Шон Карол: Далечното време и загатване за мултивселена

Вселената е наистина огромна. Ние живеем в галактика, Млечния път. Има около сто милиарда звезди в галактиката Млечен път. И ако вземете фотоапарат и го насочите в произволна част от небето, и просто държите обектива отворен, стига само апарата да не е прикрепен към телескопа Хъбъл, ще видите нещо подобно. Всяко едно от тези малки петна е галактика приблизително с размера на Млечния път -- стотици милиарда звезди във всяко от тези петна. Има около сто милиарда галактики в наблюдаемата Вселена. 100 милиарда е единственото число, което трябва да знаете. Възрастта на Вселената, от сега до Големия взрив, е 100 милиарда кучешки години. (Смях) Което ви казва нещо за нашето място във Вселената.

Нещо, което можете да направите с картина като тази, е просто да й се възхищавате. Тя е изключително красива. Често се чудя, какъв е еволюционния подтик, който е принудил нашите предци от пасбищата да се адаптират и развият, за да започнат да се наслаждават на снимки на галактики, когато не са имали нищо подобно. Но ние също така искаме да го разберем. Като космолог, искам да попитам, защо Вселената изглежда така? Една голяма улика, която имаме е, че Вселената се променя с времето. Ако гледахте една от тези галактики и измервахте нейната скорост, тя щеше да се движи надалеч от вас. И ако се вгледате в галактика, която е дори по-отдалечена, тя ще се отдалечава много по-бързо. Така че ние казваме, че Вселената се разширява.

Това означава, разбира се, че в миналото, нещата са били по-близко разположени. В миналото Вселената била по-плътна, и също така била по-гореща. Ако притиснете нещо, температурата му се повишава. Това има смисъл за нас. Това, което няма много смисъл за нас е, че Вселената, в древни времена, близо до Големия взрив, била също много, много спокойна. Може би си мислите, че това не е изненада. Въздухът в тази стая е много спокоен. Може би си казвате: "Ами, може би нещата просто са се успокоили." Но условията по времето на Големия взрив били много, много по-различни от условията на въздуха в тази стая. По-специално, нещата били много по-сгъстени. Гравитационното притегляне на нещата било много по-силно по времето на Големия взрив.

Това, за което трябва да си мислите е, че имаме Вселена със стотици милиарди галактики, със стотици милиарди звезди всяка. В древните времена, тези стотици милиарди галактики били натъпкани в толкова голям регион -- буквално, в древни времена. И трябва да си представите да направите това притискане без никакви несъвършенства, без никакви малки петна, където имало няколко атома повече, отколкото нещо друго. Защото, ако е имало, те щели да колабират под гравитационното притегляне в огромна черна дупка. Запазването на Вселената много, много спокойна в древни времена не било лесно, това била деликатна подредба. Това е улика, че древната Вселена не е избрана случайно. Има нещо, което я е направило по този начин. Бихме искали да знаем какво.

Така че част от нашето разбиране за това ни бе дадено от Лудвиг Болцман, австрийски физик през 19 век. И приносът на Болцман бе, че той ни помогна да разберем ентропията. Чували сте за ентропията. Това е случайността, безпорядъка, хаотичността на някои системи. Болцман ни даде една формула -- гравирана на надгробната му плоча сега -- която наистина определя това, което е ентропията. И в основни линии тя ни казва, че ентропията е броя на начините, по които можем да пренаредим съставните елементи на система, така че да не забележим, така че макроскопично да изглежда същата. Ако вземем въздуха в тази стая, човек не забелязва всеки отделен атом. Конфигурация с ниска ентропия е такава, при която има само няколко подредби, които изглеждат по този начин. Подредба с висока ентропия е такава, при която има много подредби, които изглеждат по този начин. Това е изключително важно прозрение, защото то ни помага да обясним втория закон на термодинамиката -- закона, който казва, че ентропията се увеличава във Вселената, или в изолирана част на Вселената.

Причината, поради която ентропията се увеличава е просто понеже има много повече начини да бъде висока ентропия, отколкото да бъде ниска ентропия. Това е чудесно прозрение, но то пропуска нещо. Това прозрение, че ентропията нараства, между другото, стои зад онова, което наричаме времева ос (букв. стрела на времето), разликата между миналото и бъдещето. Всяка разлика, която съществува между миналото и бъдещето е понеже ентропията нараства -- факта, че можете да си спомняте миналото, но не и бъдещето. Фактът, че сте родени, а след това живеете, и после умирате, винаги в този ред, това се случва понеже ентропията нараства. Болцман обяснил, че ако започнете с ниска ентропия, било съвсем естествено тя да се увеличи, защото има повече начини да стане висока ентропия. Това, което не обяснил, било, защо ентропията била толкова ниска на първо място.

Фактът, че ентропията на Вселената била ниска, бил отражение на факта, че ранната Вселената била много, много спокойна. Бихме искали да разберем това. Това е нашата работа като космолози. За съжаление, това всъщност не е проблем, на който сме обръщали достатъчно внимание. Това не е едно от първите неща, които хората ще кажат, ако попитате модерен космолог: "Какви са проблемите, които се опитвате да решите?" Един от хората, които разбраха, че това е проблем, беше Ричард Файнман. Преди 50 години той изнесъл серия от куп различни лекции. Той изнесъл популярните лекции, които се превърнаха в "Характера на физическият закон." Той изнесъл лекциите пред студенти от бакалаварски програми в Калифорнийския технологичен институт, които се превърнаха във "Файнманови лекции по физика." Той изнесъл лекциите пред студенти от бакалаварски програми в Калифорнийския технологичен институт, които се превърнаха във "Файнманови лекции по гравитация." Във всяка от тези книги, във всяка от тези лекции, той подчертаваше тази загадка: Защо ранната Вселена е имала толкова ниска ентропия?

Той казал -- няма да имитирам акцента -- той казал: "По някаква причина Вселената, в един момент, имала много ниска ентропия в сравнение с нейното енергийно съдържание, и оттогава ентропията е нараствала. Времевата ос не може да бъде напълно разбрана, докато тайната за началото на историята на Вселената не бъде редуцирана още повече от спекулация до разбиране." Така че това е нашата работа. Искаме да знаем -- това беше преди 50 години, "Сигурно," си мислите, "ние сме разбрали това до сега." Не е вярно, че сме го разбрали до сега.

Причината, поради която проблема стана по-зле, вместо по-добре, беше понеже през 1998 година ние научихме нещо значимо за Вселената, което не знаехме преди това. Научихме, че тя се ускорява. Вселената не само се разширява. Ако се вгледате в галактиката, тя се отдалечава. Ако се върнете след един милиард години и я погледнете отново, тя ще се отдалечава още по-бързо. Индивидуални галактики се отдалечават от нас все по-бързо и по-бързо. Така че ние казваме, че Вселената се ускорява. За разлика от ниската ентропия на ранната Вселена, въпреки че не знаем отговора на това, поне имаме добра теория, която може да го обясни, ако тази теория е правилна, и това е теорията за тъмната енергия. Това е просто идеята, че самото празно пространство има енергия.

И в най-малкия кубически сантиметър от пространството, независимо дали има нещо, или не, независимо дали има частици, материя, радиация или подобни неща, все още има енергия, дори в самото пространство. И тази енергия, според Айнщайн, оказва натиск върху Вселената. Това е постоянен импулс, който раздалечава галактиките една от друга. Защото тъмната енергия, за разлика от радиацията, не се разрежда докато Вселената се разширява. Количеството енергия във всеки кубически сантиметър остава същото, дори когато Вселената става все по-голяма и по-голяма. Това има значими последици, за това, което Вселената ще прави в бъдеще. От една страна, Вселената ще се разширява вечно.

Когато бях на вашите години, ние не знаехме какво щеше да прави Вселената. Някои хора мислеха, че Вселената ще колабира обратно в бъдеще. Айнщайн подкрепяше тази идея. Но ако има тъмна енергия, и тъмната енергия не изчезва, Вселената просто ще продължи да се разширява за вечни времена. 14 милиарда години в миналото, 100 милиарда кучешки години, но безкраен брой години напред в бъдещето. В същото време, за всички намерения и цели, пространството ни се струва ограничено. Пространството може да е крайно или безкрайно, но понеже Вселената се ускорява, има части от него, които не можем да видим и никога няма да видим. Има ограничен регион от пространството, до който имаме достъп, заобиколен от хоризонт. Така че, въпреки че времето е вечно, пространството е ограничено за нас. И накрая, празното пространство има температура.

През 70-те години Стивън Хокинг ни каза, че черната дупка, въпреки че си мислим, че е черна, всъщност излъчва радиация, когато вземем под внимание квантовата механика. Кривината на пространство-времето около черната дупка вдъхва живот на квантовите механични колебания, и черната дупка излъчва. Подобно изчисления на Хокинг и Гари Гибънс показаха, че ако има тъмна енергия в празно пространство, тогава цялата Вселена излъчва. Енергията на празното пространство вдъхва живот на квантови колебания. И така, въпреки че Вселената ще продължи вечно, и обикновената материя и радиацията ще се разредят, винаги ще има някаква радиация, някакви термални колебания, дори и в празното пространство. Така че това означава, че Вселената е като кутия с газ, която трае вечно. Добре, а какво е последствието от това?

Последствието беше изследвано от Болцман още през 19-ти век. Той казал, добре, ентропията се увеличава, защото има неимоверно много повече начини за Вселената да е с висока ентропия, отколкото с ниска ентропия. Но това е вероятностно твърдение. Ентропията вероятно ще нараства, и вероятността е изключително голяма. Това не е нещо, за което трябва да се притеснявате -- въздуха в тази зала да се събере в една част на залата и да ни задуши. Това е много, много малко вероятно. Освен ако не заключат вратите и ни държат тук буквално завинаги, тогава това ще се случи. Всичко, което е разрешено, всяка конфигурация, която може да бъде получена от молекулите в тази зала, в крайна сметка ще се получи.

Така че Болцман казва, вижте, може да започнете с Вселена, която е в термално равновесие. Той не знаел за Големия взрив. Той не знаел за разширяването на Вселената. Той смятал, че пространството и времето били обяснени от Исак Нютон -- те били абсолютни, те просто били там завинаги. Така че идеята му за естествена Вселена, била за такава, в която въздушните молекули са само разпрострени равномерно навсякъде -- молекулите за всичко. Но ако сте Болцман, ще знаете, че ако чакате достатъчно дълго, случайните колебания на тези молекули от време на време ще ги приведат в конфигурации с по-ниска ентропия. И после, разбира се, следвайки естествения ход на нещата, те ще се разширят обратно. Така че, ентропията не винаги трябва да се увеличава -- може да се получат колебания в по-ниска ентропия, по-организирани ситуации.

Ами, ако това е вярно, тогава Болцман измисля две много модерно звучащи идеи -- мултивселената и антропния принцип. Той казва, че проблемът с термалното равновесие е, че ние не можем да живеем там. Не забравяйте, че самият живот зависи от времевата ос. Няма да бъдем в състояние да обработваме информация, метаболизираме, ходим и говорим, ако живеехме в термално равновесие. Така че, ако си представим една много, много голяма Вселена, безкрайно голяма Вселена, с произволно удрящи се една в друга частици, от време на време ще има малки колебания в ниските нива на ентропията, и после те ще се отпускат обратно. Но ще има и големи колебания. От време на време, ще направите планета, или звезда, или галактика, или стотици милиарди галактики. Така че, Болцман казва, ние ще живеем само в частта от мултивселената, в частта на този безкрайно голям набор от колебаещи се частици, където животът е възможен. Това е региона, където ентропията е ниска. Може би нашата Вселена е едно от тези неща, което се случват от време на време.

Вашата домашна работа е наистина да помислите над това, да помислите какво означава това. Карл Сейгън каза нещо, което стана популярно, че "за да се направи ябълков пай, първо трябва да се измисли Вселената." Но той не беше прав. В сценария на Болцман, ако искате да направите ябълков пай, просто трябва да чакате за случайно движение на атомите, които да ви направят ябълков пай. Това ще стане много по-често, от произволното движение на атоми, които да ви направят ябълкова овощна градина, и малко захар и фурна, и после да ви направят ябълков пай. Така че този сценарий прави прогнози. И прогнозите са, че колебанията, които ни правят са минимални. Дори и да си представим, че тази зала, в която се намираме в момента съществува и е реална и ние сме тук, и имаме, не само нашите спомени, но и впечатлението, че има нещо навън, наречено Калифорнийски технологичен институт и Съединените щати и галактиката Млечен път, е много по-лесно всички тези впечатления случайно да се колебаят в мозъка ви, отколкото те да варират произволно в Калтех, САЩ и галактиката.

Добрата новина е, че следователно този сценарий не работи, той не е правилен. Този сценарий предвижда, че трябва да има минимално колебание. Дори и ако напуснем нашата галактика, няма да имаме стотици милиарди други галактики. И Файнман също разбрал това. Файнман казал: "От хипотезата, че светът е колебание, всички прогнози са, че ако погледнем част от света, която никога не сме виждали преди, ще я намерим объркана, и няма да е като частите, които току-що видяхме -- висока ентропия. Ако нашия порядък се дължи на колебание, няма да очакваме порядък никъде, освен където току-що сме го забелязали. Ето защо заключаваме, че Вселената не е колебание." Това е добре. Тогава възниква въпросът какъв е правилният отговор? Ако Вселената не е колебание, защо тогава ранната Вселената е имала ниска ентропия? И бих искал да мога да ви отговоря, но ми свършва времето.

(Смях)

Тук е Вселената, за която ви разказваме, в сравнение с Вселената, която наистина съществува. Току-що ви показах тази снимка. Вселената се разширява през последните 10 милиарда години. Тя се охлажда. Но вече знаем достатъчно за бъдещето на Вселената, за да кажем много повече. Ако тъмната енергия остане наоколо, звездите около нас ще използват ядреното си гориво, те ще спрат да горят. Ще се превърнат в черни дупки. Ще живеем във Вселена с нищо друго в нея, освен черни дупки. Тази Вселена ще продължи до 10 на 100-на степен години -- много повече, отколкото нашата малка Вселена е живяла. Бъдещето е много по-дълго, отколкото миналото. Но дори и черните дупки не са вечни. Те ще се изпарят, и ние ще останем с нищо друго, освен празно пространство. Това празно пространство ще продължи, по същество, завинаги. Обаче, ще забележите, тъй като празното пространство излъчва радиация, всъщност има термални колебания, и те се изреждат в различните възможни комбинации на степени на свобода, които съществуват в празното пространство. Така че, въпреки че Вселената ще трае вечно, има само краен брой неща, които могат да се случат евентуално във Вселената. Всички те ще се случат през период от време, който се равнява на 10 на 10-та на 120-та степен години.

Ето два въпроса към вас. Номер едно: Ако Вселената продължава 10 на 10-та на 120-та години, защо сме родени през първите 14 милиарда години на нея, в топлото, комфортно сияния на Големия взрив? Защо не сме в празно пространство? Може да си кажете: "Ами тогава няма да има нищо, от което да живеем," но това не е правилно. Може да бъдете случайно колебание в нищото. Защо не сте това? Още домашна работа за вас.

Така че, както казах, всъщност не знам отговора. Ще ви представя моя любим сценарий. Или това е просто ей така. Няма обяснение. Това е бруталния факт за Вселената, който трябва да се научите да приемате и да спрете да задавате въпроси. Или може би Големия взрив не е началото на Вселената. Едно яйце, здраво яйце, е конфигурация с ниска ентропия, и въпреки това, когато отворим хладилника, ние не казваме: "Ха, колко чудно е, че тази конфигурация с ниска ентропия е в нашия хладилник." Това е понеже яйцето не е затворена система; тя идва от пиле. Може би Вселената идва от универсално пиле. Може би има нещо, което по естествен начин, чрез развитието на законите на физиката, дава живот на Вселена като нашата, в конфигурации с ниска ентропия. Ако това е вярно, това ще се случи повече от веднъж; ние ще бъдем част от много по-голяма мултивселена. Това е любимият ми сценарий.

Организаторите ме помолиха да завърша със смела спекулация. Моята смела спекулация е, че ще бъда безусловно оправдан от историята. И след 50 години, всичките ми смели идеи ще бъдат приети като истини от научната и външната общности. Всички ние ще се смятаме, че нашата малка Вселена е просто малка част от много по-голяма мултивселена. И нещо повече, ние ще разберем какво се е случило през Големия взрив, по отношение на теорията, която ще бъдем в състояние да се сравним с наблюденията. Това е предсказание. Може и да греша. Но ние, като човешка раса, си мислим за това, каква е била Вселената, защо се е образувала по този начин, в течение на много, много години. Вълнуващо е да си мислим, че накрая може да знаем отговора някой ден.

Благодаря ви.

(Ръкопляскане)