Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

Поскольку это такой простой случай, у нас есть довольно хорошая идея о том, что произойдет. Следствием экспоненциального расширения будет, что скопления галактик разделятся настолько быстро, что вскоре они будут не видны друг для друга. Фотоны, покидающие одно скопление и двигающиеся со скоростью света, не перемещаются достаточно быстро, чтобы быть захваченными другими скоплениями. Наблюдатели в каждом скоплении будут окружены горизонтом, за пределами которого исчезли их соседи. Каждое скопление станет изолированной системой. Так что внутренняя часть каждого горизонта будет разновидностью ящика, отграничивая подсистему от остальной вселенной. Так что к каждой такой подсистеме будут применимы методы физики в ящике — что означает, мы можем при рассуждении о ней использовать методы термодинамики.

В этот момент в данной истории включается новый эффект квантовой механики, приводящий к заполнению внутренней части каждого горизонта газом фотонов в тепловом равновесии — разновидностью тумана, созданного процессами, аналогичными процессам, которые создают излучение черных дыр Хокинга. Этот газ называется излучением горизонта. Его температура экстремально низкая, и такова же его плотность, но они остаются постоянными в процессе расширения вселенной. Тем временем все остальное, включая вещество и КМФ, становится все более и более разреженным, так что после прохождения достаточного времени вселенную будет заполнять только излучение горизонта. Вселенная пришла к равновесию.

Это состояние равновесия сохранится навсегда. Нельзя избежать концовку как в вечной вселенной Больцмана. Будут, конечно, флуктуации и возвраты к прежнему, и иногда та или иная конфигурация вселенной будет происходить вновь — включая то, что относится к парадоксу мозга Больцмана, который я описывал в Главе 16

как финал сведения к абсурду Ньютоновской парадигмы. В соответствии с этим сценарием очевидная сложность нашей вселенной до настоящего момента является только кратчайшей вспышкой перед тем, как вселенная успокоится в своем вечном равновесии.

Мы знаем с некоторой определенностью, что мы не являемся Больцмановскими мозгами, поскольку (как отмечалось в Главе 16) если бы мы таковыми были, мы, вероятно, не увидели бы гигантскую и упорядоченную вселенную вокруг нас. Тот факт, что мы не есть мозги Больцмана, означает, что этот сценарий для будущего нашей вселенной ошибочен. Принцип достаточного основания, действуя через своего заместителя, принцип идентичности неразличимых, также требует, чтобы этот сценарий был ошибочен. Вопрос в следующем: Как его избежать?

Простейший способ избежать вечно мертвую вселенную будет иметь место, если вселенная имеет достаточную плотность вещества, чтобы остановить расширение и вызвать коллапс. Вещество притягивает вещество гравитационно, и это замедляет расширение, так что если вещества достаточно, вселенная будет коллапсировать к финальной сингулярности. Или может быть, что квантовые эффекты остановят коллапс и заставят вселенную отскочить, развернув сжатие на расширение, приводящее к новой вселенной. Но сейчас не кажется, что вещества достаточно, чтобы развернуть расширение, не говоря уже о противодействии тенденции темной энергии это расширение ускорять.

Следующий простейший способ избежать бесконечного мертвого будущего имеется, если космологическая константа на самом деле не постоянна. Несмотря на то, что мы имеем подтверждение, что темная энергия — которая для всех намерений и целей есть космологическая константа — не меняется на масштабах сегодняшней эры вселенной, у нас нет доказательств, что она не будет изменяться в конце концов. Это изменение могло бы быть следствием более глубокого закона, одного из тех, что действуют столь медленно, что их действие проявляется ощутимо только на больших временных масштабах. Или изменение могло бы быть просто эффектом общей тенденции законов эволюционировать. На самом деле принцип отсутствия действия без взаимности предполагает, что космологическая константа должна быть подвержена влиянию со стороны вселенной, на которую указанная константа столь решительно действует.

Космологическая константа может распадаться до нуля. Если это происходит, расширение замедляется, но, вероятнее всего, не обращается вспять. Вселенная может быть вечной, но статической; это, по меньшей мере, аннулирует парадокс мозга Больцмана.

Расширяется ли вселенная без космологической константы вечно или коллапсирует, зависит, в конечном счете, от начальных условий. Если энергии в расширении в конечном счете достаточно, чтобы преодолеть взаимное гравитационное притяжение всего во вселенной, последняя никогда не коллапсирует. Но даже если вселенная существует вечно, имеются богатые возможности для возрождения, поскольку каждая черная дыра в результате ликвидации ее сингулярности может привести к рождению дочерней вселенной. Как отмечалось в Главе 11, имеются хорошие теоретические свидетельства, что это должно происходить.