версии публиковали, например, Голд [11], Хокинг [12], Прайс [20], Гелл–Манн и Хартл [10], Шулман [22].
[Закрыть]. Это означает, что различные физические процессы также «пойдут вспять»: например, энтропия начнет падать, а люди молодеть. Однако совершенно неправильно говорить про этот процесс, что «времятечет вспять» (поскольку время вообще никуда не «течет»). Большинство физиков считают, что психологическое впечатление течения времени каким‑то образом связано с мозговыми процессами и с памятью. Во вселенной с обращенной стрелой времени мозговые процессы также «пойдут вспять» – и никто из нас не станет свидетелем безумных обращенных последовательностей, наподобие разбитых яиц, которые вновь становятся целыми, или тепла, которое спонтанно перетекает от холодных тел к горячим. Таким образом, представление о том, что в строго циклической вселенной «одно и то же повторяется снова и снова» – это просто неправильное понимание соотношения течения времени и временной асимметрии мира [24]24
См., напр., мою книгу [5] или более популярное изложение [6].
[Закрыть]. По няв это, мы увидим и то, что строго циклические модели весьма сходны с моделью конечного времени «от взрыва до схлопывания». В обоих случаях речь идет о конечной продолжительности времени, в течение которой могут происходить события, осуществляться проекты и так далее.
