Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной

В квантовой теории гравитации рассматриваются все возможные истории развития Вселенной. С каждой историей связана пара чисел. Одно описывает размер волны, а другое — ее фазу, то есть гребень это или впадина. Вероятность того, что Вселенная обладает конкретным свойством, определяется сложением волн, соответствующих всем историям, которые обладают этим свойством. Истории представляют собой искривленные пространства, описывающие эволюцию Вселенной с течением времени. По-прежнему необходимо указать, как возможные истории Вселенной должны вести себя на границе пространства-времени в прошлом. Мы не знаем и не можем знать граничные условия для Вселенной в прошлом. Однако этой трудности можно избежать, если граничное условие для Вселенной заключается в том, что она не имеет границ.

В квантовой теории гравитации рассматриваются все возможные истории развития Вселенной.

Иными словами, все возможные истории конечны по протяженности, но не имеют границ, краев или сингулярностей. Они напоминают поверхность Земли, но с двумя дополнительными измерениями. В этом случае начало времени должно быть обычной гладкой точкой пространства-времени. Это означает, что расширение Вселенной должно было начаться с очень гладкого и упорядоченного состояния. Оно не могло быть совершенно однородным, поскольку при этом нарушался бы принцип неопределенности квантовой механики. Должны были существовать небольшие отклонения плотности и скоростей частиц. Однако условие отсутствия границы предполагает, что эти флуктуации должны иметь минимальные возможные значения в соответствии с принципом неопределенности.

Развитие Вселенной могло начаться с периода экспоненциального (инфляционного) расширения. При этом Вселенная увеличилась бы в размерах во много раз. Во время такого расширения флуктуации плотности на первых порах, вероятно, оставались небольшими, но впоследствии начали расти. В областях, где плотность была чуть выше среднего значения, расширение замедлялось вследствие гравитационного притяжения, обусловленного дополнительной массой. Со временем такие области прекратили бы расширяться и начали коллапсировать, образуя галактики, звезды и существ, подобных нам.

Развитие Вселенной могло начаться с периода экспоненциального (инфляционного) расширения. При этом Вселенная увеличилась бы в размерах во много раз.

Вселенная могла находиться изначально в очень однородном и упорядоченном состоянии и со временем стать неоднородной и неупорядоченной. Это объяснило бы существование термодинамической стрелы времени. Развитие Вселенной могло начаться с высокоупорядоченного состояния, а с течением времени она становилась все более неупорядоченной. Как я показал ранее, психологическая стрела времени указывает в том же направлении, что и термодинамическая. Поэтому наше субъективное ощущение времени скорее имело бы то же направление, в котором Вселенная расширяется, нежели противоположное, в котором Вселенная сжимается.

Обратима ли стрела времени?

А что произойдет, если расширение Вселенной сменится сжатием? Изменится ли направление термодинамической стрелы на противоположное, начнет ли неупорядоченность уменьшаться с течением времени? Перед людьми, пережившими переход от расширения к сжатию, открылся бы целый спектр возможностей в духе научной фантастики. Увидят ли они, как разбитые чашки снова становятся целыми и оказываются на столе? Будут ли помнить завтрашний курс акций и смогут ли разбогатеть, играя на фондовой бирже?

Вопрос о том, что произойдет, когда Вселенная начнет обратно сжиматься, может показаться чисто теоретическим, поскольку этого не произойдет по крайней мере в ближайшие десять миллиардов лет. Но существует более быстрый способ узнать, что случится. Для этого можно прыгнуть в черную дыру. Коллапс звезды, приводящий к образованию черной дыры, во многом напоминает поздние этапы коллапса Вселенной. Так что если при сжатии Вселенной беспорядок уменьшается, можно ожидать, что он уменьшается и в черной дыре. Возможно, астронавт, падающий в черную дыру, сможет выиграть в рулетку, поскольку до того, как сделать ставку, будет помнить, куда попадет шарик. К сожалению, очень сильные гравитационные поля оставят ему совсем немного времени на игру, прежде чем превратят его в спагетти. Он также не сможет ни сообщить нам об изменении направления термодинамической стрелы времени на противоположное, ни положить свой выигрыш в банк, поскольку окажется в ловушке за горизонтом событий черной дыры.

Коллапс звезды, приводящий к образованию черной дыры, во многом напоминает поздние этапы коллапса Вселенной.