Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

при коллапсе Вселенной. Но не в сингулярности Пенроуз видит главную проблему циклической космологии. Пусть существует какой-то, пусть квантовый, механизм, который предотвращает сингулярность и вызывает Большой взрыв. Ключевая проблема, которую постоянно обсуждает Пенроуз, лежит еще глубже: это проблема уменьшения энтропии при переходе от сжатия к расширению. Действительно, при сжатии Вселенной ее неоднородность растет из-за приливных сил и образования черных дыр. Пенроуз первым отметил, что при таком коллапсе образуется и самая крупная черная дыра. В конце коллапса материя Вселенной погружается в хаос и разогревается до высоких температур, которые разрушают даже ядра атомов. Энтропия мира достигает своего максимума. Зато после Большого взрыва мы видим разлетающуюся материю с низкой энтропией, о чем говорит высокая однородность реликтового излучения, рожденного веществом Вселенной всего спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Это резкое падение энтропии, противоречащее второму закону термодинамики, и является главной проблемой, с которой борется Пенроуз.

Он предложил следующий выход: пусть Вселенная расширяется бесконечно — то есть настолько долго, что даже сверхмассивные черные дыры успевают испариться по механизму Хокинга. Пенроуз полагает, что массы элементарных частиц тоже уменьшаются, при этом протоны и электроны должны быть нестабильны. В бесконечно удаленный момент времени Вселенная будет представлять собой однородный газ из фотонов с низкой энтропией. Если во Вселенной нет частиц, из которых можно построить часы и рулетку, чтобы измерить время и пространство, то, как считает Пенроуз, исчезает всякая разница между огромной и маленькой Вселенной. В этот момент Пенроуз применяет к Вселенной оператор конформного преобразования. В геометрии такое преобразование пространства сохраняет форму фигур, которые были в этом пространстве. Оператор Пенроуза резко уменьшает размер Вселенной — вплоть до такого малого объема, который будет снова расширяться в Большом взрыве. Пенроуз не знает механизма такого резкого уменьшения размеров Вселенной, зато в его модели постулируется низкая энтропия перед Большим взрывом и парадоксальный скачок энтропии исчезает.

Вряд ли волшебный оператор Пенроуза существует в реальности. Решение энтропийного парадокса Пенроуза можно найти в рамках развиваемой нами космологии. Безусловно, что энтропия Вселенной при коллапсе растет, потому что все больше потенциальной и кинетической энергии движения галактик переходит в тепловую энергию — пока Вселенная не превратится в квази-однородный раскаленный шар из гамма-квантов и барионов с примесью электронов и нейтрино. В этот шар вкраплены черные дыры, которые тоже растут при коллапсе Вселенной за счет аккреции окружающего вещества и увеличивают свою энтропию. Как перейти от этого высокоэнтропийного состояния сжимающейся неоднородной Вселенной к низкоэнтропийному состоянию расширяющейся однородной Вселенной? Задача выглядит неразрешимой, но если мы имеем дело с природным процессом, то нужно учитывать, что природа всегда находит решение неразрешимых задач.

Большой взрыв и низкая энтропия расширяющегося однородного огненного шара оплачена резким ростом энтропии популяции черных дыр. Сливающиеся черные дыры вызывают антигравитацию, которая разворачивает коллапс вещества и одновременно скачком увеличивают свою, а следовательно, и общую энтропию Вселенной. Благодаря этому «самопожертованию» черных дыр энтропия огненного шара из барионов и излучения оказывается низкой. Аналогия: пусть на Земле стоит ракета с пороховым двигателем, обладающая определенной энтропией. Когда двигатель заработает, то ракета взлетит. Ее собственная энтропия уменьшится благодаря тому, что порох сгорел, то есть перешел в высокоэнтропийное состояние в виде пороховых газов. Так и Вселенная «взлетает» в момент Большого взрыва, используя сливающиеся черные дыры как топливо. Наблюдаемая в телескопы часть Вселенной из излучения, газа и звезд приобретает низкую энтропию полета благодаря тому, что невидимые черные дыры резко увеличивают свою энтропию. Их роль в общей картине мира долго не замечалась, поэтому и возник парадокс резкого сброса энтропии во Вселенной при переходе от Большого сжатия к Большому взрыву. На самом деле речь может идти лишь об уменьшении энтропии наблюдаемой среды из излучения и барионов. Суммарная энтропия Вселенной, подчиняясь второму закону термодинамики, выросла при Большом взрыве из-за роста энтропии популяции черных дыр. Самым большим носителем энтропии в этой популяции стала Большая Черная Дыра, которая играет ключевую роль в дальнейшей динамике Вселенной.

Часть IV. Предсказания и подтверждения циклической космологии

Вселенная начинает свое существование из сверхплотного и сверхгорячего состояния, расширяется до максимальных размеров, а затем снова сжимается и коллапсирует — никогда более не делалось предсказания, внушающего столь благоговейное чувство.

Ч. Мизнер, К. Торн и Дж. Уилер (1973)

Глава 14. Эмпирические тесты новой модели

Каждое опровержение следует рассматривать как большой успех, и успех не только того ученого, который опроверг теорию, но также и того ученого, который создал опровергнутую теорию и тем самым первым, хотя бы и косвенно, предложил опровергающий эксперимент.

Карл Поппер (1963)

Любые теории ценны не сами по себе, а лишь как способ объяснения наблюдаемых явлений. Если самые красивые физические теории не согласуются с наблюдениями, то их научная ценность равна нулю. Но сопоставление теории с наблюдениями (или экспериментами) вовсе не такая простая вещь, как может показаться на первый взгляд.

14.1. Критерии Поппера: неопровергаемая теория ошибочна

Астрологи... не обращают никакого внимания на неблагоприятные для них примеры. Более того, делая свои интерпретации и пророчества достаточно неопределенными, они способны объяснить все, что могло бы оказаться опровержением их теории, если бы она и вытекающие из нее пророчества были более точными. Чтобы избежать фальсификации, они разрушают проверяемость своих теорий. Это обычный трюк всех прорицателей: предсказывать события так неопределенно, чтобы предсказания всегда сбывались, то есть чтобы они были неопровержимы.

Карл Поппер (1963)

Квантовая космология и, в частности, теория инфляции исходят из смелой гипотезы, что динамика Вселенной определяется еще неоткрытыми квантовыми полями и частицами. Несмотря на усилия тысяч ученых и потраченные миллиарды долларов, не было получено ни одного прямого экспериментального подтверждения существования таких полей и частиц, а также не удалось убедительно обосновать эту гипотезу с точки зрения теории. Наука старается объяснить непонятное с помощью известного, поэтому многим ученым трудно согласиться с тем, что в квантовой космологии одно непонятное объясняется другим, еще более загадочным и запутанным. Из-за такого нагромождения тайн Вселенная стала часто рассматриваться как неимоверно сложный объект. Королевский астроном барон Мартин Рис в одном из интервью уныло сказал, что люди со своими слабыми мозгами, может быть, никогда не узнают, как на самом деле устроена Вселенная — как мартышки, которые обречены на непонимание теории Эйнштейна.

Глубокий мыслитель и философ Карл Поппер (1902–1994) выдвинул критерии, которым должна удовлетворять успешная научная теория. Он писал в 1963 году: «...мы требуем,