1. Общее описание
В этой книге выдающийся математик и физик Роджер Пенроуз обращается к одной из самых глубоких загадок космологии: вопросу о том, что предшествовало Большому взрыву, и почему Вселенная началась с состояния столь необычайно низкой энтропии. Основная проблема, которую решает автор, заключается в кажущемся противоречии между Вторым законом термодинамики, согласно которому хаос во Вселенной должен неуклонно расти, и высокоупорядоченным состоянием материи в момент её рождения. Пенроуз считает общепринятую теорию космической инфляции недостаточной, так как она не объясняет изначальную «особость» Большого взрыва в отношении гравитации, а лишь пытается сгладить уже существующие неоднородности.
Вместо традиционных моделей автор предлагает конформную циклическую космологию (CCC). Его метод опирается на глубокий анализ световой геометрии пространства-времени (конформной геометрии) и термодинамики чёрных дыр. Пенроуз утверждает, что бесконечно расширяющееся будущее Вселенной, где вся материя в конечном итоге распадается до безмассовых частиц (фотонов), становится физически неотличимым от высокоэнергетического состояния Большого взрыва. Таким образом, конец одного «эона» (космической эпохи) превращается в начало следующего через математическую процедуру конформного перемасштабирования.
Пенроуз активно полемизирует со сторонниками теории инфляции и «квантовых флуктуаций» как первопричины структуры Вселенной. В своих рассуждениях он опирается на классическую общую теорию относительности Эйнштейна, идеи Людвига Больцмана об энтропии и работы Пола Тода по гипотезе вейлевской кривизны.
2. Основные тезисы
- Загадка Второго закона: Второй закон термодинамики требует, чтобы Вселенная началась в исключительно маловероятном состоянии низкой энтропии. Это низкоэнтропийное состояние обусловлено подавлением гравитационных степеней свободы в момент Большого взрыва.
- Гипотеза вейлевской кривизны (WCH): В то время как кривизна пространства-времени, связанная с материей (тензор Риччи), была огромной в начале Вселенной, конформная кривизна (тензор Вейля), отвечающая за гравитационные степени свободы, была равна нулю. Это и обеспечило низкую начальную энтропию.
- Конформная инвариантность: При экстремально высоких температурах в начале Вселенной и при почти пустом пространстве в далёком будущем материя ведет себя как безмассовая. Для безмассовых частиц (таких как фотоны) важна только «форма» (конформная структура) пространства-времени, а не его абсолютный масштаб.
- Вселенная как последовательность эонов: Наша Вселенная — лишь один «эон» в бесконечной последовательности. Расширение в конце одного эона математически переходит в Большой взрыв следующего.
- Исчезновение информации в чёрных дырах: Ключом к «сбросу» энтропии между эонами является испарение чёрных дыр через излучение Хокинга и окончательное уничтожение информации в их сингулярностях.
3. Краткое описание глав
Часть 1. Второй закон и стоящая за ним тайна. Автор вводит понятие энтропии как меры «случайности» и беспорядка. Используя модель фазового пространства Больцмана, Пенроуз объясняет, почему в будущем энтропия неизбежно растёт: фазовая точка системы просто переходит в гораздо более объёмные области, соответствующие макроскопически хаотичным состояниям. Основной вывод главы: Второй закон термодинамики — это не следствие динамических законов, а проявление того факта, что прошлое Вселенной было крайне специфичным и упорядоченным.
Часть 2. Необычайно специфическая природа Большого взрыва. Глава посвящена доказательствам расширения Вселенной и анализу космического микроволнового фона (CMB). Пенроуз указывает на парадокс: спектр CMB соответствует тепловому равновесию (максимальной энтропии), что, казалось бы, противоречит необходимости низкой начальной энтропии. Решение кроется в гравитации: в ранней Вселенной вещество было распределено равномерно, что для гравитации является состоянием крайне низкой энтропии, в отличие от газа в ящике. Здесь же описываются чёрные дыры и сингулярности как места, где энтропия достигает колоссальных значений.
Часть 3. Конформная циклическая космология. Центральная часть книги, где излагается сама модель CCC. Пенроуз описывает переход между эонами: в очень далёком будущем, когда чёрные дыры испарятся, а частицы потеряют массу (как предполагает автор), Вселенная «забудет» о времени и масштабе. Это позволяет соединить пространственно-подобную бесконечность будущего одного эона с пространственно-подобной сингулярностью Большого взрыва следующего. Автор также обсуждает тёмную материю как частицы, приходящие из предыдущего эона. В завершение предлагаются способы проверки теории: например, поиск в CMB концентрических кругов — следов столкновений сверхмассивных чёрных дыр, произошедших ещё до нашего Большого взрыва.