Бесконечное пространство и лоскутное одеяло

 

Давайте забудем ненадолго о бесконечных просторах вселенной и начнём с простой, вполне себе земной ситуации. Представьте, что ваша подруга Имельда, идя на поводу у своей страсти к обновлению гардероба, приобрела пятьсот роскошных платьев и тысячу пар обуви от-кутюр. Если каждый день она будет надевать одно платье и одну пару обуви, то в какой-то момент все возможные комбинации будут исчерпаны, и ей придётся повторить наряд. Легко оценить, когда это произойдёт. Из пяти сотен платьев и одной тысячи пар обуви можно составить 500 000 различных комбинаций. Пятьсот тысяч дней — это примерно 1400 лет, и, поэтому, если Имельда проживёт достаточно долго, то её можно будет увидеть в том наряде, который она когда-то уже надевала. Если Имельда, дай бог ей крепкого здоровья, снова и снова будет перебирать наряды, то она обязательно наденет каждый из них бесконечное число раз. Бесконечное число появлений Имельды в конечном числе нарядов приводит к бесконечным повторениям.

Развивая эту же тему, представим что Рэнди, опытный крупье, последовательно перетасовал невообразимое количество карточных колод и аккуратно разложил стопками, одну за другой. Отличается ли порядок карт в каждой перетасованной колоде или же они должны повторяться? Ответ зависит от количества колод. Пятьдесят две карты в колоде могут быть расположены 80 658 175 170 943 878 571 660 636 856 403 766 975 289 505 440 883 277 284 000 000 000 000 различными способами (52 способа расположения первой карты умножить на 51 способ расположения второй карты, умножить на 50 способов расположения следующей карты, и так далее). Если количество колод, которые перетасовывает Рэнди, превышает число возможных раскладов карт внутри колоды, то тогда расклады в части колод совпадут. Если бы Рэнди перетасовывал бесконечное количество карт, то одинаковые расклады карт внутри колод обязательно бы повторялись бесконечное число раз. Так же как с Имельдой и её нарядами, бесконечное число событий при конечном числе возможных сочетаний приводит к тому, что различные расклады бесконечно повторяются.

Это базовое понятие очень важно для космологии бесконечной вселенной. Следующие два ключевых шага демонстрируют, почему это так.

Большая часть бесконечной вселенной находится за пределами видимого, даже если использовать самые мощные телескопы. Несмотря на то, что свет распространяется невероятно быстро, если объект достаточно удалён, то испущенный им свет — даже если это произошло сразу после Большого взрыва — просто не успеет долететь до нас. Так как возраст нашей Вселенной примерно 13, 7 миллиарда лет, то можно подумать, что в эту категорию попадает всё, что находится далее чем 13, 7 миллиардов световых лет. Такой интуитивный вывод в целом правильный, но надо учитывать, что расширение пространства увеличивает расстояние между объектами, один из которых испустил свет давным-давно, а другой только что этот свет поглотил; поэтому максимальное расстояние, на которое мы можем заглянуть, на самом деле больше — примерно 41 миллиард световых лет.13 Точная цифра не имеет особого значения. Важно то, что области вселенной, находящиеся на определённом расстоянии от нас, недоступны нашим наблюдениям. Подобно кораблям, ушедшим за горизонт и потому невидимым с берега, объекты в пространстве, слишком удалённые, чтобы быть доступными для наблюдения, находятся, как говорят астрономы, за пределами нашего космического горизонта.

Точно так же свет, испущенный нами, ещё не достиг тех удалённых областей космоса, поэтому и мы находимся за пределами их космического горизонта. Причём космический горизонт — это единственное, что очерчивает доступное и недоступное нашему взору. Из специальной теории относительности Эйнштейна мы знаем, что никакой сигнал, возмущение или информация, вообще ничего не может распространяться быстрее света. Это означает, что области вселенной, расположенные настолько далеко друг от друга, что свет не успел дойти от одной области к другой, никак не взаимодействовали и развивались совершенно независимо друг от друга.

Воспользовавшись двумерной аналогией, мы можем сравнить пространство в некий момент времени с гигантским лоскутным одеялом (с круглыми лоскутками), каждый лоскут которого представляет отдельный космический горизонт. Некто, расположенный в центре лоскута, мог провзаимодействовать со всем, что находится внутри этого лоскутка, но с соседними лоскутками не было никакого контакта, потому что они находятся слишком далеко (см. рис. 2.1а ). Точки вблизи границы двух лоскутков расположены ближе друг к другу, нежели соответствующие центры, и поэтому могли бы провзаимодействовать. Но если рассмотреть, например, лоскутки, расположенные через строку и через столбец в космическом одеяле, то ясно, что все точки, расположенные в разных лоскутках настолько далеки друг от друга, что никакое перекрёстное взаимодействие не имеет места (см. рис. 2.1б ). Та же самая идея работает и в трёх измерениях, когда космические горизонты — лоскутки на космическом одеяле — имеют сферическую форму. Причём справедлив тот же вывод: достаточно отдалённые лоскутки находятся за пределами сферы влияния каждого и, поэтому, это независимые миры.

 

Рис. 2.1. а ) Так как скорость света конечна, наблюдатель в центре лоскутка (называемом космическим горизонтом наблюдателя) может провзаимодействовать только с тем, что находится в том же самом лоскутке; б ) Достаточно удалённые космические горизонты слишком далеко отстоят друг от друга, чтобы как-то взаимодействовать, и поэтому развиваются совершенно независимо.

 

Если пространство огромно, но имеет конечный размер, его можно разделить на большое, но всё же конечное число независимых лоскутков. Если же пространство бесконечно, то и число независимых лоскутков тоже бесконечно. Именно вторая возможность представляется наиболее захватывающей, и сейчас мы увидим, почему так происходит. В любом таком лоскутке частицы вещества (более точно, вещества и энергии всех видов) могут быть собраны лишь в конечное число различных конфигураций. Те же самые рассуждения, которые мы отрепетировали на Имельде и Рэнди, приводят нас к выводу, что условия существования в бесконечном разнообразии лоскутков — в областях вселенной, наподобие той, в которой мы живём, но распределённых в безграничном космосе — обязательно должны повторяться.

 

Конечность возможностей

 

Представьте душную летнюю ночь и жужжащую муху, которая назойливо кружит над вашей кроватью. Уже были попытки прихлопнуть вредное насекомое мухобойкой или уморить зловонным спреем. Ничего не помогает. В отчаянии вы пытаетесь убедить муху улететь. «Ведь это большая спальня», — уговариваете вы муху. «Здесь столько разных мест, где можно полетать. Нет никакой особой причины жужжать именно над моим ухом». «Неужжжели? — хитро парирует муха. — И сколько же их? ».

В классической вселенной правильным ответом будет «бесконечно много». Как только вы скажете это мухе, она (а точнее её центр масс) может перелететь на 3 метра влево, либо на 2, 5 метра вправо, а может быть на 2, 236 метра наверх или на 1, 195829 метра вниз, или... ну вы поняли идею. Так как положение мухи меняется непрерывно, то число мест, где она может оказаться, — бесконечно. На самом деле, как только вы станете объяснять это мухе, то сразу же поймёте, что не только положение бесконечно разнообразно характеризует муху, но и скорость. В какой-то момент муха может быть здесь и лететь направо со скоростью один километр в час или налево, со скоростью полкилометра в час. Может лететь вверх со скоростью в четверть километра в час или вниз — со скоростью 0, 349283 километра в час, и так далее. И хотя скорость мухи ограничена некоторыми факторами (включая конечный запас энергии, — чем быстрее муха летит, тем больше энергии тратит), она может изменяться непрерывно, что приводит к ещё одному бесконечному выбору возможностей.

Но муху вы не убедили. «Я согласна с тобой, если речь идёт о смещении на сантиметр или полсантиметра, или даже на четверть сантиметра, — отвечает муха. — Но когда ты говоришь о положениях в пространстве, разделённых расстояниями в одну десятитысячную или в одну миллионную сантиметра, то я там просто не умещусь! Пусть для какого-нибудь умника это разные положения, но мой жизненный опыт подсказывает, что нет никакой разницы между быть здесь и быть на одну миллиардную сантиметра слева отсюда. Я не чувствую такую крошечную разницу и поэтому не могу считать их разными положениями. То же самое происходит и со скоростями. Я могу отличить скорость один километр в час от скорости в два раза меньше. Но разница между 0, 25 километров в час и 0, 249999999 километров в час? Я тебя умоляю! Только очень мудрая муха может утверждать, что видит разницу. Но на самом деле никто из нас не способен на такое. Что до меня — эти скорости одинаковые. Так что доступное разнообразие вариантов гораздо у́ же, чем ты описываешь».

Муха подняла важный вопрос. Вообще говоря, количество положений мухи, как и количество возможных скоростей — бесконечно. Но на практике есть предел того, насколько точно можно ощутить разницу скоростей и положений, прежде чем она пропадёт окончательно. Это будет верно, даже если оснастить муху самым лучшим оборудованием. Всегда существует предел малости измеряемого приращения скорости или положения. И неважно, насколько малы эти минимальные приращения; если они отличны от нуля, они радикально сужают область возможных значений измерений.

Например, если наименьшее приращение, которое можно измерить, составляет сотую долю сантиметра, то в каждом сантиметре содержится не бесконечное число возможных измеряемых положений, а всего лишь сотня. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре содержится 1003 = 1 000 000 различных положений, а в спальне средних размеров их будет около 100 триллионов. Трудно сказать, впечатлит ли муху такой спектр предложений, и оставит ли она вас в покое. Вывод, однако, состоит в том, что всё, кроме измерений с абсолютным разрешением, уменьшает число возможностей от бесконечного до конечного.

Вы можете возразить, что неспособность различать кратчайшие пространственные расстояния или фиксировать мельчайшую разницу между скоростями является всего лишь технологическим ограничением. Прогресс не стоит на месте, точность оборудования растёт, так что число заметно разных положений и скоростей, доступных хорошо финансируемой мухе, тоже будет увеличиваться. Здесь, однако, я должен обратиться к основам квантовой теории. В соответствии с квантовой механикой есть вполне определённый смысл в том, что существует фундаментальный предел точности, с которой могут быть проведены измерения, и такой предел в принципе не может быть преодолён, никогда, как бы далеко не продвинулся технологический прогресс. Данный предел возникает из основного принципа квантовой механики, принципа неопределённости.

Принцип неопределённости утверждает, что какие бы измерительные приборы или способы измерений вы не использовали, за увеличение разрешения при измерении одной величины неизбежно приходится платить — падает точность измерения некоторой дополнительной к ней величины. Одним из главных примеров проявлений принципа неопределённости является то, что чем точнее вы измеряете положение объекта, тем менее точно вы может измерить его скорость, и наоборот.

Для классической физики, той физики, которая во многом соответствует нашим интуитивным представлениям об устройстве этого мира, данное ограничение абсолютно чуждо. Однако как некую грубую аналогию, представьте себе процесс фотографирования той ехидной мухи. Если скорость затвора высока, получится контрастное изображение, на котором будет запечатлено положение мухи в тот момент, когда вы сделали снимок. Но из-за того, что это моментальный снимок, муха на нём неподвижна, и он не содержит никакой информации о её скорости. При уменьшении скорости затвора получится расплывчатый снимок, содержащий некоторую информацию о движении, однако именно из-за этой расплывчатости на снимке не будет точных данных о положении мухи. Невозможно сделать снимок, содержащий информацию и о точном положении, и о точной скорости мухи.

С помощью математического аппарата квантовой механики Вернер Гейзенберг определил точный предел того, насколько неточным должно быть с необходимостью совместное измерение положения и скорости. Эта неизбежная неточность и есть то, что физики называют квантово-механической неопределённостью. Существует особенно полезный для наших целей способ представить этот результат. Так же как для получения контрастной фотографии необходима высокая скорость затвора, соотношение Гейзенберга показывает, что для проведения более точного измерения положения объекта требуется зонд с большей энергией. Включите ваш прикроватный светильник, и этот зонд — рассеянный, слабый свет — позволит вам разглядеть глаза и лапки у мухи; а если посветить на муху высокоэнергичными фотонами, такими как рентгеновские лучи (только не переусердствуйте, иначе можно поджарить муху), то большее разрешение позволит разглядеть мышцы, приводящие в движение мушиные крылья. При этом абсолютное разрешение, согласно Гейзенбергу, требует бесконечных затрат энергии. А это недостижимо.

Итак, самый главный вывод мы уже сделали. Из классической физики со всей очевидностью следует, что абсолютное разрешение не достижимо на практике. Квантовая механика идёт дальше и утверждает, что абсолютное разрешение не достижимо в принципе. Если вы представляете, что скорость и положение объекта, будь то муха или электрон, одновременно изменяются на достаточно малые значения, то согласно квантовой механике вы представляете нечто, не имеющее смысла. Изменения, слишком малые чтобы их измерить, даже в принципе, не являются изменениями вообще.14

С помощью тех же рассуждений, что мы использовали в доквантовом анализе мухи, можно видеть, что ограничение на разрешение уменьшает от бесконечного до конечного число различных значений положения и скорости объекта. И поскольку ограниченное разрешение, вытекающее из квантовой механики, вплетено в саму ткань физических законов, уменьшение числа возможностей до конечного неизбежно и неопровержимо.

 

Космическая многократность

 

Но хватит о назойливых мухах. Давайте теперь рассмотрим достаточно большую область пространства. Пусть её размер сопоставим с размером современного космического горизонта — сферы радиусом 41 миллиард световых лет. То есть рассмотрим область размером с лоскут космического одеяла. Давайте поместим туда не одну единственную муху, а много частиц материи и квантов излучения. Теперь вопрос: сколько есть способов для различной компоновки частиц?

Так же как в конструкторе «Лего»: чем больше кубиков у вас есть (чем больше вещества и излучения вы втиснули в область пространства) — тем больше число возможных компоновок. Но вы не можете втиснуть бесконечное количество кубиков. У частиц есть энергия, поэтому чем больше частиц, тем больше энергии. Если в области пространства слишком много энергии, она схлопнется под собственным весом, и возникнет чёрная дыра.[3]Если после образования чёрной дыры попытаться втиснуть в эту область ещё больше материи и энергии, то граница чёрной дыры (её горизонт событий ) расширится, охватив ещё больше пространства. Таким образом, существует предел того, сколько материи и энергии может находиться в области пространства заданного размера. Для области пространства, сопоставимой по размерам с современным космическим горизонтом, этот предел невероятно велик (примерно 1056 грамм). Однако величина предела не играет главной роли. Главное, что этот предел существует.

Количество энергии внутри космического горизонта конечно, поэтому число частиц тоже конечно, будь то электроны, протоны, нейтроны, нейтрино, мюоны, фотоны или любые другие известные или ещё не обнаруженные виды в сообществе элементарных частиц. Конечность энергии внутри космического горизонта также приводит к тому, что каждая из этих частиц, подобно надоедливой мухе в вашей спальне, обладает конечным числом разных возможных положений и скоростей. В целом, то, что существует конечное число частиц, каждая из которых может иметь конечное множество различных положений и скоростей, означает, что внутри любого космического горизонта доступно лишь конечное число различных компоновок частиц. (В главе 8 мы познакомимся с более тонким языком квантовой механики, когда говорят не о положениях частиц и их скоростях как таковых, а о квантовом состоянии этих частиц. Тогда мы будем говорить, что есть лишь конечное число наблюдаемых квантовых состояний частиц в данном космическом лоскутке.) Действительно, небольшое вычисление, которое любознательный читатель найдёт в примечаниях, показывает, что число различных конфигураций частиц внутри космического горизонта составляет примерно 1010122 (единица с 10122 нулями). Это огромное, но всё же конечное число.15

Ограниченность числа комбинаций разных платьев и туфель гарантирует, что спустя достаточное количество выходов в свет наряды Имельды начнут повторяться. Ограниченность числа различных карточных раскладов гарантирует, что если у Рэнди будет достаточно колод, то однажды итог очередного тасования карт обязательно повторит один из предыдущих. Рассуждая аналогично, мы придём к такому выводу: ограниченное количество компоновок частиц гарантирует, что при достаточном числе лоскутков в космическом одеяле, то есть при достаточном числе космических горизонтов, компоновки частиц, сравниваемые по-лоскутно, обязаны где-то повториться. Даже если бы вы могли выступить в роли космического дизайнера и попытались бы сделать так, чтобы каждый лоскуток отличался по дизайну от всех предыдущих, то в достаточно большом пространстве у вас закончатся свежие идеи, и вы будете вынуждены повторить вариант одного из предыдущих дизайнов.

В бесконечно большой вселенной многократность повторений вообще зашкаливает. Существует бесконечно много лоскутков на бесконечных просторах пространства, поэтому, при конечном наборе разных компоновок частиц, компоновки в лоскутках обязаны повторяться бесконечное число раз.

Как раз то, что нам нужно.

 

Ничего кроме физики

 

Анализируя следствия этого утверждения, я должен сразу сказать, куда клоню. Я считаю, что физическая система полностью определяется тем, как скомпонованы частицы, из которых она состоит. Скажите мне, какие возможные конфигурации допустимы для частиц, составляющих нашу планету, Солнце, галактику и всё остальное, и вы совершенно отчётливо опишите окружающую действительность. Такой редукционистский подход достаточно распространён среди физиков, но тем не менее, конечно же, есть люди, думающие иначе. Особенно, когда речь заходит о феномене жизни. Есть мнение, что должен существовать некий существенно нефизический аспект (дух, душа, жизненная сила, энергия ци и так далее), который одушевляет физический объект. Хотя я не исключаю такую возможность, но никогда не встречал какого-либо подтверждения этому. Наиболее осмысленная позиция для меня состоит в том, что физические и ментальные свойства кого-либо — это не более чем проявление способа организации частиц, составляющих чьё-либо тело. Задайте возможные конфигурации, и вы определите всё на свете.16

Придерживаясь такой точки зрения, можно сделать вывод, что если известные нам конфигурации частиц повторяются в другом лоскутке — в другом космическом горизонте, — то этот лоскуток будет во всём похож на наш. Это означает, что если вселенная простирается бесконечно, то вы не одиноки в своей реакции (какой бы она не была) на эту точку зрения об окружающей действительности. В глубине космоса существует множество ваших точных копий, ведущих и чувствующих себя точно так же как вы. И не существует никакого способа сказать, какая из них — это действительно вы. Все копии физически и, следовательно, ментально тождественны.

Можно даже оценить расстояние до ближайшей копии. Если конфигурации частиц случайно распределены от лоскутка к лоскутку (такое допущение согласуется с уточнённой космологической теорией, с которой мы познакомимся в следующей главе), то можно ожидать, что условия в нашем лоскутке будут повторяться столь же часто как и в любом другом. В каждой коллекции из 1010122 космических лоскутков будет, как мы ожидаем, в среднем один лоскуток, в точности похожий на наш.

То есть в каждой области пространства размером примерно 1010122 метров в поперечнике должен находиться один лоскуток, повторяющий наш, в котором находитесь вы, Земля, галактика и всё остальное, что населяет наш космический лоскуток.

Если умерить амбиции и не искать точную копию всего космического горизонта, а удовлетворится точной копией области протяжённостью в несколько световых лет с центром, где наше Солнце, то желаемого будет достичь гораздо проще: в среднем, в каждой области размером примерно 1010100 метров в поперечнике вы обнаружите одну такую копию. Приближённые копии найти ещё проще. Более того, есть только один способ найти точную копию данной области, и множество способов найти почти точную копию. Если бы вы посетили эти приближённые копии, то обнаружили бы, что некоторые из них практически неотличимы от нашей, а отличия других варьируются от очевидного до смешного и шокирующего. Любое когда-либо принятое вами решение равносильно какой-то частной конфигурации частиц. Если вы повернули налево, ваши частицы расположились одним образом, если вы повернули направо, то частицы расположились другим образом. Если вы сказали да, частицы вашего мозга, губ и голосовых связок дали одну конфигурацию; если вы сказали нет, — то другую конфигурацию. И поэтому каждое ваше действие, каждый сделанный выбор и каждая отклонённая возможность будут проиграны в том или ином лоскутке. В каком-то из них станут реальностью ваши самые худшие страхи о себе, вашей семье и жизни на земле. В других осуществятся ваши самые дикие фантазии. А в других похожие, но всё-таки отличные конфигурации частиц приведут к совершенно неузнаваемой среде обитания. А в большинстве лоскутков среди всего многообразия частиц будут отсутствовать некоторые, в высшей степени особые конфигурации, которые мы называем живыми организмами, так что эти лоскутки будут безжизненными, или, по крайней мере, лишёнными жизни в привычном нам виде.

Размер космических лоскутков, изображённых на рис. 2.1б, со временем будет увеличиваться. По прошествии времени свет будет проникать всё дальше и дальше, так что каждый из космических лоскутков будет расти. В конце концов космические горизонты пересекутся. И когда это произойдёт, области пространства больше не будут рассматриваться как отдельные и изолированные друг от друга, параллельные перестанут быть параллельными, они сольются. Тем не менее полученный нами ранее результат будет по-прежнему справедлив. Нарисуем новую решётку космических лоскутков, размер которых определяется расстоянием, которое прошёл свет с момента Большого взрыва и по настоящее время. Лоскутки увеличатся, поэтому на картинке, подобной рис. 2.1б, центры лоскутков отодвинутся дальше друг от друга. Однако в бесконечном пространстве найдётся предостаточно места для учёта такой поправки.17

Таким образом, мы пришли к общему удивительному заключению. Для большинства из нас реалии бесконечного космоса не соответствуют нашим ожиданиям. В каждый момент времени в пространстве существует бесконечное множество отдельных миров, объединение которых я буду называть лоскутной мультивселенной, где наша Вселенная всего лишь одна из многих. Осмысливая эту бесконечную коллекцию отдельных миров, мы обнаруживаем, что конфигурации частиц обязательно повторяются бесконечное число раз. Таким образом, реальность в любой наперёд заданной вселенной, включая нашу, воспроизводится в бесконечном числе других вселенных этой лоскутной мультивселенной.18

 

И как это понимать?

 

Вывод, к которому мы пришли, может показаться настолько ошеломляющим, что возникнет желание вернуть всё на круги своя. Вы можете возразить, что причудливое устройство описанного выше мира, все эти бесконечные копии всего и всех, есть просто свидетельство ошибочности одного или нескольких допущений, что привели нас сюда.

Может ли предположение о том, что космос наполнен частицами, быть неправильным? А вдруг за пределами нашего космического горизонта находится огромная пустыня, в которой нет ничего кроме пустоты. Такое может случиться, однако теоретические измышления, необходимые для обоснования такой возможности, совершенно неубедительны. Самые осмысленные космологические теории, с которыми мы ниже познакомимся, даже близко не допускают подобного результата.

Могут ли сами физические законы быть другими за пределами нашего космического горизонта, что лишит нас возможности сколь-нибудь надёжно теоретизировать об удалённых мирах? Опять же такое возможно. Но как станет видно в следующей главе, недавно был найден убедительный аргумент, почему, несмотря на то, что законы могут быть другими, эти изменения не в силах изменить наши выводы относительно лоскутной мультивселенной.

Может ли пространственная протяжённость вселенной быть конечной? Да, может. Это определённо возможно. Если пространство конечно, но достаточно большое, то где-то там всё равно могли бы существовать какие-нибудь интересные лоскутки. Однако в довольно маленькой конечной вселенной запросто может не хватить места для размещения сколько-нибудь значительного количества разных лоскутков, не говоря уж о копиях нашей собственной Вселенной. Поэтому конечность вселенной наиболее убедительным образом противоречит существованию лоскутной мультивселенной.

Однако физики в последние несколько десятилетий в попытке применить теорию Большого взрыва к самому начальному моменту времени — и достичь более глубокого понимания происхождения Вселенной и природы первичного атома Леметра — развили подход, который называется инфляционной космологией. В рамках инфляционного подхода доводы в пользу бесконечно большого космоса не только приобрели серьёзные наблюдательные и теоретические подтверждения, но и, как мы увидим в следующей главе, привели к почти неизбежному выводу.

Более того, инфляция выводит на первый план другой, ещё более экзотический вид параллельных миров.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: