Откуда во Вселенной взялась сложность?

Физический мир сложен: тут есть место и джунглям, и интернету, и собранию сочинений Шекспира. Тем не менее наши основные принципы обещают сотворить все это, имея в распоряжении лишь несколько составляющих, несколько законов и странно простой источник.

 

Возникает вопрос: а откуда в принципе появляется сложность? 

 

 

 

Эти цитаты описывают так называемый эффект Матфея, хотя Евангелие от Марка почти наверняка написано раньше. Попросту говоря, смысл таков: «богатые становятся богаче, а бедные — беднее». Гравитационная неустойчивость, играющая центральную роль в усложнении Вселенной, — тоже пример эффекта Матфея. Плотные области Вселенной обладают более мощным притяжением, там накапливается больше материи, и в результате они еще сильнее уплотняются. Области с плотностью ниже средней, наоборот, все больше опустошаются. Таким образом, разница в плотности со временем нарастает.

 

Чтобы извлечь больше информации из теории Большого взрыва, нам нужно отказаться от предположения, что изначальное вещество распределялось полностью однородно. Даже минимальных отклонений было бы достаточно, поскольку со временем они усиливаются за счет гравитационной неустойчивости.

 

К счастью, космический микроволновый фон, который дает нам картину Вселенной через 380 000 лет после Большого взрыва, не совсем однороден. Его интенсивность меняется в зависимости от угла в пределах нескольких десятитысячных, и эта величина отражает контраст плотности того же уровня. Возможность обнаруживать такие крошечные неоднородности стала триумфом экспериментальной техники. Джон Мазер и Джордж Смут разделили Нобелевскую премию 2006 года за работу по этой теме.
 

Согласно расчетам, со временем неоднородность могла значительно вырасти. Это и позволило более плотным областям Вселенной превратиться в галактики, звезды и структуры, которые мы наблюдаем сегодня.

 

Почему материя в ранней Вселенной была почти, но все-таки не абсолютно однородной? Мы не знаем наверняка, но есть прекрасная гипотеза, которой я хотел бы поделиться.

 

Теория космической инфляции при поверхностном рассмотрении предлагает объяснение идеальной однородности. Но с точки зрения фундаментальной физики и квантовых полей все несколько сложнее. Квантовым полям присуща квантово-механическая неопределенность. Из-за этого они не могут создать идеальную однородность, хотя могут приблизиться к ней. Возможно, правильная физическая реализация теории инфляции еще убедит нас в том, что образованию наблюдаемых нами космических структур способствовала квантовая неопределенность в ранней Вселенной.

 

 

Реакции ядерного горения, протекающие на Солнце, — ключевой фактор для образования динамической сложности на Земле. К счастью, Солнце все еще развивается. Оно пока не пришло к равновесию. Однако материя, согласно теории Большого взрыва, зародилась в тепловом равновесии. Как же наше Солнце избежало этого?

 

Мы можем проследить цепь событий. Космический огненный шар расширялся и охлаждался. Для теплового равновесия нужны частые взаимодействия, но наш шар со временем становился все менее горячим и более вялым. Взаимодействия в нем происходили все реже. И вот равновесие начало нарушаться. Наличие таких нарушений можно предположить в космическом микроволновом фоне и других пока не обнаруженных долгоживущих послесвечениях, которые мы обсуждали раньше. В них фотоны — или нейтрино, гравитоны и аксионы — взаимодействуют очень редко.

 

Так что ядерное горение во время Большого взрыва не дошло до логического завершения. В расширяющейся Вселенной многие протоны не смогли найти друг друга и начали объединяться лишь гораздо позже — на Солнце и в других звездах. Эта горючая смесь ядер, возникшая в результате Большого взрыва, — еще одно из его долгоживущих послесвечений.

 

 

Кости, боулинг и многие другие игры и спортивные соревнования были бы скучными — хотя, возможно, и прибыльными, — если бы вы всегда могли добиваться нужного результата. Научились каждый раз выбрасывать семерку или выбивать страйк — и выигрыш в кармане. Но на практике это невозможно, потому что небольшие мелочи: различия в мышечных движениях, влажность руки, прилипшая грязь на шаре — играют здесь свою роль. Короче говоря, результат сильно зависит от многих факторов, которые практически невозможно предсказать или проконтролировать.

 

Точно так же, когда в игру вступает гравитационная неустойчивость и материя начинает слипаться, форма, которую эти сгустки в итоге примут, сильно зависит от начальных положений и скоростей отдельных частиц. Расчеты показывают, что из очень похожих газовых облаков могут образовываться совершенно разные галактики и системы. Даже небольшие изменения в начальных положениях нескольких частиц могут повлиять на количество звезд и планет.

 

Наблюдения подтверждают это. Астрономы давно заметили, что звезды часто образуют двойные системы. В последнее время активно исследуются экзопланеты, то есть планеты, вращающиеся вокруг других звезд. Размеры и расположение этих планет могут сильно разниться.

 

Очень небольшие изменения в ранней истории Солнечной системы могли привести к тому, что один астероид столкнулся с Землей и убил динозавров, а другой промахнулся.

 

Таким образом, хотя несколько ингредиентов, несколько законов и странно простой источник определяют общий ход космической истории, они не в состоянии предсказать ее всевозможные мелкие детали. Мир подобен дереву: растет, повинуясь простым правилам, но образует много ветвей, немного отличных друг от друга. И каждая ветвь — дом для множества разнообразных птиц и насекомых.

 

Нет никакого противоречия в том, что история, скажем, Швеции сложнее, чем история Вселенной. Наши фундаментальные принципы предсказывают это.

 

 

На первый взгляд отдаленное будущее Вселенной кажется мрачным. Галактики будут удаляться, у звезд закончится ядерное топливо, микроволновое фоновое излучение превратится в радиоволны и иссякнет. Еще до появления теории Большого взрыва и открытий Хаббла космологов беспокоила перспектива «тепловой смерти» Вселенной, поскольку ее приближение к некоему равновесию казалось неизбежным. Предполагалось, что дальше ничего интересного уже не произойдет.

 

Первое, что нужно сказать по этому поводу: в ближайшее время беспокоиться не о чем. У нашего Солнца в запасе по крайней мере пара миллиардов благополучных лет, да и другие звезды продолжают рождаться в разных уголках нашей Галактики. Многие из них (М-звезды) будут излучать тепло намного дольше всей жизни Солнца.

 

Имея такой резерв времени, мы не должны недооценивать и то, насколько креативно наши изобретательные инженеры могут подойти к проблеме тепловой смерти. Сферы Дайсона, размещенные вокруг искусственно созданных звезд, вместе с энергосберегающими технологиями могли бы поддерживать разумную жизнь намного дольше, чем это делают звезды в естественных условиях.

 

Особенно приятно, что разум требует для своего функционирования совсем немного энергии — а иногда может обходиться и вовсе без нее. Квантовые компьютеры лучше всего функционируют в холоде и темноте, где ничто не мешает их деликатной работе. Достаточно сложный временной кристалл(кристаллы времени — это физические системы, которые спонтанно входят в устойчивые циклы поведения. Я предложил эту концепцию в 2012 году, и с тех пор было найдено много интересных примеров таких систем, как теоретических, так и экспериментально реализованных) такого типа может запускать программу снова и снова на радость содержащему его искусственному интеллекту.

 

Наконец, мы должны помнить, что наше понимание устройства Вселенной остается неполным с научной точки зрения и постоянно развивается. Самое, казалось бы, ясное представление о каждом из наших фундаментальных принципов радикально изменилось всего за последние сто лет. Научимся ли мы сжигать «мертвые» звезды, высвобождать содержащуюся в них энергию E = mc2 — и использовать ее? В единых теориях предполагается, что протоны нестабильны. В них также предполагается существование превосходных «катализаторов» распада протонов — так называемых магнитных монополей или, возможно, космических струн. Таким образом, эти предположения не совсем беспочвенны.

 

Сможем ли мы искусственно воспроизвести Большой взрыв и создать сами новую Вселенную? А использовать в качестве источника энергии темную материю? (аксионы, в принципе, могут вступать в реакции горения, но энергия, которую вы сможете получить таким образом, ничтожна по солнечным стандартам, так что это, похоже, последняя отчаянная попытка). Мы не знаем ответов, и, конечно же, на этом длинном пути могут возникнуть другие приятные сюрпризы. Несколько миллиардов лет по меркам истории науки и техники — большой срок.

 

 

Вселенная — некоторые называют ее Библиотекой — состоит из огромного, возможно бесконечного, числа шестигранных галерей с широкими вентиляционными колодцами, огражденными невысокими перилами.

Хорхе Луис Борхес. Вавилонская библиотека

 

Здесь, в пятнадцати словах, я представлю простой алгоритм, пригодный для написания и Полного собрания сочинений Шекспира, и статьи, которая получит Нобелевскую премию по физике в 2025 году, и по крайней мере одного доказательства великой теоремы Ферма.

 

1. Случайным образом выбрать символ — букву, цифру, пробел или знак препинания.

2. Записать его.

3. Повторить первый пункт.

 

Результат будет содержать все обещанное и многое другое.

 

У Борхеса похожие мысли выражены более поэтично. Кстати, наш алгоритм годится и для написания «Вавилонской библиотеки» (Вавилонская библиотека - рассказ аргентинского писателя Хорхе Луиса Борхеса, в котором он описывает особую вселенную-Библиотеку. В ней нет двух одинаковых книг. В каждой книге используется 25 символов. Хотя процент осмысленных книг от общего количества очень небольшой (так как книги представляют собой комбинаторный перебор всех возможных вариантов 25 знаков), такие книги потенциально содержат абсолютно все созданные и даже несозданные человечеством тексты). Этот парадоксальный мысленный эксперимент показывает, как очень простая — то есть легко описываемая — структура может содержать огромные сложности. И он отлично отражает реальность.

 

Квантово-механические волновые функции содержат огромное количество информации; функция чего-то такого большого, как наша Вселенная, могла бы легко вместить и Вавилонскую библиотеку. Простые правила генерируют «информационно емкие» волновые функции, так же как наш простой алгоритм позволяет получить сложнейшие результаты.

 

Если собрать эти мысли вместе, возникнет соблазн думать, что волновая функция Вселенной порождается простым правилом, которое еще предстоит открыть. Если это так, то Вселенная, которую мы воспринимаем и частью которой являемся, лучше всего иллюстрирует «возникновение сложности».