 |
Инфляционная модель Вселенной. Выбрасываем энтропию под автобус. Успешные испытания теории
|
|
|
|
Инфляционная модель Вселенной
Быстрое расширение Вселенной со скоростями, превышающими скорость света, составляет основную часть теории инфляции, предложенной физиками Аланом Гутом и Андреем Линде[146] и получившей дальнейшую разработку в исследованиях Андреаса Альбрехта, Пауля Штейнхардта и других. Они занимались вопросом об удивительной однородности Вселенной. Если мы посмотрим на расстояние в 14 миллиардов световых лет, увидим то пространство Вселенной, которое излучало сигналы 14 миллиардов лет назад. А если посмотрим в противоположном направлении, также увидим исходящее оттуда излучение, которое пропутешествовало по Вселенной те же 14 миллиардов лет.
Получается, две эти области Вселенной находятся друг от друга на расстоянии 28 миллиардов световых лет. Так что для сигнала было недостаточно времени, чтобы пройти расстояние от одного района до другого. Даже когда в начальный момент Большого взрыва эти области находились сравнительно недалеко друг от друга, они удалялись друг от друга слишком быстро, чтобы между ними мог возникнуть какой‑ то контакт. Каким же тогда образом могли они «знать», как достичь одной и той же плотности, температуры и интенсивности излучения? Как они могли стать такими похожими, если у них не было времени выровнять свои параметры? Тем не менее сигналы, которые исходят из точек Вселенной, разделенных 28 миллиардами световых лет, наблюдаются как исключительно похожие. Как это могло произойти?
Гут и Линде показали возможность, что такие удаленные точки Вселенной были расположены очень близко друг к другу в момент достаточно медленного расширения Вселенной, позволяющего им взаимодействовать. Они были довольно близки, чтобы достичь схожей температуры и плотности. Затем, согласно теории, природа вакуума очень резко изменилась, и эти точки Вселенной были разделены со скоростями, невероятно более высокими, чем скорость света. При этом они не двигались. Разделение произошло в связи с очень быстрым возникновением между ними пространства. Именно это увеличение пространства ученые назвали инфляцией. Здесь срабатывала математика. Правда, ученым пришлось постулировать новый вид поля, которое вызвало увеличение пространства. То поле, которое менялось с расширением и в конце концов остановилось в том состоянии, в котором прекратилась инфляция Вселенной. Но существование такого поля легко согласовывалось с общей теорией относительности.
|
|
|
Многие годы инфляционная теория была популярной прежде всего потому, что предлагала единственное известное решение загадки однородности Вселенной. Ответ этой теории: причиной однородности считается то, что когда‑ то все во Вселенной находилось в очень тесном контакте. Сейчас появились подтверждения других предсказаний инфляционной теории; в частности, были спрогнозированы структуры волн, которые обнаружились в микроволновом излучении. Идея инфляционного развития Вселенной стала еще более привлекательной, когда было обнаружено ускорение ее расширения.
Глава 15
Выбрасываем энтропию под автобус
Признаюсь, что сомневаюсь в разъяснениях Эддингтона по поводу стрелы времени
Общий объем неупорядоченности во Вселенной, который измеряется показателем, называемым физиками энтропией, постоянно возрастает по мере нашего продвижения из прошлого в будущее. С другой стороны, общий порядок во Вселенной, который определяется сложностью и постоянством структур, тоже постоянно возрастает по мере того, как мы движемся из прошлого в будущее.
|
|
|
Фримен Дайсон [147]
Ощущаете ли вы сейчас, что загадка стрелы времени наконец‑ то разрешена? Убедили ли вас аргументы Эддингтона и мои попытки повторить их? Или, как и многие физики, которых я об этом спрашивал, чувствуете, что не совсем уверены в них?
Должен признаться: думаю, что объяснение стрелы времени энтропией глубоко ошибочно. Написание нескольких последних глав – начиная с главы 11 – было для меня трудным делом, но я хотел дать Эддингтону все возможные шансы, прежде чем представлять свои возражения.
Существуют ли альтернативные объяснения по поводу стрелы времени? Да, существуют, причем несколько, включая возможность того, что квантовая физика, гораздо более таинственная, чем теория относительности, определяет направление стрелы. Есть иное объяснение – что направление стрелы определяется созданием нового времени тем же самым Большим взрывом, в результате которого постоянно возникает новое пространство. Не могу доказать, какое из этих объяснений истинно, но убежден, что объяснения Эддингтона ошибочны.
Есть ли способы проверить, какая из этих теорий правильная?
Успешные испытания теории
Посмотрите на Эйнштейна, чтобы понять стандарт качества теории. Создав первый вариант теории относительности, впоследствии получивший название специальной теории относительности (СТО), он сделал определенные предсказания по поводу поведения времени и длины вещей, находящихся в движении. Десять лет спустя он спрогнозировал изменение этого поведения в гравитационных полях. В 1919 году Эддингтон экспериментально подтвердил предположения Эйнштейна относительно отклонения солнечного света. Первое обнаружение эквивалентности массы‑ энергии было описано Георгием Гамовым в научном докладе 1930 года, где он указал, что «дефект массы» ядра связан с отрицательной энергией ядерных сил. Руководствуясь теорией Эйнштейна, Дирак предрек существование антивещества (позитрона), которое в 1932 году было обнаружено Карлом Андерсоном. В 1938 году Герберт Ивес и Джордж Стилвел открыли и подтвердили реальность уравнений Эйнштейна, касающихся замедления времени. Эквивалентность массы‑ энергии наблюдалась в 1940‑ х годах, когда рассматривалась взаимная аннигиляция электрона и позитрона. Все эффекты теории относительности – замедление времени, сжатие длины движущихся предметов и эквивалентность массы‑ энергии – сегодня повседневно наблюдаются в современных физических лабораториях.
|
|
|
Эйнштейн очень щепетильно относился к опровержениям своих теорий. В 1945 году между физиками возникли серьезные противоречия в определении возраста Земли (по радиоактивным скальным остаткам) и Вселенной (по расширению Хаббла). Когда Эйнштейн обновлял в тот год свою книгу The Meaning of Relativity («Основы теории относительности»), он писал:
Возраст Вселенной – в том смысле, как мы его здесь понимаем, конечно, – должен превышать возраст куска радиоактивного материала, который мы нашли в земной коре. Однако, поскольку возраст этих минеральных остатков точно и надежно определен, космологическая теория будет опровергнута, если начнет противоречить этим результатам. В этом случае я не вижу никакого разумного решения проблемы.
Эйнштейну не пришлось дезавуировать общую теорию относительности. Ошибочным оказался эксперимент, а не теория. Хаббл не признался, что перепутал две очень маленькие звезды, проводя свои измерения. После того как эта ошибка была вскрыта и выполнены новые вычисления, исправленный возраст Вселенной оказался больше возраста Земли, как и должно было быть. Но очень интересно читать через столько лет, что теория может оказаться неправильной, если числовые результаты эксперимента не изменятся.
В следующем абзаце я изложу предсказания, сделанные Эддингтоном в контексте его теории 1928 года относительно стрелы времени, включая все прогнозы, которые были сделаны позже другими теоретиками, трудившимися над этой теорией.
[Этот абзац специально оставлен пустым. ]
Пустой абзац представляет пророчества Эддингтона и других физиков, которые связывают стрелу времени с энтропией. Просто таких предсказаний нет. Современные ученые, которые разделяют теорию энтропии с ее стрелой времени, признают существование этой слабости в теории. Иногда они выказывают оптимизм по поводу того, что такие предсказания лежат буквально за ближайшим углом. Однако ко времени публикации этой книги – к 2016 году – минуло 88 лет с той поры, как Эддингтон предложил свою теорию в качестве объяснения стрелы времени. Но до сих пор не было ни одной попытки ее экспериментально подтвердить – ни законченной, ни хотя бы предложенной.
|
|
|
Или такие попытки были? Если бы были обнаружены какие‑ то связанные с теорией эффекты, они были бы широко обнародованы в доказательство правоты теории. Однако, хотя таких эффектов нет, этот отрицательный результат не рассматривается как аргумент против теории. Это потому, что теория Эддингтона не делает никаких предсказаний, а только объясняет явление. Теорию, которая ничего не предсказывает, невозможно опровергнуть. Я предлагаю, чтобы в отношении тех теорий, которые могут быть проверены, но не могут быть опровергнуты (фальсифицированы), использовался термин псевдотеории.
Если время связано с энтропией, можно ли увидеть какие‑ то проявления этой связи? В теории относительности их полно. Местная гравитация влияет на скорость хода часов. Разве локальная энтропия не должна проявляться так же? Когда ночью энтропия земной поверхности снижается, не следует ли ожидать изменений в скорости течения времени, например его локального замедления? Нет, этого не происходит. Почему? Если бы такое замедление удалось обнаружить, это, безусловно, рассматривалось бы как триумф теории Эддингтона, хотя он никогда не предсказывал таких явлений.
Согласно стандартной модели, увеличение энтропии во Вселенной определяет направление стрелы времени. Так давайте взглянем на энтропию Вселенной. Где же она?
|
|
|
