Может ли Вселенная быть конечной?

ОПо последним оценкам, наблюдаемая Вселенная — та часть Вселенной, которую мы можем обнаружить в наши телескопы — простирается примерно на 47 миллиардов световых лет во всех направлениях. Но предел того, что мы можем видеть, — это одно, а предел того, что существует, — совсем другое. Было бы замечательно, если бы Вселенная остановилась точно на краю того, что мы можем видеть. Во-первых, это, как ни удивительно и не по-Коперникански, поставило бы нас точно в центр.

Но даже если допустить, что радиус Вселенной, скорее всего, превышает 47 миллиардов световых лет, из этого не следует, что она бесконечна. Это может быть конечным. Но если она конечна, тогда должно быть верно одно из двух: либо Вселенная должна иметь границу или край, либо у нее должен быть закрытая топология.

Не абсурдно думать, что у Вселенной может быть край. Космологи-теоретики обычно рассматривают гипотетические конечные вселенные с границами, на которых пространство внезапно заканчивается. Однако такие вселенные требуют дополнительных космологических предположений, для которых нет прямой поддержки — предположений об условиях, если таковые имеются, при которых эти границы могут измениться, а также предположений о том, что произойдет с объектами или световыми лучами, достигающими этих границ.

Конечная Вселенная может иметь границы, на которых пространство внезапно заканчивается.

Также не абсурдно думать, что Вселенная может иметь закрытую топологию. Под этим мы подразумеваем, что на расстояниях, слишком больших для того, чтобы мы могли их видеть, пространство по сути повторяется, так что частица или сигнал, прошедшая достаточно далеко, в конечном итоге возвращается в ту пространственную область, из которой она началась – например, когда Pac-Man выходит из одного сторону телеэкрана, он снова появляется с другой стороны. Однако в настоящее время нет доказательств того, что Вселенная имеет закрытую топологию.

Ведущие космологи, в том числе Алексей Виленкин, Макс Тегмарки Андрей Линде утверждали, что пространственная бесконечность является естественным следствием лучших современных теорий космической инфляции. Учитывая это, а также отсутствие доказательств существования реберной или закрытой топологии, бесконечность кажется разумным представлением по умолчанию. Всего 47 миллиардов световых лет, которые мы видим, — это мельчайшая точка или капля в бесконечном пространстве.

лДавайте назовем любую галактику со звездами, планетами и законами природы, подобными нашей, родственная галактика. Насколько похожей должна быть галактика, чтобы ее можно было считать родственной, мы оставим неустановленным, но мы не претендуем на высокое сходство. Андромеда достаточно родственна, как, вероятно, и большинство других сотен миллиардов обычных галактик, которые мы можем видеть в настоящее время.

Ограниченность скорости света означает, что когда мы смотрим на эти далекие галактики, мы видим их такими, какими они были в более ранние периоды истории Вселенной. Принимая во внимание эту временную задержку, законы природы, похоже, не различаются в удаленных от нас регионах наблюдаемой Вселенной. Точно так же галактики не кажутся более редкими или по-разному структурированными в том или ином направлении. Куда бы мы ни посмотрели, мы видим более или менее одно и то же. Эти наблюдения помогают обосновать Принцип Коперника, который является рабочей гипотезой о том, что наше положение во Вселенной не является особенным или необычным — например, не точный центр и не одно странное место, в котором находится галактика, действующая по особым законам, которые не держи где-то еще.

Тем не менее, наша наблюдаемая Вселенная может быть нетипичной областью бесконечной Вселенной. Возможно, где-то за пределами того, что мы видим, разные формы элементарной материи могут подчиняться разным законам физики. Возможно, гравитационная постоянная немного другая. Возможно, существуют разные типы фундаментальных частиц. Еще более радикально то, что другие регионы могут не состоять из трехмерного пространства в той форме, в которой мы его знаем. Некоторые версии теории струн и инфляционной космологии предсказывают именно такую ​​изменчивость.

Но даже если наш регион в некоторых отношениях необычен, он может быть настолько общим, что существует бесконечно много других регионов, подобных ему, даже если только один регион из 10⁵⁰⁰. Опять же, это довольно стандартная точка зрения среди спекулятивных космологов, которая хорошо согласуется с прямыми интерпретациями ведущих космологических теорий. Конечно, вряд ли можно быть уверенным. Возможно, мы находимся в уникально интересном месте! Но мы предполагаем, что это не так. В бескрайнем космосе бесконечно много областей, похожих на нашу, с тремя пространственными измерениями, частицами, которые примерно подчиняются «Стандартной модели» физики элементарных частиц, и скоплением за скоплением родственных галактик.

При сделанных до сих пор предположениях Принцип Коперника предполагает, что в одной галактике существует бесконечно много родственных галактик. космический отношения с нами, что означает, что они существуют в пространственно-временных регионах, примерно одновременных с нашими (в некоторой системе отсчета). Мы увидим прошлую историю некоторых из этих одновременно существующих родственных галактик, большинство из которых, как мы предполагаем, продолжают существовать. Однако это отдельный вопрос, существует ли в одной галактике также бесконечно много родственных галактик. подобный времени отношение к нам, точнее, существующее в нашем будущем. Существует ли бесконечно много родственных галактик в пространственно-временных местоположениях, которые, по крайней мере в принципе, в конечном итоге достижимы для частиц, происходящих из нашей галактики? (Если формулировки этого абзаца кажутся запутанными, то это связано с причудливостью теории относительности, которая не позволяет нам использовать слова «прошлое», «настоящее» и «будущее» обычным, здравым смыслом.)

Размышление о том, будет ли бесконечно много родственных галактик существовать в будущем, требует размышлений о тепловой смерти. Звезды имеют ограниченное время жизни. Если стандартная физическая теория верна, то в конечном итоге все звезды, которые мы видим в настоящее время, сгорят. Некоторые из этих сгоревших звезд внесут свой вклад в будущие поколения звезд, которые, в свою очередь, сгорят. Другие звезды станут черными дырами, но затем и эти черные дыры в конечном итоге рассеются (из-за излучения Хокинга).

При наличии достаточного количества времени, если предположить, что законы физики, как мы их понимаем, продолжат действовать, и если предположить, что в отдаленном будущем все не рухнет снова в результате «Большого сжатия», стандартная точка зрения состоит в том, что все, что мы видим в настоящее время, неизбежно войдет в нашу жизнь. тонкое, скучное состояние с высокой энтропией, близкое к равновесию — тепловая смерть. Представьте себе почти пустую тьму, в которой частицы распределены более или менее равномерно, а сгустки материи размером с камень встречаются редко.

Но что происходит после тепловая смерть? Это, конечно, еще более отдаленный и менее проверяемый вопрос, чем вопрос о том, неизбежна ли тепловая смерть. Это требует экстраполяции далеко за пределы нашего нынешнего опыта. Но тем не менее мы можем строить предположения, основываясь на стандартных на данный момент предположениях. Давайте подумаем об этом как можно разумнее. Вот наше лучшее предположение, основанное на стандартной теории, от Людвиг Больцманн по крайней мере, через некоторые временные фрагменты Шона Кэрролла.

Вселенная может схлопнуться сама в себя в результате Большого сжатия, за которым последует еще один Большой взрыв.

Для этого умозрительного упражнения мы предположим, что знаменитое вероятностное поведение квантовых систем присуще самим системам, сохраняется после тепловой смерти и не требует проведения измерений внешними наблюдателями. Это согласуется с большинством современных подходов к квантовой теории (включая большинство подходов многих миров, подходы объективного коллапса и механику Бома). Однако это несовместимо с теориями, согласно которым вероятностное поведение требует внешних наблюдателей (некоторые версии «копенгагенской интерпретации»), и теориями, согласно которым Вселенная после тепловой смерти неизбежно занимала бы стационарное основное состояние. Согласно этому предположению, стандартные вероятностные теории того, что происходит в условиях высокой энтропии, близких к вакууму, продолжают применяться после тепловой смерти. Точнее, Вселенная будет продолжать поддерживать случайные колебания фотонов, протонов и любых других частиц, которые останутся. Следовательно, время от времени эти частицы случайно будут принимать маловероятные конфигурации. Это предсказывается как стандартной статистической механикой, так и стандартной квантовой механикой. После тепловой смерти семь частиц иногда случайно сходятся в одной и той же небольшой области. Или 700. Или – очень редко! – 7 триллионов.

Кажется, не существует принципиального предела того, насколько велики могут быть такие случайные колебания или что они могут содержать, если проходят через правильные промежуточные фазы. Подождите достаточно долго, и должны произойти чрезвычайно большие колебания. Если предположить, что Вселенная существует бесконечно, а не имеет временной границы или образует замкнутый цикл, чему нет никаких доказательств, тогда в конечном итоге некоторые случайные колебания должны привести к тому, что в мозгу появятся космологические мысли. Подождите еще, и в конечном итоге какое-то случайное колебание создаст, как предположил Больцман, целую галактику. Если галактика достаточно похожа на нашу, это будет родственная галактика. Подождите еще дольше, и возникнет еще одна родственная галактика, и еще, и еще…

Для полноты предположим, что после некоторого момента после тепловой смерти скорость, с которой возникают системы размером с галактику, систематически не уменьшается. Существует некоторая минимальная вероятность флуктуаций размера галактики, а не постоянно уменьшающаяся вероятность с все более и более длинными средними интервалами между галактиками. Флуктуации возникают через длительные промежутки времени по случайности, затем через какой-то короткий, а иногда и длительный период снова превращаются в хаос, и область возвращается в состояние тепловой смерти с той же малой вероятностью больших флуктуаций, что и раньше. Огромные отрезки времени будут перемежаться редкими событиями интересной сложности, даже размером с галактику.

Конечно, все может быть не так. Мы, конечно, не можем доказывать что Вселенная устроена так. Но, несмотря на странность, которая, по понятным причинам, заставляет некоторых людей колебаться, общая картина, которую мы описали, кажется наиболее простым следствием стандартной физической теории, взятой из коробки, без особых искажений.

Даже если это конкретное предположение ошибочно, существует множество других способов, которыми космос может создать бесконечное количество родственных галактик в будущем. Например, какой-то процесс может гарантировать, что мы никогда не вступим в тепловую смерть и каким-то образом продолжат рождаться новые галактики.

Альтернативно, процессы, происходящие перед тепловой смертью, такие как образование черных дыр, могут привести к новым взрывам или космическим инфляции, пространственно-временно не связанным или минимально связанным с нашей Вселенной, и в результате этих новых взрывов или инфляции могут родиться новые звезды и галактики. во многом так же, как наши знакомые звезды и галактики родились в результате нашего знакомого Большого Взрыва.

В зависимости от того, что представляет собой «вселенную» и релятивистски определяемое «времяподобное» отношение между нашей пространственно-временной областью и некоторой будущей пространственно-временной областью, эти родственные галактики могут не существовать в нашей Вселенной или находиться в нашем будущем, технически говоря, но если это так, то эта деталь не имеет значения для нашей основной идеи. Точно так же, если наблюдаемая Вселенная обратит свое расширение вспять, она может схлопнуться сама в себя в результате Большого сжатия, за которым последует еще один Большой взрыв, и так далее в бесконечно повторяющемся цикле, содержащем бесконечное количество сестринских галактик после сжатия. В настоящее время это не является общепринятой точкой зрения, но это заметная и влиятельная альтернатива, если описанный выше сценарий тепловой смерти ошибочен.

Мы приходим к выводу, что разумно думать, что Вселенная бесконечна и что существует бесконечно много галактик, подобных нашей, разбросанных в пространстве и времени, в том числе и в нашем будущем. Это правдоподобное прочтение нашей космологической ситуации. Это достойная догадка, и, по крайней мере, к ней стоит отнестись серьезно.

Отрывок из Странности мира © 2024 Эрик Швицгебель. Перепечатано с разрешения Princeton University Press.

Главное изображение: НАСА

• Эрик Швицгебель

  Опубликовано 15 декабря 2023 г.

  Эрик Швицгебель — профессор философии Калифорнийского университета в Риверсайде. Он является автором Теория рывков и других философских злоключений, недоумений сознания, и Описываете внутренний опыт? (MIT Press, 2019).

• Джейкоб Барандес

  Опубликовано 15 декабря 2023 г.

  Джейкоб Барандес — преподаватель физики и соруководитель аспирантуры по физике в Гарвардском университете. Он также является ассоциированным преподавателем факультета философии Гарварда и членом факультета Гарвардской инициативы по созданию черных дыр.