Знаменитый английский ученый, профессор математики Оксфордского университета, член Лондонского королевского общества, автор теории твисторов сэр Роджер Пенроуз прочитал в Политехническом музее лекцию «Круги Времени. Можно ли сквозь Большой взрыв разглядеть предыдущую Вселенную». Slon публикует ее сокращенную версию.

Сначала я хочу рассказать о стандартной картине Вселенной. Она напоминает большую воронку, в основании которой как бы находится Большой взрыв. После него Вселенная расширяется. Я умышленно не дорисовал верхнюю часть воронки – я не хочу утверждать, замкнута Вселенная или открыта. Как мы знаем, после Большого взрыва происходило расширение Вселенной, потом оно ускорилось (что принесло Нобелевскую премию физикам, которые смогли его наблюдать). Они назвали источник этого процесса таинственной темной энергией, однако для людей, работавших в области космологии в течение многих лет, это было ожидаемой вещью.

Глядя на эту воронку, вы можете спросить, где же инфляция. Предположительно она имела место в самом начале истории Вселенной, на ранних стадиях. Сначала я не очень верил в явление инфляции, но позже появились причины, по которым ее можно было включить. Инфляция происходит не после, а до Большого взрыва. Мы можем взять удаленное будущее и сжать его, пока оно не превратится в конечную границу.

Когда я сжимаю бесконечность и растягиваю Большой взрыв, я могу наложить одно на другое. Я больше не говорю, что это Вселенная целиком, теперь это последовательность определенных отрезков – эонов. И наша Вселенная есть лишь один из участков этой последовательности. А инфляция – это бесконечное будущее предыдущего эона. Ее как таковой нет, однако имеется экспоненциальное расширение предыдущего эона, которое играет роль инфляции. Эта идея происходит из теории струн итальянского физика Венециано. Существует математическая теорема, доказывающая, что если у вас есть экспоненциальное расширение, то всегда можно сделать фокус сжатия.

Сначала осколки, потом стакан?

Количество беспорядка и случайностей в мире все время увеличивается, о чем нам говорит второй закон термодинамики. В законе содержится некая тайна. Давайте представим стакан, балансирующий на краю стола. Он опрокидывается, разбивается, вино впитывается в ковер. Как это воспринимается в обычной ньютоновской механике? В ее случае законы симметричны относительно времени. В соответствии с ними мы могли бы двигаться и в обратном направлении. В случае с разбивающимся стаканом – это тоже было бы возможно, мы, однако, никогда не видели, чтобы подобное происходило.

Второй же закон термодинамики вводит понятие энтропии (это мера беспорядка в системе) и говорит о том, что беспорядок все время увеличивается. И в случае со стаканом движение в обратном направлении противоречит этому закону, несимметричному относительно времени.

По мере того как энтропия увеличивается, у вас появляется все больше способов изобразить падающий стакан. В физических терминах это выражается с помощью понятия фазового пространства – пространства с огромным количеством измерений. Мы можем разбить его на небольшие кусочки – причем все точки этого разбиения будут выглядеть более или менее одинаковыми, но это иллюзия. Среди них есть как маленькие, так и большие области. Вопрос в том, каков многомерный размер этой области. Энтропия – это размер области в фазовом пространстве, это число способов, которыми можно представить каждую данную ситуацию с падающим стаканом. Точка движется из меньшей области в большую область, затем – в еще большую, поэтому энтропия возрастает.

Здесь есть уловка – как я добиваюсь чего-то несимметричного из симметрических законов? Я могу задать вопрос иначе: как стакан оказался на краю стола?

Возможно, наш стакан начался с осколков на полу, каким-то образом собрал себя во что-то единое, подпрыгнул и установился на краю стола. Это, конечно, совершенная чушь. 

Правильный ответ состоит в том, что выпивший лишнего человек находился рядом со столом и поставил стакан на его край. И это согласуется со вторым законом – несмотря на состояние опьянения, человек был гораздо более упорядочен, чем все вокруг него, у него была меньшая энтропия. И если мы будем отступать все сильнее назад во времени, то мы найдем Большой взрыв. Для этого нам приходится предполагать, что он обладал очень низкой энтропией. Большой взрыв должен быть высокоорганизованной формой материи, иначе у нас не было бы второго закона термодинамики.

Так был ли Большой взрыв?

Почему же мы думаем, что Большой Взрыв был? Одна из причин состоит в том, что мы думаем, что Вселенная расширяется. Еще одно доказательство – реликтовое излучение из космоса. Это электромагнитное излучение, если угодно – свет, примерно как в микроволновой печи. По мере увеличения частот интенсивность излучения сначала возрастает, а потом снова убывает. Эту кривую изобрел Макс Планк, она называется спектром черного тела, теплового равновесия. Что такое тепловое равновесие? Это состояние с максимальной энтропией. Однородность излучения можно объяснить тем, что Земля движется – в том направлении, куда она движется, излучение кажется чуть теплее, а в противоположном направлении – чуть холоднее. Отклонение от средней температуры составляет примерно одну стотысячную. Это говорит нам, что вся Вселенная очень и очень однородна.

Представим себе газ в ящике. Сначала все молекулы газа будут в углу ящика, однако, если убрать стенки, он распространится по всему объему. То есть энтропия увеличивается, и состояние становится все более и более однородным. По мере того как время растет, растет и энтропия, но давайте подумаем и о другой вещи. Поговорим о гравитационных пузырях. Представим, что ящик имеет размеры галактики и все точки в нем – это звезды. Они начнут собираться в скопления и в конце концов смогут образовать черную дыру. Черная дыра – это колоссальное возрастание энтропии. Таким образом, в ранней Вселенной мы видим, с одной стороны, однородность и, с другой стороны, низкую энтропию.

Вы можете представить себе Большой взрыв как большой хлопок, но это не работает. Он имеет огромную энтропию, и то, что предшествовало взрыву, не должно было быть большим беспорядком – он не сможет породить упорядоченного состояния.

Около Большого взрыва температура очень высока, намного больше, чем в адронном коллайдере.


Когда температура делается выше, масса снижается. Поэтому частицы, близкие к границе, массы не имеют.

Холодная Вселенная будущего

Вспомним про черные дыры: они создают беспорядок. Нам на помощь приходит излучение Хокинга. Согласно Хокингу, черные дыры не холодные, у них есть температура. Она зависит от размера дыр – если черная дыра большая, то температура низкая, если маленькая – температура выше. Но насколько горяча черная дыра? Ее температура примерно равна самой низкой, которую когда-либо достигали в лаборатории на Земле. Вселенная по мере расширения будет становиться все холоднее и холоднее и в конце концов остынет сильнее наиболее холодных черных дыр. Когда это произойдет, черные дыры станут самыми горячими объектами, они начнут излучать энергию.

E=mc² – значит, они будут излучать и массу. Сколько времени займет период до взрыва черной дыры? Если взять самые большие черные дыры, что только существуют, то нам придется ждать 10 в сотой степени лет. Когда они исчезнут, наступит очень унылая эра. Единственное, что останется, – это фотоны и непокорные частицы. Я хочу сделать гипотезу и сказать, что в сильно далеком будущем частицы снова потеряют свою массу, а бесконечно удаленное будущее будет вести себя как конформное пространство. 

Видеозапись лекции можно посмотреть на сайте Лектория Политехнического музея.