Стивен тоже возлагал большие надежды на регистрацию гравитационных волн, порожденных инфляцией. Перед самой кончиной он работал над статьей, в которой надеялся уточнить предсказания инфляционной теории для ожидаемого уровня первичных гравитационных волн. На карту было поставлено многое: инфляционное растяжение квантовых дрожаний пространства до макроскопических масштабов есть космологический аналог излучения Хокинга, идущего от черных дыр. Большинство физиков, конечно, согласилось бы, что регистрация следов первичных гравитационных волн стала бы убедительным – хотя и косвенным – аргументом в пользу существования излучения Хокинга.
Теория инфляции предлагает исключительно удачное описание краткого, но критического момента в генезисе Вселенной. Даже при том, что конкретная природа инфлатона остается неизвестной, а первичная гравитационная рябь пока неуловима, детальные наблюдения картины распределения температурных вариаций объясняются настолько убедительно, что большинство космологов принимает теорию инфляции. Идея инфляции ощущается как истинная и выглядит истинной. Но тогда встает важнейший вопрос: как и почему инфляция началась? Пытаясь объяснить очень раннюю Вселенную, мы должны остерегаться попасть в логический капкан, просто заменив одну неразрешимую загадку другой. Ведь какой бы теоретически привлекательной не казалась идея инфляции, если ее грандиозный всплеск окажется принципиально невозможным инициировать, то в нашей игре мы вынуждены возвратиться в начальную клетку – идею инфляции придется считать неприменимой в качестве физической модели ранней Вселенной. Таковы неумолимые законы науки.
Так что же требуется для запуска инфляции? Как могло инфлатонное поле изначально набрать такую огромную энергию? Вот тут-то и появляется предложение об отсутствии границы. Гипотеза об отсутствии границы замечательным образом предсказывает рождение Вселенной в ходе всплеска инфляции. Математически дело сводится к тому, что закругленная форма «дна» пространства-времени в процессе творения при отсутствии границы требует того же вида экзотической скалярной материи, характеризующейся отрицательным давлением, какого требует и инфляция. В контексте классической космологии реального времени вещество с отрицательным давлением может вызвать быстрое взрывное расширение – инфляцию. А в контексте квантовой космологии мнимого времени ровно то же самое отрицательное давление – как раз то, что нужно для гладкого замыкания «дна» пространства-времени во что-то вроде сферы. Таким образом, творение при отсутствии границы и инфляционное расширение – процессы-близнецы, которые идут рука об руку. Они усиливают друг друга, причем первый является квантовым завершением второго (см. рис. 30). С точки зрения физики это значит, что, если бы Вселенная была сотворена из ничего – в соответствии с правилами теории отсутствия границы, – то шанс, что она последует большинству из возможных историй расширения, был бы пренебрежимо мал. Но было бы одно особое семейство траекторий, гораздо более вероятных, чем другие. И это именно такие пути расширения, на которых Вселенная обретает существование в ходе краткого всплеска инфляционного расширения, за которым следует замедление.
В главе1 я уже отмечал, что на любом уровне эволюции детерминизм определяет только самые общие структурные тенденции. Как правило, наперед можно предсказать только наиболее грубые свойства. И в соответствии с гипотезой об отсутствии границы таким структурным свойством космологической эволюции будет некоторая форма инфляции.
Рис. 4. Выдвинутая Джимом и Стивеном гипотеза о происхождении Вселенной при условии отсутствия границы предсказывает, что Вселенная родилась из инфляционного всплеска сверхбыстрого расширения.
Открытие загадочного согласия между гипотезой об отсутствии границы и инфляцией волновало не одно поколение хокинговских студентов. И оно имело далекоидущие последствия. Пионеры теории инфляции представляли ее как промежуточную, преходящую фазу в истории существовавшей прежде Вселенной. Но квантовое оформление этой идеи предполагает, что инфляция и есть ее начало! В контексте предложения об отсутствии границы инфляция становится неотъемлемой частью квантового процесса, посредством которого прежде всего и возникает осязаемая ткань классического пространства-времени. Поэтому предположение об отсутствии границы поднимает инфляцию на более высокий уровень и связывает ее с самим существованием пространства-времени. Происхождение инфляции больше не должно рассматриваться как таинственный счастливый случай или как результат вмешательства «перста Божьего», вознесшего инфлатон на вершину, но космическим императивом, необходимым условием самого существования Вселенной.
Здесь есть, однако, одна трудность. Предложение об отсутствии границы предсказывает минимальный инфляционный всплеск из всех возможных. Мощь исходного всплеска расширения определяется начальным значением инфлатонного поля. Вселенные, в которых инфлатон имеет высокий начальный уровень энергии, находятся на вершине энергетического «холма» (рис. 27) и претерпевают грандиозную вспышку инфляции. Они оказываются больше по размеру и содержат достаточно вещества, чтобы образовать миллиарды галактик. Эти вселенные очень похожи на ту, которую мы наблюдаем. Напротив, при возникновении вселенных, у которых начальный инфлатон находится вблизи нижнего края своего энергетического плато, инфляция напоминает не взрыв, а какой-то шепот. Такие вселенные оказываются почти пустыми, лишенными галактик, и могут даже заново коллапсировать в виде «Большого схлопывания». Они на нашу Вселенную совершенно не похожи. К сожалению, теория об отсутствии границы, понятая буквально, соответствует именно таким вселенным. Получается, что, согласно этой теории, мы оказались в такой Вселенной, где нас быть не должно. Неудивительно поэтому, что большинству физиков оказалось трудно поддержать идею творения при отсутствии границы. И с тех самых пор, как Джим и Стивен выдвинули свою модель космогенеза, эта неприятная тема была настоящей «веревкой в доме повешенного».
Посмотрим на эту «веревку» поближе. Тайна запуска инфляции тесно связана с тайной стрелы времени, другой очевидной особенностью нашего мира. Из повседневного опыта нам предельно ясно, что существует определенное направление хода всех вещей. Яйцо можно разбить, но обратно в скорлупу его не соберешь. Фарш невозможно провернуть назад. Люди стареют, но не молодеют. Звезда коллапсирует в черную дыру, но снова достать ее оттуда уже не получится. И главное, мы помним прошлое, но не будущее. Эта универсальная направленность, эта стрела времени – один из самых мощных и универсальных принципов организации физического мира. Иначе просто никогда не бывает. Но как же время приобрело свою направленность?
В древности люди придерживались телеологического взгляда на природу. Очевидная направленность множества естественных процессов органично сочеталась с идеей Аристотеля о том, что все происходящее в Природе подчинено Конечной Цели. Сегодня мы, напротив, понимаем, что стрела времени происходит из тенденции к увеличению беспорядка. Подумайте о вашем кабинете или вашей спальне, хаос в которых неизменно растет, сколько бы усилий вы ни прилагали, чтобы навести там порядок. А дело просто в том, что способов устроить в кабинете беспорядок намного больше, чем способов там прибраться. Или возьмите мозаику – пазл, состоящий из множества кусочков. Встряхните как следует коробку, в которой лежит груда кусочков пазла, и вы будете безмерно удивлены, когда, высыпавшись оттуда, они сами сложатся в нужную картинку. Потому что есть множество беспорядочно сложенных конфигураций кусочков и только одна правильная. Эти примеры иллюстрируют универсальное свойство физических систем: есть гораздо больше способов прийти к беспорядку, чем к порядку. Вот почему физические системы обладают свойством развиваться в направлении роста беспорядка.
Ученые измеряют количество беспорядка в физической системе ее энтропией. Это понятие восходит к австрийскому физику XIX века Людвигу Больцману. Высокая энтропия означает, что система находится в очень беспорядочном состоянии; система с низкой энтропией хорошо упорядочена. Тенденция сложных физических систем развиваться в направлении состояний с более высокой энтропией (то есть еще одна квазиуниверсальная стрела) известна как второй закон термодинамики. Стрела энтропии – основа и источник стрелы времени.
Но здесь есть одна загадка. Очевидно, что энтропия может расти только, если вначале она низкая. Но почему вчера энтропия была ниже, чем сегодня? Как получилось, что мы разбили имеющее низкую энтропию яйцо, чтобы приготовить омлет? Яйца несут куры – системы с низкой энтропией, живущие на ферме, которая сама есть часть низкоэнтропийной биосферы. Чтобы поддерживать свое существование, биосфера Земли использует низкоэнтропийную энергию Солнца. А откуда взялось имеющее низкую энтропию Солнце? Оно возникло из очень низкоэнтропийного газового облака, которое коллапсировало почти пять миллиардов лет назад и которое само было остатком предыдущих поколений звезд. А что сказать о совсем уж низкоэнтропийном облаке газа, ответственном за образование самого первого поколения звезд? Его происхождение можно проследить вплоть до малых вариаций плотности горячего газа, заполнявшего раннюю Вселенную, причем зерна этих неоднородностей были, возможно, посеяны в ходе краткого всплеска инфляции.
И сама Вселенная в конце инфляции должна была иметь исключительно низкую энтропию.
Выходит, что история о курице и яйце говорит нам о чем-то очень глубоком. Она говорит нам, что исходный источник порядка, фундаментальная причина, по которой мы сегодня разбиваем низкоэнтропийные яйца, имеет отношение к нашему происхождению из Большого взрыва. Почти 14 миллиардов лет назад Вселенная родилась невероятно упорядоченным образом, и с тех пор мы в процессе ее естественной эволюции движемся ко все большему беспорядку. Стрела времени, которая разделяет прошлое и будущее, пожалуй, самый основной элемент нашего опыта, находит свое происхождение в этом крайне упорядоченном, низкоэнтропийном состоянии первичной Вселенной. И это, возможно, самое таинственное из ее благоприятствующих жизни свойств. Как случилось, что Вселенная появилась на свет в состоянии со столь исключительно низкой энтропией? Или всплеск инфляции каким-то образом хитроумно понизил энтропию очень ранней Вселенной, нарушив второе начало термодинамики? Нет, этого не было: в ходе инфляции общая энтропия росла (хоть и медленнее, чем могла бы) и продолжала расти на всем протяжении эволюции космоса.