Непостижимая загадка времени: что мы знаем о его начале и как может выглядеть его конец

Понимание начала и конца Вселенной представляет собой огромную проблему. "В частности, до сих пор неясно, как началось время и что представляла собой ранняя Вселенная. Что касается далекого будущего и того, закончится ли время, то это еще труднее предсказать, и отчасти зависит от того, что мы понимаем под "временем". "Космологи в целом согласны с тем, что Вселенная началась 13,8 млрд. лет назад с Большого взрыва. Это основано на десятилетиях наблюдений, которые показывают, что все галактики во Вселенной разделяются: другими словами, Вселенная расширяется. "Если перемотать пленку назад, то окажется, что в начале Вселенной все было сгруппировано в точке с бесконечной плотностью. Это означает, что вначале все было сжато в бесконечно малую точку или "сингулярность", которая затем начала расширяться с очень большой скоростью в результате Большого взрыва. "Заманчиво спросить, что было до этого, но большинство физиков ответят, что это бессмысленно. "Время существует лишь постольку, поскольку существует Вселенная", - говорит астрофизик Эмма Осборн из Йоркского университета (Великобритания). "Аналогичные идеи можно найти в трудах христианского философа Фомы Аквинского, - говорит квантовый физик Влатко Ведрал из Оксфордского университета (Великобритания). Он сказал, что бессмысленно спрашивать, что делал Бог до создания Вселенной, потому что Бог создал все, включая время, поэтому такой вопрос не имеет смысла". "Однако мы не можем точно сказать, каким был Большой взрыв и что произошло сразу после него. "Некоторые физики, например, физик-теоретик Барак Шошани из Университета Брока в Сент-Катарине (Канада), утверждают, что, поскольку бесконечности создают такие проблемы для наших теорий, "сингулярности на самом деле не существуют". По мнению Шошани, они скорее являются признаком того, что используемая теория "больше не действует": "Кроме того, по большей части наша Вселенная, похоже, состоит из темной материи и темной энергии, о которых мы пока ничего не знаем. Это заставляет нас строить предположения о том, как эти два элемента могли бы вести себя в экстремальных условиях ранней Вселенной". "Поэтому некоторые космологи предлагают другие идеи. С этой точки зрения Большой взрыв является "началом для нас", но он произошел в рамках более крупной сверхвселенной, о которой мы ничего не знаем", - говорит Ведрал. Люди все больше сомневаются в том, что существует единое начало". Что кажется очевидным, так это то, что с момента Большого взрыва время движется только в одном направлении. Мы ощущаем время как перетекающее из прошлого в настоящее и будущее, не возвращаясь назад и не меняя направления. "Это совершенно не похоже на наше восприятие трехмерного пространства, в котором мы можем свободно перемещаться". "Многие физики подозревают, что "стрела времени" - это не фундаментальная особенность Вселенной, а нечто, возникающее в результате поведения тех вещей, которые в ней находятся. "Одно из таких объяснений, связанное с австрийским физиком Людвигом Больцманом, связано с количеством беспорядка или "энтропии" во Вселенной. Пачка карт, рассортированная по мастям и номерам, обладает низкой энтропией, перетасованная колода - высокой, а разбросанная по полу колода - еще более высокой. Во Вселенной в целом количество энтропии постоянно растет. Но при выполнении этой работы выделяется тепло, которое увеличивает энтропию в других местах". "Это постоянное увеличение энтропии является одним из возможных объяснений стрелы времени". "Поскольку в любой момент времени энтропия, скорее всего, будет увеличиваться, чем уменьшаться, время постоянно движется в направлении увеличения энтропии". "Однако в этом объяснении есть одна проблема. Оно предполагает, что Вселенная началась в состоянии низкой энтропии, поскольку, если бы энтропия была высокой после Большого взрыва, она не могла бы увеличиться". "На самом деле, я не думаю, что у нас есть какие-либо доказательства этого, - говорит Ведрал. Наилучшее представление о ранней Вселенной дает слабое излучение, называемое космическим микроволновым фоном, которое доходит до нас со всех концов неба. И это излучение "высокоэнтропийно". "Другими словами, состояние, которое мы наблюдаем в ранней Вселенной, не кажется очень правдоподобной отправной точкой для запуска стрелы времени". "Современный подход заключается в том, чтобы просто предположить, что это состояние с низкой энтропией, - говорит философ Эмили Адлам из Университета Чепмена в Оранже (Калифорния). "Существует множество вселенных, и все они имели различные начальные состояния, - говорит Адлам. Однако такие сознательные существа, как мы, вероятно, могли существовать только во вселенных с возрастающей энтропией". "Мы оказались в единственной [вселенной], которая в начале имела низкую энтропию, - говорит Адлам. Вселенные с высокой энтропией не могли бы поддерживать жизнь, поэтому задавать вопрос было бы некому". Однако это предполагает предположение о существовании других вселенных, что является большим скачком. Поэтому Адлам предпочитает другой подход. "Интуитивно мы объясняем то, что происходит сейчас, ссылаясь на то, что было раньше: события вторника объясняют события среды. "Но это создает проблему, когда вы думаете о Большом взрыве и ранней Вселенной. "Самое главное, - утверждает Адлам, - чтобы история Вселенной была последовательной, без противоречий и парадоксов, таких как возвращение людей в прошлое и убийство ими своих бабушек и дедушек. "Это еще одна причина, по которой мы должны ощущать только одностороннее течение времени: это минимизирует вероятность возникновения подобных парадоксов". Но в основе этой истории может лежать контринтуиция: "Люди склонны думать о Вселенной как о движении шаг за шагом из прошлого в будущее. "Вы задаете ей начальное состояние, - говорит Адлам. Затем, подобно компьютеру, "она выполняет вычисления и создает историю шаг за шагом, в некотором роде упорядоченный процесс". "Но, возможно, все происходит не так. "На самом деле мы хотим думать о том, что Вселенная решает всю историю сразу, - говорит Адлам. Другими словами, фиксировано не только прошлое: будущее тоже фиксировано, но мы еще не знаем, что это такое". Адлам сравнивает это с решением судоку. В этих популярных головоломках числа должны быть расположены в сетке девять на девять таким образом, чтобы в каждой строке, каждом столбце и каждом квадрате три на три были цифры от одного до девяти". "В судоку вы не начинаете с одной стороны и не пробираетесь к другой, - говорит Адлам. Вы просто выбираете решение так, чтобы оно соответствовало всем правилам и было последовательным". Если такой взгляд на время верен, то "нет никаких особых достоинств в объяснении вещей из более ранних вещей", - говорит Адлам. Напротив, настоящее, будущее и прошлое зависят друг от друга непонятным для нас образом: "На этом этапе наш язык не выдерживает критики, поскольку он в значительной степени опирается на предположение об однонаправленном течении времени". В приведенном выше объяснении говорится о том, что Вселенная произвела гигантский расчет, как будто было время, когда она этого не сделала, и позднее, когда сделала. "Но если эта интерпретация верна, то такие понятия, как "до" и "после", на самом деле неприменимы. "Теперь давайте перейдем на другой конец временной шкалы и рассмотрим конец Вселенной. Как может закончиться космос и что произойдет с течением времени? "Космологи разработали несколько возможных сценариев конца Вселенной, каждый из которых имеет свои последствия. На основании наших наблюдений некоторые из них кажутся более вероятными, чем другие. "Одна из идей, которая когда-то казалась многообещающей, но теперь представляется маловероятной, - это "Большой взрыв". Это идея о том, что гравитационное притяжение в конце концов остановит расширение Вселенной и заставит все собраться вместе, что приведет к образованию сингулярности, которая положит конец Вселенной - перевернутому Большому взрыву. Однако с 1990-х годов накапливаются свидетельства того, что расширение Вселенной ускоряется, что позволяет предположить, что гравитация не будет достаточно мощной, чтобы остановить этот процесс. "Из нынешней космологии не видно правдоподобного пути к Большому кризису, - говорит космолог Кэти Мак из Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо (Онтарио, Канада). Единственный возможный путь - это изменение поведения загадочной темной энергии, которая ускоряет расширение. "Если это что-то, что меняется со временем, - говорит Мак, - то можно представить себе версию темной энергии, которая переходит от создания расширения к созданию сжатия". Однако это всего лишь предположение. "Другой сценарий, который также считается маловероятным, - это Большой разрыв. В этом воображаемом будущем "темная энергия немного сходит с ума", - говорит Мак. По мере того как галактики раздвигаются, а Вселенная становится все более и более пустой, темная энергия становится все более доминирующей. В конце концов, темная энергия становится настолько мощной, что сначала разрывает галактики, а затем разрывает и само пространство. "Это драматическая идея, но "большинство космологов не воспринимают ее всерьез как возможную", - говорит Мак. Это связано с тем, что для ее реализации, по-видимому, требуется все большее количество энергии, а очевидного источника нет. "Третья идея - распад вакуума. Этот сценарий зависит от поведения поля Хиггса - энергетического поля, пронизывающего всю Вселенную и играющего ключевую роль в придании частицам массы. "В 2012 году исследователи на Большом адронном коллайдере обнаружили связанную с ним частицу - бозон Хиггса, что подтверждает существование поля. "Поле Хиггса - это главное", - говорит Мак. "Космологи считают, что поле Хиггса не всегда имело одинаковую силу. "Поле Хиггса изменилось в ранней Вселенной", - говорит Мак. "Оно создало условия для того, чтобы физика стала такой, какой она является сегодня. Оно позволило существовать атомам, молекулам и всему остальному, создав ту смесь фундаментальных сил и частиц, которую мы наблюдаем". С тех пор поле Хиггса остается стабильным, но теоретически оно может снова измениться. Если это произойдет, то возникнет своего рода пузырь, внутри которого законы физики будут другими. "Это изменит состав существующих частиц, изменит комбинацию сил, изменит структуру физики частиц таким образом, что с любой точки зрения сделает ее непригодной для жизни", - говорит Мак. И на этом дело не остановится. "Этот пузырь будет расширяться примерно со скоростью света и уничтожит все", - говорит Мак. Хорошая новость заключается в том, что распад вакуума - это лишь теоретическая возможность, и произойдет он только через миллиарды лет". "Но это также случайное событие, - говорит Мак, - поэтому мы не можем предсказать, когда и где оно может произойти". Наконец, наиболее распространенным сценарием конца Вселенной является так называемая тепловая смерть. Это название несколько вводит в заблуждение, поскольку подразумевает, что Вселенная сама себя сожжет, в то время как на самом деле оно означает обратное. Тепловая смерть будет медленной и холодной. "Идея довольно проста. В настоящее время Вселенная расширяется, и галактики удаляются друг от друга. Если прокрутить фильм вперед, то в конце концов галактики окажутся так далеко друг от друга, что свет от одной галактики никогда не достигнет других. "По мере расширения материи у звезд будет заканчиваться топливо, и они будут тускнеть. В конце концов будет достигнута максимальная энтропия: все будет рассеяно настолько, насколько это возможно. Жизни больше не будет, да и вообще ничего интересного. "Эта прогнозируемая тепловая смерть настолько далека в будущем, что наш разум не в состоянии постичь ее длительность". "Тепловая смерть имеет странные последствия для течения времени. В нашем опыте стрела времени тесно связана с увеличением энтропии, но в момент тепловой смерти энтропия будет максимальной. "Энтропия не может увеличиваться", - говорит Мак. "Нет никакого направления в будущее, и стрела времени теряется". Однако стрела времени другого рода может продолжаться, считает Адлам. Если часть причины, по которой время движется только в одном направлении, заключается в том, чтобы обеспечить согласованность и избежать противоречий и парадоксов, то нет никаких причин для того, чтобы течение времени прекращалось с тепловой смертью. "В каком-то смысле всегда будет существовать эта базовая линейная структура, которую мы можем назвать стрелой времени, - говорит он, - однако ни один человек или другое сознательное существо не будет присутствовать, чтобы испытать это состояние. "В такой ситуации просто невозможно иметь сознание", - говорит Адлам. Предположительно, часть того, что требуется для того, чтобы быть сознательным, - это способность формировать воспоминания и осуществлять мыслительные процессы. Эти процессы основаны на сложных взаимодействиях, которые возможны только при увеличении энтропии. Как только это прекращается, невозможно ни сознание, ни память". "Вы все еще можете говорить о том, что время идет, но не в одном направлении", - говорит Мак. "Не то чтобы его не существовало, просто оно больше не имеет смысла". "Я думаю, что у времени есть несколько лиц, - говорит Адлам. Это "объективная физическая структура", которая будет существовать даже в случае тепловой смерти. "Но многое связано и с нашим субъективным восприятием времени", - говорит он. "Вполне возможно, что со временем эти вещи исчезнут".