Текст книги "Далекое будущее Вселенной Эсхатология в космической перспективе"

Автор книги: Джордж Эллис

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 34 страниц)

6.6. Проверка теорий мультивселенной – здесь и сейчас

Возможно, когда‑нибудь мы обзаведемся убедительной теорией, объясняющей самое начало нашей вселенной, которая расскажет нам, существует ли мультивселенная, и если существует, не являются ли так называемые законы природы лишь местными установлениями нашей космической провинции. Однако, пока мы ждем появления этой теории – а ждать, возможно, придется долго – аналогию с «магазином готового платья» можно уже проверить. Ее можно даже опровергнуть: это случится, если наша вселенная окажется настроенной даже более тонко, чем требует наше присутствие. Приведу два примера подобного стиля рассуждений применительно к двум различным научным вопросам.

Во–первых, Больцманн писал о том, что вся наша вселенная является необыкновенно редкой «флуктуацией» в бесконечном и вечном мире с симметричным временем. Сейчас против этой гипотезы выдвинуто много аргументов, но даже тогда, когда она была только высказана, можно было уже отметить, что в больших объемах флуктуации куда менее вероятны, чем в малых. Поэтому (если бы Больцманн был прав) было бы намного более вероятно, что мы находимся в самой малой из возможных флуктуации, совместимых с нашим существованием, а именно солипсическая вселенная, где существует лишь один мозг, полный воспоминаний, была бы более правдоподобна, чем любая другая интерпретация нашего опыта. Если же мы не готовы сделаться солипсистами, то, вне зависимости от нашего начального отношения к теории Больцманна, ее вероятность будет стремительно падать по мере того, как мы будем осознавать колоссальный масштаб нашего космоса.

Во–вторых, если бы мы даже ничего не знали о формировании звезд и планет, то не удивлялись бы тому, что орбита Земли очень близка к окружности; будь она сильно эксцентричной, вода на земле закипала бы в перигелии и замерзала в афелии – суровые условия, неблагоприятные для нашего появления на свет. Однако некоторая умеренная эксцентричность орбиты, очевидно, совместима с жизнью. Если бы выяснилось, что земля движется вокруг солнца по орбите, гораздо более близкой к идеальной окружности, мы могли бы вывести из этого теорию, постулирующую антропную селекцию орбит, чьи эксцентриситеты имеют «байесовскую априорную вероятность», равномерно распределенную на отрезке 0–1.

Мы можем применить этот стиль рассуждений к важным физическим числам (например, к космологической константе L), чтобы проверить, является ли наша вселенная типичной для подмножества вселенных, в которых могла бы существовать сложная жизнь [15]. Методология требует от нас решить, какие значения совместимы с нашим существованием. Кроме того, требуется особая теория, дающая относительные байесовские априорные вероятности для каждого конкретного значения. Например, в случае L все ли значения равно вероятны? Являются ли небольшие значения более предпочтительными с точки зрения физики? Или существует лишь конечное число возможных дискретных значений? Получив эту информацию, можно будет спросить, «типична» ли наша вселенная для подмножества вселенных, в которых мы могли бы возникнуть. Если даже в этом подмножестве (не говоря уж обо всей мультивселенной) она представляет собой нечто из ряда вон выходящее, то нам придется отказаться от нашей гипотезы.

В качестве другого примера проверки теорий «мультивселенной» рассмотрим предположение Смолина [13] о том, что новые вселенные возникают внутри черных дыр и что физические законы в дочерней вселенной хранят в себе память о законах родительской вселенной, иными словами, что и здесь существует своего рода наследственность. Концепция Смолина пока что не подкреплена какой‑либо развернутой теорией того, каким образом какая‑либо физическая информация (или даже стрела времени) может передаваться из одной вселенной в другую. Однако у нее есть то преимущество, что она делает относительно нашей вселенной предсказание, которое можно проверить.

Если Смолин прав, то вселенные, порождающие много черных дыр, имеют репродуктивное преимущество, которое передается следующим поколениям. Если наша вселенная является результатом такого процесса, то ее способность производить черные дыры должна быть близка к оптимуму в том смысле, что любое незначительное изменение законов и констант физики сделало бы формирование черных дыр менее вероятным. (Лично я считаю, что предсказание Смолина едва ли подтвердится, но он заслуживает нашей благодарности за предоставления примера того, как можно в принципе опровергнуть теорию мультивселенной.)

Эти примеры показывают, что некоторые утверждения о других вселенных могут быть опровергнуты, – необходимое условие валидности научной гипотезы. Мы не можем уверенно утверждать, что «больших взрывов» было много – мы просто слишком мало знаем о самых ранних стадиях развития нашей собственной вселенной. Не знаем мы и того, являются ли фундаментальные законы лишь «разрешающими», этот вопрос предстоит решить физикам двадцать первого столетия. Но если они таковы, то так называемые антропные объяснения станут законными, в сущности, для некоторых важных черт нашей вселенной это будет единственный тип объяснений, которым мы когда‑либо будем располагать.

То, что мы по традиции называем «вселенной», может оказаться результатом одного из многих «Больших взрывов», так же как наша Солнечная система – это лишь одна из многих планетных систем в галактике. Как структура кристаллов льда в замерзающем пруду – скорее случайный исторический факт, чем отражение фундаментальных свойств воды, так и некоторые из природных «констант» могут на поверку оказаться случайными деталями, не определенными однозначно общей теорией. Поиски точных формул для того, что мы называем природными константами, могут оказаться такими же тщетными и запутывающими, как поиск точной цифровой закономерности для планетарных орбит, осуществлявшийся Кеплером. А другие вселенные станут частью научного дискурса, такой же, какой были на протяжении столетий «иные миры». Тем не менее (и здесь я охотно уступаю место философам) любое понимание того, почему что‑либо существует – почему существует вселенная (или мультивселенная), а не ничто – остается в области метафизики.

6.7. Отдаленное будущее

Теперь вернемся к нашей собственной вселенной – нашему «космическому оазису» в (возможно) бесконечной мультивселенной. Каково ее отдаленное будущее? Солнце будет продолжать светить еще около шести миллиардов лет – в несколько раз больше, чем потребовалось биосфере земли (включая нас самих), чтобы развиться из первых многоклеточных организмов. Искусственные модификации ведут к гораздо более быстрым переменам, чем естественный отбор. Даже если сейчас жизнь – уникальная особенность Земли, в конечном счете она может «овладеть» космосом. Всю галактику, протяженностью в сотню тысяч световых лет, можно «озеленить» за меньший срок, чем понадобился нам, чтобы развиться из первых приматов. У жизни полно времени, чтобы распространиться по всей галактике и даже дальше.

Мы далеки от кульминации эволюции: образование структуры, интеллекта и сложности еще близко к своему космическому началу. Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают умозрительные сценарии, которых мы пока не можем даже вообразить. Возможно, будущее за созданными нами артефактами, которые будут развиваться благодаря своему собственному направляемому разуму. Диффузные живые структуры, свободно парящие в межзвездном пространстве, будут, вероятно, думать в замедленном темпе, но тем не менее смогут найти свое место в отдаленном будущем.

Через шесть миллиардов лет, когда погаснет Солнце, галактики будут более отдалены друг от друга и в определенном смысле более «слабы» – популяция их звезд состарится и газа для образования новых ярких звезд останется меньше. Но что может произойти дальше? Мы не можем предсказать той роли, которую жизнь в конце концов отведет самой себе. Возможно, в далеком будущем вся вселенная станет в определенном смысле живой. Возможно, создания, ведущие свой род от нас, будут способны «создавать» внутри черных дыр новые вселенные. Наша вселенная потенциально способна стать домом для такого множества сложных и разнообразных форм жизни, какого мы и представить себе не можем.

Однако можно составить долгосрочные прогнозы для вселенной, которая будет по–прежнему управляться только физическими силами. Ее судьба – продолжать расширяться, и даже, если современные свидетельства подтвердятся в будущем, с ускорением. Со временем погаснут даже самые медленно горящие звезды и все галактики в нашей локальной группе – наш Млечный Путь, Андромеда и десятки более мелких галактик – сольются в единую систему. Большая часть изначального газа к тому времени будет привязана к мертвым останкам звезд: одни из них станут черными дырами, другие – холодными нейтронными звездами или белыми карликами.

Еще позже могут вступить в свои права события, слишком редкие для того, чтобы быть заметными сейчас, например столкновения звезд. Звезды столь редко рассеяны в пространстве, что столкновения между ними (к счастью для нашего Солнца) крайне редки; однако со временем их число будет возрастать. Терминальные фазы галактик время от времени будут озаряться яркими вспышками, каждая из которых будет сигнализировать о столкновении двух мертвых звезд.

В конце концов погибнут даже черные дыры. Поверхность черной дыры благодаря квантовым эффектам не совсем гладкая и, следовательно, излучает. Этот эффект может быть важен и в нашей нынешней вселенной, если в ней существуют мини–дыры размером с атом: такие черные дыры будут разрушаться, испуская излучение и частицы; чем меньше они становятся, тем мощнее и энергичнее делается излучение, пока наконец они не исчезнут в результате взрыва. Однако существование таких мини–дыр кажется маловероятным. Они могли возникнуть лишь в ранней, сверхплотной вселенной, и даже тогда это было бы вероятно лишь при условиях гораздо более высокой турбулентности, чем предполагаемая теорией. А чтобы сформировать такую черную дыру в наше время, нужно сжать астероид в километр диаметром (или что‑нибудь близкое по массе) до размеров атомного ядра. Испарение черных дыр, будучи квантовым процессом, далеко не так важно для больших дыр: время, необходимое для разрушения дыры, пропорционально кубу ее массы. Срок жизни дыры с массой звезды – 10 ⁶⁶лет. Даже черные дыры с массой в миллиард солнц вроде тех, что скрываются в центрах галактик, будут разрушены менее чем за 10 ¹⁰⁰лет.

6.8. Асимптотическое будущее жизни

Космологи создали весьма обширную спекулятивную литературу о самой начальной вселенной Космическую же футурологию они, напротив, оставили писателям–фантастам. Я сам могу претендовать на одну из первых научных разработок этой темы еще в 1968 году, когда я написал короткую статью под названием «Коллапс вселенной: эсхатологический этюд» [10]. В то время многие космологи полагали, что мы живем в пульсирующей вселенной, которая закончится «большим схлопыванием», и я рассчитал, что может произойти после того, как космическое расширение остановится и вселенная вновь начнет сжиматься. Во время «обратного отсчета» в направлении схлопывания галактики сольются воедино, а отдельные звезды ускорятся почти до скорости света (как атомы в сжатом газе); дело кончится мощными взрывами, поскольку тепло, поглощаемое поверхностью такой звезды (излучение от других звезд испытывающее голубое смещение) будет жарче, чем ее собственные внутренности.

Одиннадцать лет спустя научную респектабельность этому предмету придал Фримен Дайсон: он опубликовал в Reviews of Modern Physicsувлекательную и подробную статью под названием «Время без конца: физика и биология в открытой вселенной» [2] [40]40
  Воспроизведена в гл. 8 наст. изд.


[Закрыть] .В то время свидетельства в пользу вечно расширяющейся вселенной были не столь ясны, как сейчас. Но уже у Дайсона были свои предрассудки: ему не хотелось бы поддерживать возможность «большого схлопывания», поскольку она «внушала ему чувство клаустрофобии». Он обсуждал перспективы разумной жизни. Возможно ли, спрашивал он, чтобы жизнь сохранилась навечно без угасания разума, даже когда погаснут звезды? Запасы энергии конечны, и на первый взгляд это ограничение кажется фундаментальным. Однако Дайсон показал, что на самом деле оно не фатально. По мере расширения и остывания вселенной для хранения и передачи информации могут использоваться низкоэнергетические кванты энергии (или, что то же самое, излучение со все большей и большей длиной волн). Как бесконечный ряд может иметь конечную сумму (например, 1 + ½ +¼ + … = 2), так же нет ограничений и на объем обработки информации, который может быть достигнут при конечном расходе энергии. Любой возможной форме жизни придется становиться все холоднее и холоднее, думать все медленнее и медленнее, впадать в спячку на все более долгие периоды времени. Но торопиться ей будет некуда. Как сказал однажды Вуди Аллен, «вечность – это очень долго… особенно ближе к концу».

Дайсон представлял себе эндшпиль растянутым на такое большое число лет, что для его записи потребуется столько же нулей, сколько атомов содержится во всех видимых нами галактиках. К концу этого срока все звезды превратятся в черные дыры, которые, в свою очередь, испарятся за время, почти мгновенное по сравнению с предыдущим.

Через двадцать с небольшим лет после выхода статьи Дайсона наши взгляды на будущее изменились в двух отношениях – и оба они сделали перспективу более мрачной. Во–первых, теперь большинство физиков полагает, что атомы не живут вечно. Со временем, может быть через 10 ³⁶лет, белые карлики и нейтронные звезды будут уничтожены – тепло, производимое распадом частиц, будет заставлять каждую звезду светиться, но так тускло, как светится домашний обогреватель. К этому времени наша локальная группа галактик будет лишь сгустком темной материи с небольшим числом электронов и позитронов. За пределами первых 10 ³⁶лет мысли и воспоминания смогут выжить лишь в форме сложных круговоротов и магнитных полей в облаках электронов и позитронов, быть может, чего‑то вроде враждебного инопланетного разума в «Темном облаке», первом и самом впечатляющем из фантастических романов Фреда Хойла, написанных в 1950–х годах.

Дайсон придерживался оптимистических взглядов на потенциал открытой вселенной, поскольку тогда казалось, что масштаб артефактов, которые когда‑либо могут быть созданы, не имеет пределов. Он представлял себе, что обозримая вселенная будет становиться все больше и больше; более того, со временем в поле нашего зрения, а, следовательно, возможной коммуникации и связей, войдут многие галактики, свет которых пока еще не успел дойти до нас; хотя далекие галактики и уходят все дальше, гравитация имеет тенденцию замедлять их разбегание, так что разрушительный эффект расширения будет становиться менее значительным. Однако, судя по современным данным, не похоже, чтобы расширение замедлялось; какая‑то отталкивающая сила, или «антигравитация», все быстрее разносит галактики в разные стороны. Следовательно, в отдаленном будущем нас ждут новые ограничения. Галактики будут скрываться из виду еще быстрее: красное смещение их излучения будет становиться все сильнее, с нашей точки зрения их часы будут идти все медленнее и медленнее, пока в определенный момент времени не остановятся на точке замерзания, так что, хотя они и не исчезнут окончательно, мы будем видеть лишь конечный отрезок их будущей жизни. Ситуация аналогична тому, что случится, если космологи упадут в черную дыру: с безопасной точки наблюдения вне черной дыры мы увидим, как наши падающие коллеги «замерзают» в определенном моменте времени, хотя за горизонтом они будут переживать будущее, ненаблюдаемое для нас.

Наша собственная галактика, Андромеда и еще несколько десятков мелких галактик–спутников, находящихся в поле притяжения той или другой, сольются в единую аморфную систему стареющих звезд и темной материи, и вселенная начнет еще более напоминать «островную систему» (тип вселенной, впервые описанный Лапласом). В ускоряющейся вселенной из нашего поля зрения исчезнет все остальное; если ускорение обусловлено фиксированной «лямбдой», это поле зрения никогда не станет намного шире, чем сейчас. Таким образом, имеется жесткое ограничение, хотя, конечно, колоссального объема, на величину любой сети или любого артефакта. Из этого вытекает и определенное ограничение на то, насколько сложным может стать что бы то ни было. Одним из важных недавних достижений была количественная оценка этого ограничения. Пространство и время не могут делиться до бесконечности. Внутренняя «зернистость» пространства устанавливает лимит для сложности сетей, которые могут быть сотканы во вселенной фиксированных размеров.

Даже если удастся разрешить проблему ограниченных энергетических резервов, останется ограничение на разнообразие и сложность. Лучшим способом отогнать скуку в подобной вселенной было бы сконструировать машину времени и, по край–ней мере субъективно, перебрать все возможности, снова и снова проходя по замкнутой временной петле.

Эти долгосрочные прогнозы подразумевают очень красивую физику, большая часть которой вполне понятна. Однако читателям, всерьез интересующимся тем, что случится через триллионы лет, следует помнить о некоторых неясностях. Во–первых, нельзя быть полностью уверенными, что области, находящиеся за нашим нынешним горизонтом, похожи на те части вселенной, которые мы видим. В океане что‑то необычное может находиться как раз за горизонтом. Так и вселенная, которая расширяется с замедлением, но, по–видимому, недостаточным, чтобы когда‑нибудь остановиться, однажды может быть раздавлена более плотным материалом, пока что невидимым для нас. Даже если этого не произойдет, возможно, что тенденция к большей однородности на больших масштабах не будет продолжаться неопределенно долго. В масштабах, много больших, чем та часть вселенной, которую мы до сих пор наблюдали, может существовать новый уровень структур. Джон Бэрроу и Фрэнк Типлер указали, что если вселенная расширяется в разных направлениях с различной скоростью, то это дает доступ к новому источнику энергии, так называемой «энергии ножниц».

Во–вторых, мы не знаем, что может со временем произойти с «квинтэссенцией» – таинственной энергией пространства, определяющей все ускоряющееся расширение космоса. Эта остаточная энергия может превратиться в какие‑то новые виды частиц. Если это превращение будет происходить равномерно, оно не сможет предотвратить печального конца. Однако остаточная энергия может уменьшаться в пузырях, поверхности которых будут сталкиваться друг с другом, создавая концентрацию энергии, способную запустить даже регенерацию атомов. Эта возрожденная вселенная будет состоять из «островков» возрожденной активности, отделенных друг от друга огромными пустотами. Как сказал Пол Стейнхардт, смогут ли будущие существа «постичь, что они происходят из изотропной вселенной, которую мы видим вокруг себя сегодня? Узнают ли они когда‑нибудь, что в прошлом вселенная была жива, а затем умерла только для того, чтобы получить второй шанс?»

Более обескураживающую перспективу представляет возможная уязвимость пустого пространства для катастрофических преобразований. Очень чистая вода способна «переохлаждаться» ниже точки замерзания, но замерзает мгновенно, едва в нее попадет пылинка. По аналогии не исключено, что наш нынешний «вакуум» просто метастабилен и может со временем превратиться в совершенно другую вселенную, управляемую другими законами, вероятно с высокой отрицательной лямбдой, которая будет причиной всеобщего взрыва, а не ускоряющегося разлетания.

Время от времени возникают страхи, что подобный переход может быть вызван искусственно, путем столкновения высокоэнергетических частиц во время экспериментов с ускорителями. Ободряет, однако, то, что куда более высокоэнергетические столкновения, например с частицами космических лучей, происходили в природе на протяжении миллиардов лет, не разрывая ткани пространства.

Еще одной дорогой к Армагеддону может стать превращение обычных атомных ядер в гипотетические частицы, называемые «чудачками»: в них содержится третий тип кварков, дополнительный к типам, создающим обычные протоны и нейтроны. Если чудачки способны существовать как стабильные объекты и если их электрический заряд отрицателен (что считается крайне маловероятным), они могут притягивать другие ядра, а затем путем заражения превратить свое окружение и в конце концов всю землю в так называемую «странную материю». Эта возможность достаточно серьезно рассматривалась администрацией Брукхейвенского ускорителя, которая заказала экспертное заключение по вопросу о том, могут ли эксперименты по сталкиванию очень тяжелых ядер вызвать подобную катастрофу.

Возможно, наши отдаленные потомки будут иметь бесконечное будущее (если только не попадут в объятия черной дыры). Однако стоит отметить, что альтернативная судьба – гибель в «большом схлопывании» – может стать источником обогащающего опыта. Мы видели, что в постоянно расширяющейся вселенной события происходят все медленнее и медленнее: общее число дискретных событий или «мыслей» может быть ограничено даже в бесконечном будущем. Джон Бэрроу и Фрэнк Типлер подчеркивали, что в коллапсирующей вселенной возможно обратное: бесконечное количество «происшествий» в пределах конечного времени [1]. Космологи привыкли к идее, что первые мгновения после Большого взрыва были необычайно насыщены событиями: при обратной экстраполяции все больших плотностей время должно измеряться последовательностью часов, которые становятся все меньше, грубее и тикают все быстрее. Бесконечное множество чисел может сложиться в конечную сумму. Таким же образом и в последние мгновения перед схлопыванием мы сможем не только снова увидеть всю свою жизнь, но и пережить бесконечное множество новых событий.

Даже если наша собственная вселенная приговорена к вечному расширению, сценарий «большого схлопывания» может разыграться где‑то еще в мультивселенной, там, где имеется иная глобальная кривизна, но законы микрофизики те же, что и у нас (и столь же благоприятны для жизни). Большинство вселенных, управляемых иными микрофизическими законами, должны быть не столь благосклонны к жизни; но некоторые, возможно, допускают даже большую сложность, чем наша собственная. Большинство биологов не способны представить разнообразие инопланетных форм жизни, способных существовать в нашей вселенной, еще менее можем мы вообразить себе, какие возможности могут развертываться во вселенных, управляемых иными «хорошо настроенными» законами.