Млечный Путь №2 (5) 2013 - Страница 64
Сам Пенроуз вот уже более 30 лет разрабатывает теорию твисторов – объектов и содержащих их миров, на фундаментальном уровне которых имеются только безмассовые кванты (например, фотоны – кванты света). Теория твисторов еще далека от завершения, но уже ясно – на ее основе можно представить физическую реальность, состоящую из «вневременных» сущностей.
Но как эти «плоские круги», Большие взрывы и Большие схлопывания – мгновенные сечения бесконечного цилиндра Бытия – связаны с нашим «реальным» физическим миром?
Проблема понимания физической природы Больших взрывов в теории ССС оказалась тесно связанной с такой знаменитой задачей физики элементарных частиц, как поиск бозона Хиггса. И достигнутый на Большом Адронном Коллайдере успех, о котором мы рассказали в №3-2012 нашего журнала, фактически решил ее. Действительно, согласно Стандартной космологической модели в ранние эпохи своего существования наша Вселенная была «горячей», и чем более ранний отрезок ее эволюции мы рассматриваем, тем температура была выше. Очевидно, что на каком-то очень раннем этапе она была такова, что поле Хиггса не взаимодействовало с безмассовыми частицами («эмбрионами» электронов, протонов и т. д.) и в нашей Вселенной (в «нашем эоне») не было частиц, имеющих отличную от нуля массу. И только при охлаждении до критической температуры начала взаимодействия поля Хиггса с безмассовыми частицами во Вселенной появились реальные электроны, протоны и другие массивные частицы и возникло время! Именно эта температура и соответствует тому, что мы называем Большим взрывом.
Вот почему «инфляционное расширение» – это, по логике Пенроуза, вневременной процесс ДО Большого взрыва. С этой точки зрения такой процесс заканчивается Большим взрывом. Во второй половине позапрошлого века Козьма Прутков спрашивал: «Где начало того конца, которым оканчивается начало?» И в то время такой вопрос был чистой схоластикой. А сегодня Пенроуз дал на него конкретный ответ: начало нашей Вселенной оканчивается Большим взрывом.
И, вероятно, именно поэтому сам сэр Роджер «с недоверием» относится к современным инфляционным моделям, в которых инфляция описывается как весьма короткий (от 10-42 до 10-36 секунды ПОСЛЕ Большого взрыва), но все-таки временной процесс. Так что процесс конформного «растягивания» пространственной сингулярности в объект вселенского масштаба – это не инфляция, но, по выражению Пенроуза, «то, что выполняет задачи, которые решает инфляция». Это тот самый маленький «перевернутый колокольчик», который не удается изобразить на картинке совместно с большим колокольчиком эволюционной истории нашей Вселенной из-за чудовищного различия их временных масштабов.
Очень важное свойство сечения цилиндра Вечности окружностью Большого взрыва состоит в том, что это сечение должно обладать очень низкой энтропией. «Большой взрыв – это очень-очень организованная форма материи!» – говорит Пенроуз. Иначе в ходе дальнейшей временной эволюции во Вселенной не выполнялся бы Второй закон термодинамики. А этот фундаментальный физический постулат даже в экстравагантной теории ССС Пенроуз оставляет справедливым. Теория черных дыр предсказывает колоссальный рост энтропии при образовании этих объектов. Причина их возникновения – гравитация. Но это значит, что при Большом взрыве гравитация каким-то образом «не могла активироваться». И это – одна из величайших загадок космологии – загадка «разноэнтропийных сингулярностей»: почему сингулярность Большого взрыва низкоэнтропийна, а сингулярности черных дыр – высокоэнтропийны?
«Над этим мало кто из космологов задумывался», – сказал Пенроуз, и я увидел, как эти слова великого математика воодушевили нескольких молодых слушателей, которые, не найдя свободных кресел в зрительном зале, не ушли в фойе к экранам телевизоров, а, подобравшись к самой трибуне, за которой в нескольких метрах от них говорил САМ сэр Роджер, слушали лекцию стоя, прижавшись к стене у края сцены!
Перейдем теперь, вслед за сэром Роджером, к рассмотрению Больших схлопываний.
Отметим прежде всего, что схлопывание эона со структурой, подобной той, которую имеет сегодня наша Вселенная, невозможно – ведь тогда в конечную сингулярность попадут и существующие сегодня и возникающие в процессе «стягивания» перед схлопыванием Вселенной новые черные дыры, а их энтропия колоссальна! И энтропия конечной сингулярности тоже будет колоссальной, а для возникновения следующего эона она должна быть очень маленькой. (Это одно из следствий «загадки разноэнтропийных сингулярностей», о которой и говорил Пенроуз.)
Какова же будет структура эона перед схлопыванием? И как долго его ждать? Попробуем оценить время жизни эона.
Нынешняя эволюция, которая после Большого взрыва прошла фазы «горячей вселенной», возникновения атомов, роста гравитационных флуктуаций с образованием звезд, галактик, первых массивных черных дыр, «сегодня» находится на этапе господства скоплений и сверхскоплений галактик. А в очень отдаленном будущем все массивные объекты нашей Вселенной неизбежно окажутся черными дырами. Сейчас процесс перехода вещества в состояние черной дыры идет в ядрах галактик. Это очень медленный процесс, в котором миллиарды лет играют роль мгновений, но все-таки неуклонный и, в соответствии со Вторым законом термодинамики, необратимый – черные дыры растут непрерывно, постепенно поглощая свет, атомы, планетные системы вместе со звездами и практически ничего не выбрасывая наружу.
Оговорка «почти» говорит о том, что это «ничего» не абсолютно, и связана с тем, что, согласно расчетам С. Хокинга, черные дыры не являются абсолютно холодными, а имеют температуру и, как всякие нагретые тела, излучают энергию. Как оказалось, чем больше масса черной дыры, тем ее температура ниже. И сегодня самые маленькие и легонькие из известных черных дыр (порядка массы Солнца) являются самыми «горячими», имея температуру, сравнимую с самыми низкими температурами, полученными в лабораториях. А это – миллиардные доли Кельвина. Конечно, тепловое излучение таких объектов ничтожно. Температура же микроволнового излучения, заполняющего Вселенную сегодня, – 2,7К. Так что это излучение передает энергию черным дырам, тем самым охлаждая их. Но расширение Вселенной приводит к такому падению температуры самого реликтового излучения, что когда-то (очень не скоро) все-таки наступит момент, когда фоновое реликтовое излучение станет холоднее черных дыр, они станут излучать энергию в окружающую среду и испаряться при этом. По оценке Пенроуза полное испарение произойдет через гугол (10100!) лет после этого.
И настанет «очень скучная эпоха»: во Вселенной нет почти ничего, кроме фотонов, которые «уныло растягиваются» расширяющимся пространством пустой Вселенной…
Конечно, дотошные (и глазастые!) критики обязательно укажут на это коварное «почти», которое на физическом языке означает, что кроме фотонов в эту «унылую эпоху» попадут и некоторые массивные частицы. Прежде всего, это электроны (их будет очень немного, ведь в основном они задолго до этой эпохи упадут на черные дыры, но они обязательно будут) и нейтрино, которых гораздо больше. Правда, недавно было надежно установлено, что масса нейтрино не превышает одной миллионной массы электрона. Возможны и совсем маленькие примеси других частиц (например, позитронов). Да и недавно «изобретенную» темную материю сбрасывать со счета никак нельзя – ее, по гипотетическим предположениям, впятеро больше по массе всей остальной известной материи в современной Вселенной. Да, конечно, и природа темной материи, и ее устойчивость на протяжении гуголов лет «темна сугубо», но если эта материя все-таки есть, то уж массой она обладает точно! Так что, как бы ни была мала суммарная масса покоя сосуществующих с фотонами массивных частиц, сам факт их существования означает, что и в этой фазе «унылой эпохи» будущей Вселенной будут «тикающие часы». Событий в такой Вселенной нет – при таких низких температурах и энергиях все взаимодействия «замерзли», но время все-таки течет, и эон, расширяясь, охлаждается.