(Отступление. В термодинамике вводится некая характеристика состояния тел, называемая энтропией. Мой папа когда-то вспоминал о старой научно-популярной книге, которая называлась «Царица Мира и ее тень» (я, к сожалению, забыл, кто автор этой книги1). Царица – это, конечно, энергия, а тень – энтропия. В отличие от энергии, для которой существует закон сохранения, для энтропии второе начало термодинамики устанавливает закон возрастания (точней – неубывания). Процессы, в которых суммарная энтропия тел не изменяется, называются (считаются) обратимыми. Пример обратимого процесса – механическое движение без трения. Обратимые процессы – абстракция, предельный случай необратимых процессов, сопровождающихся увеличением суммарной энтропии тел (при трении, теплообмене и т. п.). Математически энтропия определяется как величина, прирост которой равен притоку тепла, деленному на абсолютную температуру (дополнительно принимается – точней, следует из общих принципов, – что энтропия при абсолютном нуле температуры и энтропия вакуума равны нулю).
Числовой пример для наглядности. Некое тело, имеющее температуру 200 градусов, отдает при теплообмене 400 калорий второму телу, имеющему температуру 100 градусов. Энтропия первого тела уменьшилась на 400/200, т. е. на 2 единицы, а энтропия второго тела возросла на 4 единицы. Суммарная энтропия возросла на 2 единицы, в соответствии с требованием второго начала. Заметим, что этот результат есть следствие того факта, что тепло передается от более горячего тела к более холодному.)
Возрастание суммарной энтропии при неравновесных процессах в конечном счете приводит к нагреванию вещества. Обратимся к космологии, к многолистным моделям. Если мы при этом предполагаем число барионов фиксированным, то энтропия, приходящаяся на барион, будет неограниченно возрастать. Вещество с каждым циклом будет неограниченно нагреваться, т. е. условия во Вселенной не будут повторяться!
Трудность устраняется, если отказаться от предположения о сохранении барионного заряда и считать, в соответствии с моей идеей 1966 года и ее последующим развитием многими другими авторами, что барионный заряд возникает из «энтропии» (т. е. нейтрального горячего вещества) на ранних стадиях космологического расширения Вселенной. В этом случае число образующихся барионов пропорционально энтропии на каждом цикле расширения – сжатия, т. е. условия эволюции вещества, образования структурных форм могут быть примерно одинаковыми в каждом цикле.)
Я впервые ввел термин «многолистная модель» в работе 1970 года. В своих последних статьях я употребляю тот же термин в несколько ином смысле; я упоминаю здесь об этом во избежание недоразумений.
В первой из трех последних статей (1979 года) рассмотрена модель, в которой пространство в среднем предполагается плоским. Предположено также, что космологическая постоянная Эйнштейна не равна нулю и отрицательна (хотя и очень мала по абсолютной величине). В этом случае, как показывают уравнения теории тяготения Эйнштейна, космологическое расширение неизбежно сменяется сжатием. При этом каждый цикл полностью повторяет предыдущий по своим средним характеристикам. Существенно, что модель является пространственно плоской. Рассмотрению наряду с плоской пространственной геометрией (геометрией Евклида) также геометрии Лобачевского и геометрии гиперсферы (трехмерный аналог двухмерной сферы) посвящены две следующие работы. В этих случаях, однако, возникает еще одна проблема. Увеличение энтропии приводит к увеличению радиуса Вселенной в соответствующие моменты каждого цикла. Экстраполируя в прошлое, мы получаем, что каждому данному циклу могло предшествовать лишь конечное число циклов.
В «стандартной» (однолистной) космологии существует проблема: что было до момента максимальной плотности? В многолистных космологиях (кроме случая пространственно-плоской модели) от этой проблемы не удается уйти – вопрос переносится к моменту начала расширения первого цикла. Можно стать на ту точку зрения, что начало расширения первого цикла или, в случае стандартной модели, единственного цикла – это Момент Сотворения Мира – и поэтому вопрос о том, что было до этого, лежит за пределами научного исследования. Однако, быть может, так же – или, по-моему, больше – правомерен и плодотворен подход, допускающий неограниченное научное исследование материального мира и пространства – времени. При этом, по-видимому, нет места Акту Творения, но основная религиозная концепция божественного смысла Бытия не затрагивается наукой, лежит за ее пределами.
Мне известны две альтернативные гипотезы, относящиеся к обсуждаемой проблеме. Одна из них, как мне кажется, впервые высказана мною в 1966 году и подвергалась ряду уточнений в последующих работах. Это гипотеза «поворота стрелы времени». Она тесно связана с так называемой проблемой обратимости.
Как я уже писал, в природе не существует полностью обратимых процессов. Трение, теплопередача, излучение света, химические реакции, жизненные процессы характеризуются необратимостью, разительным отличием прошлого от будущего. Если заснять на пленку какой-то необратимый процесс и затем пустить кинофильм в обратную сторону, то мы увидим на экране то, что не может происходить в действительности (например, маховик, вращающийся по инерции, увеличивает скорость своего вращения, а подшипники охлаждаются). Количественно необратимость выражается в монотонном возрастании энтропии. Вместе с тем входящие в состав всех тел атомы, электроны, атомные ядра и т. п. двигаются по законам механики (квантовой, но это тут не существенно), которые обладают полной обратимостью во времени (в квантовой теории поля – с одновременным СР-отражением – см. в первой части). Несимметрия двух направлений времени (наличие «стрелы времени», как говорят) при симметрии уравнений движения давно уже обратила на себя внимание создателей статистической механики. Обсуждение этого вопроса началось еще в последние десятилетия прошлого века и проходило иногда довольно бурно. Решение, которое более или менее устроило всех, заключалось в гипотезе, что асимметрия обусловлена начальными условиями движения и положения всех атомов и полей «в бесконечно удаленном прошлом». Эти начальные условия должны быть в некотором точно определенном смысле «случайными».
Как я предположил (в 1966 году и, в более явной форме, – в 1980 году), в космологических теориях, имеющих выделенную точку по времени, следует относить эти случайные начальные условия не к бесконечно удаленному прошлому (), а к этой выделенной точке (t = 0).
Тогда автоматически в этой точке энтропия имеет минимальное значение, а при удалении от нее во времени вперед или назад энтропия возрастает. Это и есть то, что я назвал «поворотом стрелы времени». Так как при обращении стрелы времени обращаются все процессы, в том числе информационные (включая процессы жизни), никаких парадоксов не возникает. Изложенные выше идеи об обращении стрелы времени, насколько я знаю, не получили признания в научном мире. Но они представляются мне интересными.
Поворот стрелы времени восстанавливает в космологической картине мира симметрию двух направлений времени, присущую уравнениям движения!
В 1966–1967 гг. я предположил, что в точке поворота стрелы времени происходит СРТ-отражение. Это предположение было одной из отправных точек моей работы по барионной асимметрии. Здесь я изложу другую гипотезу (Киржниц, Линде, Гут, Тернер и другие приложили руку; мне здесь принадлежит только замечание, что имеет место поворот стрелы времени).
В современных теориях элементарных частиц предполагается, что вакуум может существовать в различных состояниях: устойчивом, обладающем плотностью энергии, с большой точностью равной нулю, и неустойчивом, обладающем огромной положительной плотностью энергии (эффективной космологической постоянной). Последнее состояние иногда называют «ложным вакуумом».
Одно из решений уравнений общей теории относительности для таких теорий таково. Вселенная замкнута, т. е. в каждый момент представляет собой «гиперсферу» конечного объема (гиперсфера – трехмерный аналог двухмерной поверхности сферы; гиперсферу можно представлять себе «вложенной» в четырехмерное евклидовское пространство, так же как двухмерная сфера «вкладывается» в трехмерное пространство). Радиус гиперсферы имеет минимальное конечное значение в некоторый момент времени (обозначим его t = 0) и возрастает при удалении от этой точки как вперед, так и назад по времени. Энтропия равна нулю для ложного вакуума (как и для всякого вакуума вообще) и при удалении от точки t = 0 вперед или назад во времени возрастает вследствие распада ложного вакуума, переходящего в устойчивое состояние истинного вакуума. Таким образом, в точке t = 0 происходит поворот стрелы времени (но нет космологической СРТ-симметрии, которая требует в точке отражения бесконечного сжатия). Так же как в случае СРТ-симметрии, все сохраняющиеся заряды тут тоже равны нулю (по тривиальной причине – при t = 0 вакуумное состояние). Поэтому в этом случае также необходимо предположить динамическое возникновение наблюдаемой барионной асимметрии, обусловленное нарушением СР-инвариантности.
