Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Ближайшая к нам крупная галактика, туманность Андромеды, находится на расстоянии в 2,7 миллиона световых лет, так что биосфера может заселить ее по прошествии 3 миллионов лет, используя зонды со скоростью 0,9с, описанные в предыдущем разделе. Ближайший кластер галактик в созвездии Девы находится на расстоянии в 70 миллионов световых лет. В обоих случаях время воспроизводства зондов мало по сравнению со временем путешествия, даже при скорости в 0,9с, так что его можно проигнорировать.
При рассмотрении еще более удаленных галактик при вычислении средней скорости зонда необходимо учитывать расширение вселенной. Закон Хаббла говорит, что чем дальше галактика от Земли, тем быстрее она от нас удаляется. Следовательно, космический аппарат, запущенный с данной скоростью относительно Земли будет иметь меньшую скорость относительно удаленной галактики, когда он ее в конце концов достигнет. Я показываю в приложении для ученых, что отношение момента количества движения космического корабля относительно Земли к моменту количества движения его в удаленной галактике равно отношению радиусов вселенной в момент достижения кораблем галактики и в момент его запуска. Я покажу в главе IV, что максимальное значение этого отношения будет около 300000 в момент достижения вселенной ее максимального размера (наименьшее значение этого отношения равно 3000). Верхняя граница в 300000 предполагает, что если корабль должен достигнуть противоположной границы вселенной в момент ее наибольшего расширения, имея при этом скорость 0,9с (скорость 0,9с означает, что общая энергия равна примерно его удвоенной массе), для этого потребуется начальная энергия в 600000 раз больше массы корабля. Я показываю в приложении для ученых, что такой корабль технически возможен, если использовать аннигиляционную ракету. Для зонда весом в 100 грамм начальная масса ракеты должна быть 10 миллиардов тонн, половину из них составляет антиматерия. Такое количество антиматерии конечно недешево. Пристоимости 1 миллион долларов за миллиграмм, миллиард тонн будет стоить 10 триллионов триллионов долларов, что примерно в миллиард раз превосходит существующий валовый национальный продукт всего человечества. Посылка такого зонда к противоположной границе вселенной потребует ресурсов целой звездной системы. Но это может быть сделано.
Лучшей стратегией, конечно является посылка зондов от одной галактики к другой, а не прямо к противоположной границе. Однако, это становится все более и более трудным по мере того, как вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. В приложении для ученых показано, что во вселенной, размер которой будет в момент наибольшего ее расширения составлять 3000 – 300000 раз от существующего, противоположная граница будет находится на расстоянии от 1 до 10 терапарсеков (терапарсек равен 10^12 парсек). Вселенная достигнет этого состояния через 5*10^16 - 5*10^18 лет спустя (в собственном времени). За это время материальный состав вселенной существенно изменится, как показано в следующей таблице.
ВАЖНЕЙШИЕ МОМЕНТЫ ИСТОРИИ БУДУЩЕГО.
Событие Время (годы)
Солнце расширяется и поглощает Землю 7*10^9
Галактики испаряются из кластеров 10^11
Звезды утрачивают форму; все 10^12
массивные звезды становятся нейтронными
звездами или черными дырами
Наиболее долгоживущие звезды расходуют 10^14
все свое топливо и становятся белыми
карликами
Мертвые планет отделяются от мертвых звезд 10^15
при звездных столкновениях
Белые карлики остывают до 5 К и становятся 10^17
черными карликами
Нейтронные звезды остывают до 100 К 10^19
В данной таблице предполагается, что жизнь не будет влиять на эволюцию материи. На самом деле, конечно же она будет влиять. Например, вместо того, чтобы позволить Солнцу испарить Землю через семь миллиардов лет, наши потомки могут увести планету целиком в космическое пространство и использовать ее для экспансии биосферы. (Дайсон показал, что увести планету из солнечной системы возможно, если у вас есть несколько миллионов лет для этого). Позволив природе идти своим путем и уничтожить Землю означало бы разрушить оставшуюся на ней биосферу без всякой цели. если же наоборот, мы уведем Землю в космос, ее материалы могут быть использованы для создания колоний О'Нейла, где жизнь
будет продолжаться. В этом случае будет возможна более населенная и более разнообразная биосфера, чем если Земля останется нетронутой, потому что на Земле жизнь может использовать только атмосферу и первые несколько километров земной коры. Если же Земля будет уведена в космос, весь ее материал может быть обеспечить существование жизни. Это справедливо и в отношении других планет и даже самого Солнца. Очень много времени спустя, сначала звездная система, потом галактика, потом кластер галактик и наконец вся материальная вселенная будут использованы расширяющейся биосферой.
Помните, что в глобальном масштабе времени у жизни нет выбора: она должна использовать естественные ресурсы, чтобы выжить. И я полагаю, что она это сделает.
Луч света, посланный с Земли, находящейся в начале вселенной достигнет противоположной стороны последней в момент ее максимального расширения, так что космический аппарат, запущенный через несколько миллиардов лет и имеющий энергию, о которой говорилось выше, прибудет в ту же точку немногим позже светового луча, сразу после того, как вселенная начнет сокращаться. Я полагаю, что полное заселение вселенной будет технически возможно к этому времени при использовании технологий, которыми мы будем обладать в ближайшие полвека. Компьютерная симуляция биосферы, завоевывающей вселенную изображена на рис. II.3, II.4, II.5.
На первом рисунке показана вселенная через 10^16 лет. Она примерно в 3 тысячи раз больше, чем сейчас. В таком масштабе размеры вселенной в настоящее время соответствуют точке в конце этого предложения. Вселенная представлена в виде двухмерной сферы, Земля расположена на ее северном полюсе. Противоположная сторона вселенной - точка-антипод таким образом находится на южном полюсе. Черный круг на сфере показывает положение вспышки света, посланной с Земли в 1993 году. Этот свет достиг экватора сферы, то есть за 10^16 лет он покрыл только половину расстояния от Земли до точки-антипода. Зачерненная область обозначает биосферу, которая к этому времени поглотила около одной трети вселенной.
Второй рисунок показывает вселенную через 10^17 лет от настоящего времени. Она все еще расширяется, и стала больше, чем на предыдущем рисунке. Жизнь поглотила теперь около трех четвертей вселенной. Луч света, оставивший Землю 10^17 лет назад все еще не достиг точки-антипода, хотя и близок к ней. Расширяющаяся биосфера немного отстает от луча.
Третий рисунок показывает вселенную спустя 10^18 лет от настоящего времени. Вселенная продолжает расширяться, и стала больше, чем на предыдущем рисунке, но она уже очень близка к своему максимальному размеру. Жизнь поглотила около 90% вселенной. Свет, пущеный с Земли 10^18 лет назад уже достиг точки-антипода.
На четвертом рисунке показана вселенная 10^19 лет спустя. Она уже миновала стадию максимального расширения и теперь сокращается. Теперь она меньше, чем на предыдущем рисунке. Жизнь полностью завоевала вселенную. Черный круг все еще обозначен, как и на предыдущих рисунках он изображает луч света, посланный с Земли в 1993 году, но теперь он дошел до точки-антипода и отразился обратно к Земле.
Следующий вопрос состоит в том, сможет ли жизнь получить контроль над вселенной, когда окончательно завоюет ее? Говоря иначе, будут ли наши потмки направлять вселенную, или она будет направлять их? Ответ состоит в том, что они могут в будущем контролировать движение целой вселенной. Механизм, которым они будут пользоваться - это хаос в уравнениях, описывающих динамику вселенной.
В физике существует много определений слова "хаос", но в основном "хаос - это нестабильность". То есть при малых изменениях начальных условий в хаотической системе ее движение будет экспоненциально отклоняться от ожидаемого. Стабильная эволюция, напротив, означает, что при малых изменениях начальных условий, движение такой измененной системы будет очень близко к движению исходной. Для примера стабильного движения, предположим, что мы переместили частицу на два метра влево. Тогда, спустя секунду, частица будет на расстоянии одного метра от того положения, в котором она находилась бы, если бы ее не перемещали; через две секунды она будет на расстоянии в полметра от такого положения, через три секунды - на расстоянии четверти метра и так далее. Мы видим, таким образом, что "стабильность" означает тенденцию к тому, что начальные условия несущественны. Образно говоря, система знает, куда она хочет попасть, и направляется туда. не обращая внимания на то, что мы с ней делаем. Чтобы заставить частицу из этого примера оказаться на расстоянии одного метра от невозмущенного пути спустя 60 секунд после начала движения, мы должны были бы удалить ее от начальной позиции на сто световых лет влево.
В качестве примера нестабильного хаотического движения рассмотрим следующий. Предположим, что мы передвинули начальную точку движения на два метра влево, тогда через секунду частица будет удалена на четыре метра от того положения, в котором она могла бы оказаться без изменения начальных условий, через две секунды она будет удалена на 8 метров от такого положения, через три секунды - на 16 метров и так далее. Отклонение этой хаотической системы от невозмущенного состояния составляет 2^t, где t - время в секундах. Видно, что спустя очень малое время частица будет невыразимо далеко от того положения, в котором она могла бы находится: через 60 секунд эта гипотетическая частица окажется на расстоянии в 100 световых лет от того места, где она находилась бы если бы изменений начальных условий не произошло. (Это, конечно только гипотетический пример, поскольку ничто не может двигаться быстрее света). Такую хаотическую систему очень легко заставить двигаться туда, куда мы хотим, и это не требует больших затрат энергии. Для того, чтобы эта гипотетическая частица оказалась на расстоянии одного метра от невозмущенного положения через 60 секунд движения, нам достаточно вначале сдвинуть ее влево на очень малую долю размера какого-нибудь атома.
В больших масштабах гравитация является наиболее важной силой, а большие системы частиц, управляемые гравитацией, почти всегда хаотичны. Лучший пример - это наша солнечная система Гравитационное притяжение Земли другими планетами делает положение Земли на ее орбите хаотичным. То есть, форма и размер земной орбиты не изменяются очень сильно, но точное положение планеты очень нестабильно: оно изменяется по закону 2^t, как и предыдущем примере, за тем исключением, что здесь t - время, приведенное к масштабу в 3,5 миллиона лет. Последствия такого хаоса могут быть драматичными. Предположим, что бабочка решила перелететь с одного цветка на другой на расстояние в 1 метр. Эффект одного этого движения одной бабочки может сдвинуть Землю на противоположную сторону ее околосолнечной орбиты за 500 миллионов лет.
Если одна бабочка может передвинуть Землю с одной стороны орбиты на другую за 500 миллионов лет, то несомненно, что наши потомки, когда они населят всю вселенную, смогут контролировать ее эволюцию в масштабе времени 10^16 лет.
Как и в случае бабочки и Земли, наши потомки не смогут контролировать все аспекты будущего движения вселенной. Как бабочка не может изменить формы и размеров земной орбиты, так и наши потомки не смогут изменить того факта, что после достижения вселенной максимального размера она начнет сжиматься и коллапсирует до нулевого размера за 10^18 лет собственного времени. То, что смогут сделать наши потомки - это изменить то, как будет сжиматься вселенная. Вселенная может коллапсировать быстрее в одних направлениях, чем в других, и мой коллега, Джон Барроу, показал, что скорость коллапса вселенной в разных направлениях хаотична. В частности, жизнь в далеком будущем может легко заставить вселенную коллапсировать очень быстро в двух измерениях, сохраняя в то же время постоянный размер в третьем. Они могут это сделать, и они должны это сделать.
Они должны заставить вселенную двигаться по такому пути потому, что только в этом случае жизнь в далеком будущем будет иметь достаточно энергии, чтобы выжить. Чтобы представить этот будущий источник энергии, давайте выясним, как биосфера получает энергию сейчас. Ее источником является Солнце, и оно может поставлять энергию только потому, что горячее, чем межзвездное пространство. Биосфера существует, поскольку зеленые растения получают энергию от горячего пятна на небе (Солнца) и рассеивают свое излишнее тепло в межзвездном пространстве. В действительности, его рассеивает вместо растений атмосфера, но мы не будем вдаваться в технические детали. Суть в том, что биологическая активность на Земле возможна только потому, что энергия берется от высокотемпературного источника и рассеивается в низкотемпературном охладителе.
Теперь рассмотрим коллапсирующую вселенную. Мы знаем, что газ охлаждается при расширении и нагревается при сжатии. Так работает холодильник. Газ расширяется в испарителе, охлаждая воздух в холодильной камере. Тепло переходит от теплого воздуха к более холодному газу. Потом нагретый газ выводится из испарителя, сжимается, становясь еще горячее, и это тепло передается воздуху, окружающему холодильник. Во вселенной радиация действует как газ в холодильнике: она охлаждается, когда вселенная расширяется и становится горячее, когда вселенная начинает сжиматься.
Однако, если в одном измерении вселенная остается постоянного размера, а в двух других - сжимается, радиация в этих двух последних направлениях будет становиться горячее, чем в том, что остается постоянным. То есть направления сжатия будут горячими, а постоянное направление - холодным. Эта разница температур будет служить жизни в далеком будущем источником энергии так же, как Солнце дает энергию жизни на Земле сейчас.
Вселенная, естественно будет иметь тенденцию коллапсировать более быстро в одном направлении, чем в другом. Но почти всегда эту природную тенденцию нужно будет корректировать, прежде чем разница температур станет достаточно большой, чтобы обеспечить жизнь достаточной энергией. Но если жизнь будет использовать хаос в скоростях коллапса в различных направлениях, точные вычисления (см. приложение для ученых) показывают, что необходимая энергия будет доступна. Так что, как я и говорил, жизнь должна будет заставить двигаться вселенную по этому необычному пути.
Кроме того, жизнь должна завоевать всю вселенную и для того, чтобы иметь энергию для направления эволюции вселенной по этому необычному пути. Вспомним снова Землю и бабочку. Хотя бабочка может передвинуть Землю, она скорее всего этого не сделает, потому, что другая бабочка на другой стороне Земли погасит движение первой, если она двинется в противоположном направлении. Хаотический эффект будет кумулятивным только в том случае, если бабочки будут действовать совместно, чего конечно не происходит. В случае со вселенной, она будет двигаться в правильном
направлении только если отдельные живые существа будут действовать вместе во всем космосе. Если жизнь завоюет всю вселенную и если вселенная все еще будет примерно гомогенной в момент достижения ей максимального расширения, очень вероятно, что живые существа будут действовать в правильном направлении везде во вселенной, даже если у них не будет возможности общаться друг с другом когда они начнут. (Вспомним, что свет сможет дойти до точки-антипода только один раз, прежде чем начнется коллапс, так что у него не будет времени на обратный путь, прежде чем жизнь должна будет начать действовать). Причина того, что жизнь вероятно будет действовать согласованно в том, что если вселенная является более или менее гомогенной, тогда она начнет коллапсировать в разных направлениях с разными скоростями, но эти разные направления будут одними и теми же везде. То есть, горячие области будут в одном и том же направлении, неважно в каком месте вселенной находится жизнь. Следовательно, жизнь будет пытаться усилить температуру в одном и том же направлении, и таким образом, автоматически действовать согласованно. Жизнь будет двигать вселенную.
Я продолжу историю о том, как жизнь будет действовать в фазе коллапса вселенной в главе IV, но сначала позвольте показать что может произойти, если жизнь потерпит неудачу и не сможет действовать согласованно. В этом случае жизнь ожидают два ужасающих варианта развития - вечное возвращение и тепловая смерть.
ГЛАВА 4.
Физика вблизи конечного состояния: классическая Теория Точки Омега.
Компьютерные определения "Жизни", "Личности" и "Души".
Для того, чтобы исследовать может ли жизнь существовать вечно, я должен буду определить понятие жизни на языке физики. Я утверждаю, что "живое существо" есть обьект, который кодирует информацию (в физическом смысле этого слова) и эта кодированная информация сохраняется естественным отбором. Таким образом, жизнь является формой процесса обработки информации, а человеческая душа - очень сложной компьютерной программой. В частности "личность" определяется как компьютерная программа, способная пройти тест Тьюринга, обсуждавшийся в главе 2.
Такое определение жизни существенно отличается от того, что средний человек (и средний биолог) называет жизнью. В традиционном определении жизнь - это сложный процесс, основанный на углеродных молекулах. Однако, даже сторонники традиционного определения согласны, что ключевыми словами являются "сложный процесс", а не "углеродные молекулы". Хотя все системы, которые сегодня по общему признанию являются живыми, базируются на химии углерода, нет причины считать, что аналогичные процессы не могут протекать в других системах. Действительно, английский биохимик Кэрнс-Смит предположил, что первые живые существа, наши далекие предки, были основаны на металлических кристаллах, а не на
углероде. Если это правда, то тогда, когда мы настаиваем на том, что живые существа должны иметь основой химию углерода, мы вынуждены будем заключить, что наши далекие предки не были живыми. В теории Кэрнс-Смита наши предки были самовоспроизводящимися организованными группами дефектов в металлических кристаллах. Спустя какое-то время эти группы были перенесены на другой субстрат - углеродные молекулы. Важным здесь были группы, а не субстрат, и организованные группы - это другое название информации.
Но, конечно, жизнь не является статичным набором групп. Скорее, это динамический набор групп, который воспроизводится во времени. Следовательно, это процесс. Но не все процессы живые. Ключевым свойством живых процессов является то, что их воспроизводство происходит благодаря обратной связи с окружающей средой: информация, кодируемая группами постоянно изменяется, но разброс таких изменений ограничивается этой обратной связью до узкого ранга. Таким образом, я утверждаю, что жизнь есть информация, сохраняемая естественным отбором.
Такое определение имеет некоторые следствия, противоречащие обыденному сознанию. В 1986 Дж. Барроу и я показали, что исходя из этого определения автомобили являются живыми. Они самовоспроизводятся на автомобильных заводах, используя людей-механиков. Конечно, их воспроизводство не является автономным, им нужны заводы, которые являются внешними по отношению к ним самим. Но то же делают мужчины: чтобы произвести младенца мужского пола необходим внешний биохимический завод, называемый маткой. И их воспроизводство тоже нуждается в других живых существах. Точно так же происходит размножение цветковых растений: они используют пчел для опыления и других животных для распространения семян. Различные виды автомобилей в их среде обитания сохраняются естественным отбором: они идет жестокая борьба за существование между различными "расами" автомобилей. Японские и европейские автомобили конкурируют с американскими за жизненные ресурсы - деньги производителя, и в результате будет произведено больше тех или других автомобилей (американских, японских или европейских). Согласно моему определению жизни не только автомобили, но все машины, особенно компьютеры являются живыми. (Хотя конечно, автомобили не являются "личностями").
В том же самом году, когда Барроу и я опубликовали наше утверждение о том, что автомобили живые, ведущий биолог Ричард Даукинс из Оксфордского университета опубликовал такое точно же утверждение. На первой странице своей знаменитой книги "Слепой часовщик" Даукинс пишет: "компьютеры ... и машины в этой книге будут строго рассматриваться как биологические объекты. Реакцией читателя может быть вопрос: "Да, но на самом-то деле разве они живые?" Слова - это наши слуги, а не хозяева". В той же самой книге Даукинс упоминает машины как "почтенные живые существа". В своей ранней книге "Эгоистичный ген" Даукинс говорит, что идеи человеческого разума, которые сохраняются естественным отбором "... должны рассматриваться как живые структуры не только метафорически, но и технически". Биолог Даукинс пришел к тому же самому определению жизни, которое я буду использовать: жизнь есть информация, сохраняемая естественным отбором. Любая попытка свести жизнь к физике неизбежно приведет к этому определению.
Исключительно важно, чтобы мое определение жизни не было понято неправильно. Немедленная реакция большинства людей на мое определение типична: "Конечно жизнь куда больше, чем просто обработка информации, закладка данных в компьютер и их перемалывание машиной. Это может быть и важно для машины или компьютерного хакера, но настоящие люди куда как сложнее. Они зарабатывают на жизнь, они наслаждаются общением с другими людьми, они ищут смысл жизни, они поклоняются Богу, они любят друг друга, они растят детей. Бесконечное время, которое оказывется потраченно только на компьютерные игры - что за ужасная мысль!"
Я совершенно согласен. Это действительно ужасная мысль. Но эта не та эсхатология, которую я обещаю. Принципиальным является то, что на уровне физических "винтиков и гаек" все выше упомянутые действия "настоящих" людей в самом деле являются различными информационными процессами. Человеческое общение, познание, любовь - все это умственная деятельность мозга. Другими словами, на физическом уровне это информационные процессы, и ничего кроме информационных процессов. Но на человеческом уровне они не холодные и безжизненные "информационные процессы", а теплые человеческие взаимоотнотношения, радость, познание, любовь. Кроме того, можно показать, что основой (на физическом уровне) всех других действий человека является обработка информации. Проблема в том, что законы физики накладывают свои ограничения на обработку информации, и следовательно на активность и существование жизни. Если законы физики не позволяют обработку информации в какой-либо области пространства-времени, тогда жизнь там просто не сможет существовать. И наоборот, если законы физики разрешают обработку информации в какой-то области, тогда есть возможность для существования там какой-либо формы жизни. Эти ограничения и разрешения аналогичны тем, которые накладывает пища на биологическом уровне. На человеческом уровне, конечно, невозможно свести все переживания человека к еде, это просто один из многих видов деятельности, и действительно, другие вещи более важны (по крайней мере для большинства из нас). Но наличие достаточного количества пищи - это первейшее условие всех других видов деятельности. Не может быть радости, познания, работы, любви без еды. Соответственно и обсуждение будущего жизни должно быть в согласии с определением жизни на физическом уровне как информационного процесса.
Итак, я буду утверждать, что жизнь будет продолжаться вечно, если машины некоторого вида смогут существовать вечно. Важна структура, а не субстрат.
Существует удивительное сходство между идеей разума, как компьютерной программы и средневековой христианской идеи души. Обе фундаментально нематериальны: программа является последовательностью чисел, и число, скажем, 2 существует "абстрактно", как класс всех двоек. Символ "2", написанный здесь, есть представление числа 2, а не само число. Фома Аквинский (вслед за Аристотелем) определял душу как "форму деятельности тела". В языке Аристотеля формальной причиной действия является абстрактная причина, в противоположность материальной и эффективной причинам. Для компьютера программа есть формальная причина, в то время, как материальной причиной являются свойства материи, из которой сделан компьютер, а эффективной причиной - размыкание и замыкание электрических цепей. Для Фомы Аквинского человеческая душа нуждается в теле, чтобы думать и чувствовать, точно так же как компьютерной программе нужен компьютер, чтобы исполняться.
Фома Аквинский думал, что человеческая душа имеет два инструмента: действующий разум (intellectus agens) и восприимчивый разум (intellectus possibilis), один из них имеет способность приобретать понятия, а другой - способность сохранять и использовать приобретенные понятия. Сходные разграничения сделаны в компьютерной теории: общие правила, касающиеся обработки информации, закодированы в центральном процессоре и аналогичны действующему разуму; программа, закодированная в оперативной памяти или на ленте аналогична восприимчивому разуму. (В машине Тьюринга аналогиями являются общие правила манипуляции символами, закодированные в устройстве, которое печатает или стирает символы на ленте и сами инструкции на ленте, соответственно). Кроме того, слово "информация" возникло из Аристотелевско-Аквинского понятия "формы": мы "проинформированы", если к распознающему разуму добавлены новые формы. Даже семантически информационная теория души та же самая, что и у Аристотеля и Аквинского.
Что означает для жизни существовать вечно?
Теперь мы знаем, как определить жизнь, используя язык теории информации. Нам понадобится теория относительности, чтобы определить "вечно". Вспомним, что в теории относительности пространство и время объединены в одну сущность, называемую пространство-время. Обычно пространство-время представляют диаграммой Минковского (рис. 4.1).
На диаграмме Минковского вертикальная ось представляет время, а горизонтальная - пространство. Поскольку пространство и время - это одно и то же, мы можем измерять их в одинаковых единицах. Время измеряется годами, так что пространство будет измеряться в световых годах. В этих естественных единицах скорость света с = 1, поскольку свет за год проходит расстояние в один световой год. История светового луча может быть представлена на диаграмме Минковского как прямая линия, наклоненная под углом в 45 градусов к вертикальной (временнОй) оси. История любого объекта, который не движется, есть просто прямая линия на диаграмме Минковского. Объект, который движется со скоростью, меньшей скорости света (все реальные объекты попадают в эту категорию, поскольку ничто не может двигаться быстрее света), представляет собой кривую, угол наклона касательной к которой всегда меньше чем 45 градусов от вертикали. Такая кривая называется мировой линией.
Конечно, рисунок 4.1 очень упрощен. На нем только одна пространственная ось. В действительности имеются три пространственных и одно временное измерения, так что пространство-время четырехмерно. На рисунке 4.2 сделана попытка представить более реалистичную картину: два пространственных измерения, вместе с вертикальной осью времени.
Набор всех историй световых лучей, которые идут из любой точки пространства-времени (такая точка называется событием) образует конус. Если этот конус составлен лучами, идущими в будущее, он называется световым конусом будущего. Если конус составляют световые лучи, движущиеся в прошлое из точки-события, то он называется световым конусом прошлого. Таким образом мировая линия может определять световые конусы прошлого и будущего. Как видно из рисунка 4.2, набором всех событий в пространстве-времени, которые могут влиять (посылать сигналы)
на данную мировую линию, являются все события, находящиеся внутри и на поверхности светового конуса прошлого этой мировой линии, а набором тех событий, на которые может повлиять данная мировая линия, являются все события внутри и на поверхности ее светового конуса будущего. Ни одно событие (точка в пространстве-времени) которое находится вне светового конуса прошлого мировой линии не может на нее повлиять, поскольку ничто не может двигаться быстрее света. Чтобы понять это, представьте мировую линию вашей собственной истории. Если Вам от двадцати до сорока, Вам остается еще 50 или 60 лет на вашей мировой линии. Предположим, что некая личность на орбите Бетельгейзе решила послать сегодня сигнал на Землю. Поскольку Бетельгейзе удалена примерно на 500 световых лет, этому сигналу потребуется около 500 лет, чтобы достичь нас, поскольку сигнал должен путешествовать со скоростью света или меньшей. Вы давно умрете к тому времени. Следовательно событие в пространстве-времени "сейчас на Бетельгейзе" находится вне вашего светового конуса прошлого.
Ваша мировая линия имеет определенную конечную точку в пространстве-времени: она заканчивается вашей смертью. Но мы можем представить мировые линии, которые не имеют конечной точки. Такие мировые линии называются "бесконечными в будущем". Бесконечные в будущем мировые линии подобно вашей мировой линии определяют световой конус прошлого. Световой конус прошлого вашей мировой линии в точности тот же самый, как и световой конус прошлого ее конечной точки (см. рис. 4.2). Однако, это неверно для мировых линий, бесконечных в будущем: они не имеют конечной точки по определению. Тем не менее, мы можем считать, что эти бесконечные в будущем мировые линии определяют "точки" - эти точки не являются событиями в пространстве-времени, это точки на границе пространства-времени. Это те точки, которые определяют конец времени. Теперь две бесконечные в будущем мировые линии могут иметь различные или одинаковые световые конусы прошлого. Роджер Пенроуз предположил, что мы можем использовать эту разницу чтобы определить набор точек границы пространства-времени. В частности, Пенроуз говорит, что две бесконечные в будущем мировые линии попадают в одну и ту же точку на будущей п-границе (c-boundary) пространства-времени, если они обе определяют одинаковый световой конус прошлого. Если две мировые линии определяют разные световые конусы прошлого, они попадают в разные точки будущей п-границы. Более точно, точка будущей п-границы является световым конусом прошлого бесконечной в будущем мировой линии, рассматриваемой как единое. (Вспомним, что для мировой линии с концом в пространстве-времени световой конус прошлого определяется ее будущей конечной точкой. Световой конус уникально определяется этой конечной точкой и соответственно конечная точка уникально определяется световым конусом. Таким образом, каждая точка в пространстве-времени может рассматриваться как идентичная с самим световым конусом прошлого. Но когда мы делаем такое отождествление, световой конус должен рассматриваться как единое, не как составленный из набора своих индивидуальных точек.) Рисунок 4.3 иллюстрирует п-границу ("п" - сокращенно "причина", поскольку точки определяются световыми конусами, которые разделяют события на те, которые могут иметь причинное влияние на мировые линии, и на те, которые не могут этого).
Итак, жизнь есть обработка информации, и очевидно, что она должна проделать весь этот путь до будущей п-границы, чтобы можно было сказать, что она существует вечно. Это приводит к:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: я буду говорить, что жизнь продолжается вечно, если:
1) обработка информации продолжается неограниченно по крайней мере вдоль одной мировой линии "гамма" G на всем ее протяжении до будущей п-границы, то есть до конца времени.
2) количество информации, обработанной в промежутке между настоящим моментом и этой будущей п-границей бесконечно в области пространства-времени с которой мировая линия G может "общаться", то есть области светового конуса прошлого G.
3) количество информации, сохраняемой в любое данное время "тау" T, внутри данной области стремится к бесконечности по мере того, как Т приближается к своему будушему пределу (этот будущий предел Т является конечным в замкнутой вселенной, но бесконечным в открытой, если Т измеряется в том, что физиками называется "собственным временем".
Это грубая обрисовка более технического определения данного в приложении. Но позвольте мне пока проигнорировать здесь детали. Важным с физической (и этической) стороны является объяснение причин для введения каждого из трех условий. Причина для условия 1 уже была дана: оно просто устанавливает, что должна быть по крайней мере одна история, в которой жизнь (=обработка информации) никогда не кончается.
Условие 2 говорит нам о двух вещах: первое, что обработанная информация "засчитывается" только в том случае, если возможно, хотя бы в принципе связаться с результатами вычислений в истории G. Это важно для космологии из-за ограничения горизонтов события. В закрытой фридмановской вселенной, которая является стандартной моделью (правда, очень упрощенной) нашей действительной вселенной (если она на самом деле замкнута), каждый из движущихся рядом наблюдателей неизбежно утрачивает способность посылать световые сигналы любому другому, движущемуся рядом наблюдателю, и не имеет значения, насколько они близко друг от друга. Жизнь, очевидно была бы невозможна, если бы один мозг никогда бы не мог связаться с другим. Жизнь - это организация, а организация может поддерживаться только постоянной связью между ее различными частями. Вторая часть условия 2 говорит нам, что количество информации, обработанной между настоящим моментом и концом времени бесконечно. Я утверждаю, что имеет смысл говорить о вечном существовании жизни только тогда, когда число мыслей, образованных между настоящим и концом времени действительно бесконечно. Но мы знаем, что каждая "мысль" соответствует как минимум одному обработанном биту. Следствием этой части условия 2 является то, что продолжительность времени более правильно измерять скоростью мышления, а не собственным временем атомных часов. Промежуток времени, требующийся разумному существу, чтобы обработать 1 бит информации - продумать одну мысль - есть прямая мера "субъективного" времени, и следовательно более важная мера времени с точки зрения жизни. Личность, которая думает или переживает (принципиальной разницы между этими состояниями нет), в 10 раз быстрее, чем средняя личность, в фундаментальном смысле проживает в 10 раз больше, чем средняя личность, даже если хронологический возраст быстро думающей личности короче, чем у средней.
Различие между собственным и субъективным временем, принципиальное для условия 2, очень сходно с различием между двумя формами длительности в томистической философии. Фома Аквинский различал три типа длительности. Первым был tempus, который измерялся изменением отношений (например, позиций) между физическими телами на Земле. Tempus аналогичен собственному времени; изменения как в человеческом мозгу, так и в атомных часах пропорциональны истинному времени, и для Аквинского также, tempus контролировал изменения в умах материальных существ. Но в томистической философии длительность для святых существ – ангелов - контролировалась не материей, скорее она измерялась изменениями мысленных состояний самих этих существ. Второй тип длительности назывался у Аквинского aevum, он совершенно аналогичен тому, что я назвал "субъективным временем". Tempus становится aevum когда
душа освобождается из уз материи. Аналогично, условие 2 требует, что скорость мышления контролируется все меньше и меньше собственным временем по мере того, как Т приближается к своему будущему пределу. Tempus плавно переходит в aevum в будущем.
Третьим типом длительности в томизме является aeternitas: длительность, переживаемая только Богом. Aeternitas можно представить как переживание всех событий tempus и aevum в прошлом, настоящем и будущем во всей вселенной сразу. Определение aeternitas, данное христианским философом Бетиусом (480-524 гг.) в его книге "Утешение в философии" (которую он написал ожидая в тюрьме казни за измену) гласит: "... вечность, следовательно является законченным и полным владением неограниченной жизнью в целом и сразу". Но подробнее об aeternitas позже.
Условие 3 вводится потому, что хотя условие 2 необходимо для существования жизни вечно, но оно не достаточно. Если компьютер с конечным объемом хранилища информации - вспомним из главы 2 что это значит, что такой компьютер является конечным автоматом - будет действовать вечно, это значит, что он начнет повторять себя снова и снова. Психологический космос стал бы ницшеанским Вечным Возвращением. Каждая мысль и каждая последовательность мыслей, каждое действие и каждая последовательность действий повторялись бы не однажды, а бесконечное число раз. Я подробно показал в предыдущей главе, что такая вселенная была бы морально уродливой или бессмысленной. Даже раньше, чем св. Августин (чьи возражения против Вечного Возвращения я цитировал в предыдущей главе), первый великий христианский теолог Ориген отвергал идею того, что "Иисус придет снова, чтобы посетить эту жизнь, и сделает то же самое, что он сделал, не только один раз, но бесконечное число раз, в соответсвии с циклами". Один из ранних отцов церкви, св. Климент также отвергал Вечное Возвращение точно по такой же причине. Все христианские теологи согласны между собой: христианский космос прогрессивен.
Только если условие 3 добавлено к условию 2, можно избежать психологического Вечного Возвращения. Ориген подчеркивал, что такое психологическое Вечное Возвращение сделало бы цели человечества бессмысленными (и это привело его к тому, что он отверг идею реинкарнации). Также, видимо верно утверждать, что "субъективно" конечный автомат существует только конечное время, даже если он может существовать бесконечное количество собственного времени и обработать бесконечное число данных. О существе (или последовательности поколений) можно по настоящему сказать, что они существуют вечно, только если они физически способны, по крайней мере в принципе, иметь новые переживания и
думать новые мысли.
Давайте теперь рассмотрим, позволяют ли физические законы жизни обработке информации длиться вечно. Фон Нейман и другие показали, что обработка информации (более точно, необратимое храниение информации) ограничивается первым и вторым законами термодинамики. Хранение одного бита информации требует наличия определенного минимального количества свободной энергии, это количество обратно пропорционально температуре (см. приложение для точной формулы). Следовательно, обработка и хранение бесконечного объема информации между настоящим и конечным состоянием вселенной возможны только если интеграл по времени от Р/Т является бесконечным, где Р - есть энергия, использованная для вычисления а Т - температура. Таким образом, законы
термодинамики позволят обработать бесконечное количество информации в будущем, если достаточное количество энергии будет доступно в течение всего будущего времени.
Что значит "достаточно" - зависит от температуры. В открытых и плоских расширяющихся вселенных температура падает до нуля в пределе бесконечного времени, так что все меньше и меньше энергии требуется для обработки одного бита с течением времени. Действительно, в плоской вселенной только конечное количество всей энергии достаточно для обработки бесконечного числа битов. Конечная энергия таким образом распределяется по бесконечному времени. С другой стороны, замкнутые вселенные, заканчиваются сингулярностью бесконечной плотности и температура стремится к бесконечности по мере приближения к сингулярности. Это означает, что вблизи конечной сингулярности количество энергии, требуемой на один бит будет расти. Однако, почти все замкнутые вселенные испытывают "сплющивание" когда они коллапсируют в конечную сингулярность. Это означает что они сжимаются с разными скоростями в разных направлениях. Как я отмечал в главе 2, такое сжатие приводит к увеличению разницы между температурой излучения, идущего с разных направлений, и такая разница может обеспечить достаточно свободной энергии для бесконечного количества информации, обрабатываемой между настоящим и конечной сингулярностью, несмотря на то, что количество собственного времени между настоящим и концом времени является конечным в замкнутой вселенной. Таким образом, хотя замкнутая вселенная существует только конечное количество собственного времени, она тем не менее может существовать бесконечно в субъективном времени, которое является мерой длительности, важной для живых существ.
В большинстве замкнутых вселенных сплющивания недостаточно, чтобы получить необходимую энергию. Однако, существует особый тип замкнутых вселенных, в котором энергия сжатия является достаточной. Это такие вселенные, которые коллапсируют только в одном направлении, оставаясь неизменного размера в двух других. Такие вселенные называются вселенными Тауба, в честь математика А. Тауба из Калифорнийского университета, который их открыл (мне повезло быть его ассистентом в начале 70-х). Рисунки 4.4 и 4.5 показывают коллапс вселенной Тауба и температурные различия в ней.
Рисунки 4.4 и 4.5 изображают коллапс в одном и том же направлении. Вселенная становится все более и более похожа на сплюснутую сферу. В действительности это очень нестабильная форма коллапса. Почти всегла происхолит так, что сначала вселенная может сжиматься на короткое время, потом возвращаться к сферической форме, потом снова испытывать Тауб-подобный коллапс но в другом направлении.
Однако, если жизнь уже заполнит всю вселенную прежде, чем начнется коллапс Тауба, она сможет использовать нестабильность, чтобы продолжить коллапс Тауба в том же направлении, с тем, чтобы вселенная становилась более сплюснутой, чем она могла бы быть без вмешательства жизни. Жизнь захочет этого, жизнь должна будет сделать это, для того, чтобы максимизировать разницу температур в разных направлениях. Вспомним из главы 2, что отношение температур равно отношению размеров вселенной в разных направлениях. Чем больше разница температур, тем больше энергия, доступная жизни. Как я обсуждал в главе 2, энергия для жизни с необходимостью приходит из коллапса вселенной как целого. Доступная энергия стремиться к бесконечности, по мере того, как вселенная стремиться к нулевому размеру и бесконечной температуре и плотности. Парадоксально, но вселенная должна закончиться финальной сингулярностью в конечное собственное время для того, чтобы жизнь выжила в бесконечном субъективном времени.
Экспериментальные тесты для Теории Точки Омега.
Хотя законы термодинамики допускают удовлетворение условий 1 - 3 в открытой и плоской вселенной, это не значит, что это допускают другие законы физики. Как я обсуждал в главе 3, Фриман Дайсон показал, что хотя энергия доступна в открытых и плоских вселенных, обработка информации должна будет производиться во все больших и больших истинных объемах. Этот факт неизбежно делает невозможным любую связь между противоположными сторонами "обитаемой" области в плоской вселенной, поскольку красное смещение требует возрастающих количеств энергии для посылки сигнала, а Дайсон показал, что доступно только конечное количество энергии. С другой стороны открытые вселенные расширяются в будущем так быстро, что это делает невозможным образование каких-либо структур для успешного хранения возрастающих объемов информации. Это приводит к
Первое проверяемое предсказание Теории Точки Омега: вселенная должна быть замкнута.
Однако, существует проблема в большинстве замкнутых вселенных - появляется горизонт события, который предотвращает связь. Горизонты событий - это поверхности в пространстве-времени, которые отделяют в нем области, с которыми может общаться наблюдатель от тех, с которыми он общаться не может. Горизонт событий для для любого наблюдателя с бесконечным будущим есть таким образом его световой конус прошлого, как видно из рисунка 4.3. Если вселенная замкнута, тогда в настоящее время она очень близка к тому, чтобы быть одного и того же размера во всех направлениях - мы говорим, что она изотропна. Если она останется изотропной на всем протяжении своей будущей истории, тогда ее п-граница будет иметь ту же топологию, что и ее пространственные части: она будет трехмерной сферой. Диаграмма Пенроуза представляет удобный способ изображения пространства-времени. На рисунке 4.7 представлена диаграмма
Пенроуза для замкнутой фридмановской вселенной с доминированием материи.
Фридмановская вселенная - это пространство-время, которое изотропно и гомогенно везде. Доминирование материи означает просто, что все гравитационное притяжение происходит благодаря массе покоя материи. Нет никаких давлений, о которых можно говорить в больших масштабах. Наша вселенная, по-видимому является вселенной такого сорта, и в ней световой луч или релятивистская ракета может достичь противоположного конца вселенной вскоре после того, как начнется обратный коллапс (см. глава 2). Если бы, с другой стороны, большинство материи, обеспечивающей гравитацию находилось бы в форме света, мы имели бы вселенную с доминированием излучения. Такая вселенная расширялась бы более быстро, чем вселенная с доминированием материи: свет и релятивистские ракеты могли бы достичь только половины пути к протвоположной стороне, прежде чем начался бы обратный коллапс. Если бы мы не знали, что наша вселенная - с доминированием материи, это могло бы быть еще одним предсказанием.
Почти во всех замкнутых вселенных есть горизонты событий. Во вселенной Тауба они также есть. Но существует редкий класс замкнутых вселенных, в которых нет горизонтов событий. Отсутствие горизонтов событий означает по определению, что каждая мировая линия всегда может послать световой сигнал другой мировой линии. Это означает, что все мировые линии имеют один и тот же световой конус прошлого, который следовательно, должен быть равен всему пространству-времени. Но это означает, что п-граница этих редких замкнутых вселенных, лишенных горизонтов событий должна быть одной точкой. Тогда мы имеем
Второе проверяемое (?) предсказание Теории Точки Омега: будущая п-граница вселенной состоит из единственной точки; назовем ее Точкой Омега (отсюда название теории).
Я даю в приложении пример простой Фридмановской вселенной с Точкой Омега. Такая модель, однако, нефизична, потому, что она требует отрицательного давления, то есть гравитация вблизи Точки Омега становится отталкиванием. Я также показываю, что любая Фридмановская вселенная с Точкой Омега с необходимостью имеет отрицательное давление, так что если Точка Омега будет иметь место в нашей вселенной, это значит, что последняя должна отклониться от изотропии в далеком будущем. Я могу добавить, что исчезновение горизонтов усиливает первое предсказание: я
показываю в приложении, что если будущая п-граница является единственной точкой, то вселенная с необходимостью замкнута.
Но мы знаем, что вселенная будет отклоняться от изотропии в будущем. Она будет коллапсировать с различными скоростями в разных направлениях. Американский физик Чарльз Миснер предолжил способ, используя который можно получить точечную п-границу в замкнутой вселенной только с положительным давлением. Тауб-подобный коллапс не только обеспечит для жизни разницу температур. Он также устраняет горизонты. Или, скорее, устраняет их в одном направлении. Если луч света будет послан в направлении коллапса вселенной Тауба, он сможет обойти вселенную бесконечное число раз в этом направлении до наступления конечной сингулярности. То есть, в этом направлении не будет горизонта события. К несчастью, горизонты события все еще существуют в двух других направлениях. Идея Миснера была в следующем предположении: вселенная испытывает Тауб-подобный коллапс в одном направлении, достаточный для того, чтобы свет мог обойти целую вселенную в этом направлении, затем вселенная становится более сферической, а потом испытывает Тауб-подобный коллапс в другом направлении, достаточный, чтобы луч света обошел ее в этом направлении. Потом процесс повторяется в третьем направлении.
Повторяясь бесконечное число раз такие тройные серии Тауб-подобных коллапсов полностью ликвидируют горизонты, поскольку свет будет способен обойти всю вселенную бесконечное число раз во всех направлениях. Исходно Миснер предположил этот механизм для начала времени, но потом отказался от своей идеи, когда понял, что существует очень малая вероятность того, что вселенная перейдет из одного экстремального коллапса Тауба в другой. Я говорю "экстремальный коллапс Тауба" потому, что для того, чтобы свет мог обойти коллапсирующую вселенную только один раз в направлении коллапса, вселенная должна сжиматься в этом направлении примерно в 70 раз. И даже если случайно вселенная сожмется в одном направлении в 70 раз, а в двух других останется неизменной, то крайне невероятно, что потом она снова будет сжиматься, в другом направлении в 70 раз, а остальные измерения не будут меняться. Почти всегда вселенная сжимается одновременно во всех направлениях.
Однако, жизнь может использовать нестабильности чтобы заставить вселенную переходить из одного экстремального коллапса Тауба в другой. Хаос, который существует в уравнениях Эйнштейна - как раз то самое место, которое это позволяет. Таким образом, жизнь должна направлять вселенную из одного коллапса Тауба в другой по двум причинам: во-первых, коллапс Тауба максимизирует доступную энергию, во вторых это единственный путь устранить горизонты когда все давления положительны. Но жизнь должна заселить всю вселенную, для того, чтобы направить последнюю по этому пути. Если жизнь попытается форсировать коллапс Тауба в масштабе, отличном от всей вселенной образуются горизонты и жизнь окажется в области, которая будет сворачиваться более быстро, чем вся вселенная. Информационные процессы могут продолжаться только в закрытой вселенной, которая заканчивается точечной п-границей, и при этом информационные процессы с необходимостью охватывают всю замкнутую вселенную. Другими словами, жизни для того, чтобы сохраниться, даже на самом примитивном уровне существования необходимо населить всю вселенную в какой-то момент будущего. Жизнь не имеет возможности оставаться в ограниченной области. Простое выживание диктует расселение. Но если жизнь завоевывает вселенную, тогда она имеет возможность существовать на более процветающем уровне.
Можно сделать и другие предположения. Например детальный анализ (см. приложение) того, как энергия должна быть использована для хранения информации приводит к
Третье проверяемое предсказание Теории Точки Омега: плотность состояний частицы должна стремиться к бесконечности, когда энергия стремиться к бесконечности, но тем не менее плотность состояний растет не быстрее, чем энергия в кубе.
Эти предсказания лишь показывают, что Теория Точки Омега - это теория будущего жизни во вселенной. К сожалению, это не слишком весомые или полезные предсказания, но нужно помнить, что физическая эсхатология очень молодая наука, и для развития новой идеи в физике нужно время. Рассказывают, что премьер-министр Великобритании, посетив М. Фарадея, только что сделавшего свое великое открытие электромагнетизма, спросил его: "А на что годится электричество, мистер Фарадей?" Фарадей ответил: "А на что годится новорожденный младенец? Вы должны подождать, пока он вырастет".
Эйнштейн изобрел космологию в 1917. Первое солидное предсказание в космологии, фоновое излучение вселенной, имеющее температуру 3 градуса Кельвина было сделано в 1948, и подтверждено в 1965. Янг и Миллс изобрели теорию локальной меры в 1954, Глэшоу использовал эти идеи в теории электрослабого взаимодействия в 1961, но массы частиц в ней брались от руки, теория была очевидно нелогична. Вейнберг и Салам добавили Хиггсовский механизм образования массы к теории Глэшоу в 1967 и 1968 соответственно, а т'Хуфт доказал, что теория Глэшоу-Вейнберга-Салама математически обоснована в 1971. Нейтральные токи, первое солидное предсказание этой теории были открыты в 1973. Даже в физике 20 века нужно около двадцати лет, чтобы получить действительно полезные результаты новой теории. Одно из последних предсказаний, которое пришло ко мне в феврале 1992 и может удовлетворять критерию полезности -
Четвертое проверяемое предсказание Теории Точки Омега: масса верхнего кварка должна быть 185+-20 ГэВ, а масса бозона Хиггса должна быть 220+-20 ГэВ. Эти числа говорят, что ширина бозона Хиггса должна быть 2,1 ГэВ, а отношение ширин распада бозона Хиггса на обратно поляризованные Z-бозоны и поляризованные по долготе Z-бозоны должно быть 0,55.
В частности, верхний кварк может быть найден (95% уверенности) когда общая светимость Теватрона Лаборатории Ферми достигнет 200 обратных пикобарн. Это значит, что он может быть найден во время двухгодичного пробега коллайдера, который начался в мае 1992, и который накопит светимость в 100 обратных пикобарн к концу 1994. (Если масса верхнего кварка меньше, чем 100 ГэВ, его могли бы найти в сентябре 1992. Я предсказывал, в феврале 1992, что этого не будет, и этого действительно не случилось. Верхний кварк будет найлен после полного пробега 1992-1994, если
его масса меньше 150 ГэВ). Однако, Теватрон найдет верхний кварк после 1996, поскольку планируется усовершенствование его главного инжектора в 1995, и это усовершенствование позволит найти верхний кварк в 1997, если его масса меньше 200 ГэВ, что является верхней границей оценки его массы из косвенных экспериментов. Во время пробега коллайдера Теватрона в 1988-89 было найдено одно событие, которое могло бы быть образованием пары верхний кварк-антикварк. Если бы это было так, тогда экспериментальные данные дают верхнего кварка в 120 ГэВ. Теория Точки Омега настаивает, что это событие не было образованием пары кварк-антикварк. В октябре 1992 текущий пробег Теватрона обнаружил событие, показанное на рис. 4.10, которое опять могло бы быть созданием пары кварк-антикварк. В этом случае обнаруженная масса верхнего кварка равна 180 ГэВ, в точности то, что предсказывает теория.
Предсказанная масса бозона Хиггса слишком велика, чтобы его можно было обнаружить на Теватроне, но масса в 220 ГэВ безусловно может быть найдена на ЦЕРНовском Большом Адроновом Коллайдере, который намечен к запуску в 1999. Общей светимости в 10^4 обратных пикобарн будет достаточно, чтобы найти бозон Хиггса; это значит, что даже более скромной светимости, чем та, которую разработчики планируют для Большого Адронового Коллайдера будет достаточно. Теория Точки Омега говорит, что бозон Хиггса будет найден в 2000 на Большом Адроновом Коллайдере (БАК). Если Сверхпроводимый Суперколлайдер (ССК) будет закончен в 2002, как намечено, на нем можно будет найти бозон Хиггса в 2003.
Все эти даты предполагают, что инструменты будут закончены, когда это изначально запланированно. К сожалению, такое завершение зависит не от физиков или инженеров, а от политиков. Как я говорил, есть даже некоторое сомнение, будут ли фонды для усовершенствования главного инжектора Теватрона. Стоимость такого усовершенствования около 200 миллионов долларов, что очень мало, по сравнению с затратами на БАК (2 миллиарда) и ССК (10 миллиардов), но в наши дни гигантского бюджетного дефицита...
Четвертое проверяемое предсказание получено из анализа процесса, с помощью которого информация, которая кодируется жизнью будет перенесена с обычной материи (в которой она закодирована сейчас) в форму, способную противостоять возрастающим температурам вблизи конечной сингулярности Точки Омега. Математические детали даны в приложении.
Но идея, лежащая в основе четвертого предсказания легка для объяснения. Информация может быть закодирована с помощью молекулярных систем - ее сегодняшней основы (как люди, так и компьютеры сейчас созданы из молекул), только до тех пор, пока температура излучения вселенной меньше, чем типичная энергия связи молекул. В зависимости от того, как много излучения будет генерировано жизнью в будущем, температура вселенной достигнет этого предела когда она свернется до размера примерно между ее нынешним размером и одной тысячной от него. Следовательно, информация должна быть перенесена на другую основу до наступления этого времени. Для того, чтобы этот перенос был эффективным, жизнь должна послать сигналы во всех направлениях по крайней мере один раз между временем максимального расширения и временем переноса информации. Помня, что вселенная должна сжиматься в 70 раз, чтобы позволить жизни послать сигналы через всю вселенную в одном из направлений, это означает, что вселенная должна быть в момент своего наибольшего расширения по крайней мере в 70^3 раз больше своего настоящего размера. Кроме того, она не может быть много больше этого размера при максимальном расширении, иначе вселенная будет слишком близка к плоской модели, в которой жизнь умрет, прежде чем максимальное расширение будет достигнуто. Но размер вселенной при максимальном расширении определяется двумя числами: константой Хаббла, которая говорит нам как быстро вселенная расширяется сейчас, и параметром плотности, который говорит о том, как быстро масса вселенной замедляет скорость ее расширения. Таким образом это может дать
Пятое проверяемое предсказание Теории Точки Омега: параметр плотности вселенной (Q) должен быть 4*10^-4 < Q-1 < 4*10^-6, а константа Хаббла должна быть меньше или равна 45 км/сек-мпарсек.
Но это лишь дает жизни возможность перенести информацию на другой субстрат. Единственным субстратом, который по-видимому будет доступен при низких температурах, и на который данный перенос можно будет сделать является сама вселенная. То есть, я предполагаю, что информация будет храниться в движущихся или стоячих волнах, используя саму вселенную как замкнутый объем для этих волн. Однако, кодирование информации во вселенной как целом может потребовать по крайней мере нескольких обходов светом во всех направлениях так, чтобы при этом температура и следовательно средний размер вселенной оставался постоянным. При сценарии Миснера этого не происходит, потому, что он требует сворачивания вселенной.
Но это может поле Хиггса (если оно реально). В соответствии со Стандартной Моделью в физике элементарных частиц, поле Хиггса пронизывает все пространство. Плотность энергии поля Хиггса может быть рассчитана, и она должна быть в 10^54 раз больше плотности энергии материи. Такое вычисление находится в согласии с экспериментом только если существует равное мощное отталкивающее гравитационное силовое поле, называемое Космологической Константой, которое компенсирует поле Хиггса везде в пространстве. Пока температура не станет очень высокой - около 100 ГэВ или 1000 триллионов градусов Цельсия эти всеобщие поля балансируют друг друга.
Однако, поле Хиггса изменяется при сжатии, а Космологическая Константа - нет. Это означает, что жизнь может использовать такое сжатие чтобы уменьшить поле Хиггса, позволяя таким образом отталкивающей Космологической Константе замедлить скорость коллапса вселенной. Вспомним, что даже во Фридмановской вселенной возможна модель, в которой свет обходит вселенную, если присутствует отрицательное давление - отталкивающая гравитационная сила. Грубый подсчет показывает, что изменения поля Хиггса при сжатии достаточно, чтобы позволить жизни замедлить коллапс вселенной для осуществления требуемого обхода ее светом в
промежутке времени между максимальным расширением вселенной и тем моментом, когда температура станет слишком горячей для молекулярного субстрата жизни.
Такое количество обходов светом должно быть максимализовано, и это соответственно масимализует вероятность того, что жизни удастся этот перенос. Соответсвенно масса бозона Хиггса должна быть максимальной. Но если массы бозона Хиггса и верхнего кварка будут слишком велики, то уравнения Стандартной Модели станут нестабильными для существующих сейчас условий. Таким образом мы получаем допустимые массы бозона Хиггса и верхнего кварка. Они даны в четвертом предсказании.
Не только массы бозона Хиггса и верхнего кварка должны иметь специфические значения, но и гравитационная отталкивающая сила Космологической Константы должна становиться заметной когда температура становится достаточно высокой. Этот эффект можно было бы наблюдать во время так называемых фазовых переходов Вейнберга-Салама. К сожалению я не знаю, как обсчитать результаты этого эффекта, и поэтому не могу сделать определенных предсказаний.
Как я обсуждал в главе 2, для того, чтобы жизнь могла действовать согласованно в самых огромных масштабах и была бы способна использовать хаос в уравнениях Эйнштейна, вселенная должна оставаться однородной в большом масштабе до времени обратного коллапса еще 10^18 лет в будущее. Однако, должны быть некоторые неоднородности в ранней вселенной, иначе не смогли бы существовать звезды и галактики. Поскольку неоднородности имеют тенденцию расти со временем, вселенная будет однородной в больших масштабах только если амплитуда неоднородностей в этих масштабах сейчас является очень малой. Амплитуда неоднородностей обычно выражается в понятии контраста плотности массы DR/R0, где DR - вариация плотности, отнесенная к средней плотности R0. Это дает
Шестое проверяемое предсказание Теории Точки Омега: спектр энергии контраста плотности DR/R0 должен быть типа Харрисона-Зельдовича. Кроме того, амплитуда контраста плотности в самых больших масштабах, которые мы можем видеть, должна быть меньше, чем 2*10^-4, и соответсвенно этому, температурные флуктуации фонового космического излучения должны быть меньше чем 6*10^-5.
Спектр энергии типа Харрисона-Зельдовича вводится потому, что это единственный тип спектра, который согласуется со вселенной, которая все еще будет примерно Фридмановской во время обратного коллапса, но которая также начинается с исходной Фридмановской сингулярности. Самые большие масштабы, которые мы можем видеть - это граница видимой вселенной. Амплитуда этого спектра получена исходя из того факта, что неоднородности в масштабе видимой вселенной не могут расти слишком сильно пока биосфера не достигнет пределов видимой вселенной. Неоднородности в таком масштабе было бы невозможно устранить в то время, когда вселенная начнет коллапсировать, и это в свою очередь означало бы появление горизонтов, что невозможно в соответствии со вторым предсказанием.
Как я обсуждал в главе 2, вселенная остывает по мере расширения. Это означает, что было время в прошлом, когда вселенная была настолько горяча, что она была непрозрачна как Солнце. Эту температуру вселенная имела когда ее объем составлял одну тысячную от теперешнего. Когда вселенная расширилась дальше, она резко стала прозрачной для излучения, и таким образом, когда мы наблюдаем фоновое космическое излучение, мы смотрим на вселенную в точности в тот момент, когда она стала прозрачной. Этот момент определяет границу видимой вселенной.
Данное предсказание в действительности разрешает Проблему Изотропии в космологии. Вспомним, что изотропия означает одинаковость во всех направлениях. Температура космического фонового излучения замечательно изотропна: она одна и та же во всех направлениях с точностью до 10^-5. Объяснение такой изотропии было серьезной проблемой, поскольку, если во вселенной доминировало излучение или материя со времен сингулярности Большого Взрыва 20 миллиардов лет назад, и расширение было в среднем изотропным, тогда излучение, приходящее с любого данного направления никогда за всю свою историю не будет в причинном контакте с излучением, приходящим из противоположного направления. Мы знаем из опыта, что когда два тела имеют ту же самую температуру, они обычно побывали в контакте. Но две части ранней вселенной из которых приходит фоновое излучение равны по температуре с точностью до 10^-5, хотя они никогда не были в причинном контакте.
Миснер старался объяснить температурную изотропию, говоря, что различные области были в причинном контакте, поскольку расширение не было изотропным: оно было Тауб-подобным, что разрешает множество обходов света. Но как мы видели выше, это объяснение Миснера не работает.
В 1981 Алан Гут из MIT предложил другое объяснение, которое он назвал "раздуванием". В модели Гута расширение вселенной от сингулярности Большого Взрыва не было ни с доминированием материи, ни с доминированием излучения. Напротив, в ранней вселенной существовала отталкивающая сила, в чем-то аналогичная Космологической Константе, описанной выше, которая "раздула" очень малую область, находившуюся в причинном контакте. Таким образом, в обоих решениях Проблемы Изотропии - Миснера и Гута - противоположные части неба имеют одинаковую температуру, потому что они однажды побывали в причинном контакте.
В моем решении эти температуры одинаковы потому, что в противном случае вселенная в далеком будущем будет негостеприимным местом для жизни. Будущее граничное условие определяет прошлое, а не прошлое граничное условие определяет будущее. Обычно люди думают, что это прошлое определяет будущее, а не наоборот. Но если уравнения эволюции детерминистичны, а время симметрично, как это и есть в уравнениях Эйнштейна, тогда граничные условия могут быть даны в любой момент времени; и точно так же правомерно думать, что будущее определяет прошлое.
Шестое предсказание показывает, что Теория Точки Омега по крайней мере так же сильна в смысле космологической модели как и Модель Раздувания. Обе теории предсказывают одинаковый спектр энергии для контраста плотности. Но в Теории Раздувания есть трудности с предсказанием амплитуды этого спектра и следовательно трудности с предсказанием амплитуды малых флуктуаций в фоновом космическом излучении. Такие флуктуации должны присутствовать в настоящем, поскольку ненулевой контраст плотности будет искажать фоновое излучение. Зная амплитуду и спектр энергии можно рассчитать амплитуду температурных флуктуаций фонового космического излучения. Ответ таков: амплитуда температурных флуктуаций меньше, чем 6*10^-5, что по порядку величины находится внутри ее наблюдаемой величины - 5*10^-6. Детали даны в приложении. Наши нынешние знания в космологии слишком ограничены, чтобы сделать вычисления, дающие более точный ответ, чем порядок величины.
Шестое предсказание важно, потому, что оно показывает, что контраст плотности в областях, которые никогда не были в причинном контакте тем не менее можно объяснить с помощью механизма, отличного от раздувания. Как я сказал выше, это объяснение приходит из конечного, а не начального граничного условия: что жизнь должна существовать на всем пути к Точке Омега.
Дата: 2018-12-28, просмотров: 240.