Космологи витратили десятиліття, намагаючись зрозуміти, чому наш Всесвіт такий, який він є. Наскільки ми можемо судити, він не тільки гладкий і плоский, а й розширюється з дедалі повільнішою швидкістю.
Хоча, за їхніми ж розрахунками, має переважати протилежна тенденція. Наївні розрахунки показують, що після Великого вибуху простір буквально сміється над гравітацією і розлітається під дією відразливої темної енергії.
Щоб пояснити площинність космосу, фізики навіть додали довільну главу в космічну історію: вони припускають, що на зорі часів простір швидко надувся, як повітряна куля, тоді кривизна зникла як фізичне явище.
А щоб пояснити м'яке зростання простору після початкової фази інфляції, деякі вчені стверджують, що наш Всесвіт - лише один із варіантів у гігантській каруселі мультивсесвіту.
Але тепер два фізики революціонізували звичні уявлення про "ванільний" Всесвіт. Продовжуючи лінію досліджень, започатковану Стівеном Гокінгом і Гері Гіббонсом, дует опублікував нові розрахунки, що свідчать про те, що простота космосу скоріше очікувана, це ніяка не аномалія.
На думку Ніла Турока з Единбурзького університету та Летема Бойла з Інституту теоретичної фізики Періметр (Ватерлоо, Канада), Всесвіт нематеріальний з тієї самої причини, з якої повітря рівномірно поширюється по кімнаті: більш екстремальні варіанти можливі, але вкрай малоймовірні.
Всесвіт "може здаватися надзвичайно тонко налаштованим, надзвичайно малоймовірним, але [вони] кажуть: "Зачекайте, це сприятливий варіант", - каже Томас Хертог, космолог із Левенського католицького університету в Бельгії.
"Це новий внесок, заснований на інших методах, ніж ті, якими користуються більшість людей", - вказує Стеффен Гілен, космолог з Університету Шеффілда, Велика Британія.
Провокаційний висновок ґрунтується на математичному трюку з перемиканням на годинник, який цокає з уявними числами.
Використовуючи уявний годинник, як це зробив Гокінг у 70-х роках, Турок і Бойл змогли розрахувати ентропію, яка відповідає цілому Всесвіту.
Але трюк з уявним часом - це обхідний шлях обчислення ентропії, і без більш суворого методу значення цієї величини залишається предметом палких суперечок. Поки фізики ламають голову над правильною інтерпретацією розрахунку ентропії, багато хто побачив новий орієнтир на шляху до фундаментальної, квантової природи простору і часу.
"Якимось чином, - пише Гілен, - з'являється можливість помітити мікроструктуру простору-часу".
Термодинаміка і квантова теорія
Турок і Бойл, які часто співпрацюють один з одним, відомі тим, що вигадують креативні та неортодоксальні ідеї в галузі космології. Минулого року для обґрунтування ймовірності існування нашого Всесвіту вони використовували метод, розроблений у 40-х роках фізиком Річардом Фейнманом.
Прагнучи описати ймовірнісну поведінку частинок, Фейнман уявив, що частка досліджує всі можливі траєкторії, що зв'язують початок і кінець її шляху: пряма лінія, крива, петля, і так до нескінченності. Він придумав спосіб присвоїти кожному маршруту число, пов'язане з його ймовірністю, і таким чином скласти всі числа.
Техніка "інтегрального шляху" стала потужною основою для прогнозування ймовірної поведінки будь-якої квантової системи.
Щойно Фейнман відрекламував свою ідею, вчені помітили цікавий зв'язок із термодинамікою, поважною наукою про температуру та енергію. Саме цей міст між квантовою теорією і термодинамікою дозволив Туроку і Бойлю провести нові розрахунки.
Термодинаміка використовує можливості статистики для того, щоб за допомогою кількох показників описати систему з безлічі частин, наприклад, мільйон молекул повітря, які метушаться кімнатою.
Або температуру, - по суті, середню швидкість молекул повітря, - яка дає приблизне уявлення про енергію в кімнаті. Такі загальні властивості, як температура і тиск, описують "макростан" кімнати.
Але макростан - це грубий опис; молекули повітря можуть бути розташовані нескінченною кількістю способів, які відповідають одному й тому самому макростану.
Зсуньте один атом кисню трохи вліво, і температура не зміниться. Кожна унікальна мікроскопічна конфігурація відома як мікростан, а кількість мікростанів, що відповідають даному макростану, визначає ентропію.
Саме ентропія надає фізикам можливість порівняти шанси різних результатів: що вища ентропія макростану, то більша ймовірність його настання.
У молекул повітря набагато більше можливостей розташуватися по всій кімнаті, ніж, наприклад, у кам'яного вугілля.
У результаті можна очікувати, що молекули повітря розлетяться. Самоочевидна істина про те, що ймовірнісні результати ймовірні, стає знаменитим другим законом термодинаміки: загальна ентропія системи має тенденцію до зростання.
Подібність з інтегральними шляхами була безпомилковою: у термодинаміці ви підсумовуєте всі можливі конфігурації системи. А в інтегралі шляху ви підсумовуєте всі можливі напрямки, за якими може рухатися система.
Є тільки одна досить очевидна відмінність: термодинаміка має справу з імовірностями, які являють собою позитивні числа, що прямолінійно складаються одне з одним.
Однак в інтегральних шляхах число, що присвоюється кожному маршруту, є комплексним, тобто воно включає уявне число i, квадратний корінь з -1. Комплексні числа під час додавання можуть збільшуватися або зменшуватися, що дає їм змогу відображати хвилеподібну природу квантових частинок, які мають властивість об'єднуватися або анулюватися.
Однак фізики виявили, що просте перетворення може перенести спостерігача з однієї сфери в іншу. Зробіть час уявним, і в інтеграл шляху увійде друге i, яке погасить перше, перетворивши уявні числа на реальні ймовірності. Замініть змінну часу на зворотну величину температури, і ви отримаєте добре відоме термодинамічне рівняння.
Ентропія чорних дір
Згідно з теорією відносності Ейнштейна, простір і час утворюють єдину тканину реальності - простір-час, тоді як сила гравітації - це тенденція об'єктів слідувати за складками цього самого простору-часу.
В екстремальних обставинах простір-час може викривлятися досить круто, щоб створити неминучий Алькатрас, чорну діру.
У 1973 році Якоб Бекенштейн висунув єретичну ідею про те, що чорні діри є недосконалими космічними в'язницями. Він міркував, що безодня повинна поглинати ентропію, а не видаляти її із Всесвіту, порушуючи другий закон термодинаміки.
Але якщо чорні діри мають ентропію, вони також повинні мати температуру і випромінювати тепло.
Скептично налаштований Стівен Гокінг спробував довести, що Бекенштейн не правий, розпочавши складні розрахунки того, як квантові частинки поводяться у викривленому просторі-часі чорної діри.
На свій подив, 1974 року він виявив, що чорні діри дійсно випромінюють тепло. Ще один розрахунок підтвердив здогадку Бекенштейна: ентропія чорної діри дорівнює чверті площі її горизонту подій - точки неповернення для об'єкта, що падає.
У наступні роки британські фізики Малкольм Перрі та Гіббонс, а пізніше Гіббонс і Гокінг дійшли того самого результату, використовуючи інший метод. Вони визначили інтеграл шляху, підсумовуючи всі способи, якими простір-час може згинатися, створюючи чорну діру.
Вони "обертали" чорну діру, позначаючи плин часу уявними числами, і уважно вивчали її форму. Науковці дійшли висновку, що в напрямку уявного часу ЧД періодично повертається у вихідний стан. Такий уявний час схожий на день бабака, але він надає об'єкту певного стазису, що дає змогу розрахувати його температуру й ентропію.
Вони могли б не довіряти результатам, якби відповіді не збігалися з даними, розрахованими раніше Бекенштейном і Гокінгом. До кінця десятиліття їхня колективна робота призвела до разючого висновку: ентропія чорних дір передбачає, що простір-час складається з крихітних шматочків, що перебудовуються, подібно до того, як повітря складається з молекул.
І дивним чином, навіть не знаючи, що являють собою ці "гравітаційні атоми", фізики можуть визначити їхнє розташування, дивлячись на чорну діру в уявному часі.
"Саме цей результат глибоко, глибоко вплинув на Гокінга", - стверджує Хертог, колишній аспірант і давній його співробітник.
Гокінг одразу ж задався питанням, чи буде обертання Віка працювати не тільки для чорних дір.
"Якщо ця геометрія фіксує квантову властивість чорної діри, - пояснює Хертог, - то непереборне бажання зробити те ж саме з космологічними властивостями всього Всесвіту".
Нерівна поїздка
Незабаром Гокінг і Гіббонс вік-ротували один із найпростіших мислимих всесвітів - всесвіт, який не містить нічого, окрім темної енергії, вбудовану в сам простір.
Цей порожній всесвіт, що розширюється, званий простором-часом "де Сіттера", має горизонт, за яким простір розширюється настільки швидко, що ніякий сигнал ніколи не досягне спостерігача в центрі самого простору.
У 1977 році Гіббонс і Гокінг розрахували, що, подібно до чорної діри, всесвіт де Сіттера також має ентропію, що дорівнює одній четвертій площі його горизонту. І знову здавалося, що простір-час має лічену кількість мікростанів.
Але питання про ентропію реального Всесвіту залишається відкритим. Наш Всесвіт не порожній; він сповнений випромінювання, потоків галактик і темної матерії.
У юному всесвіті світло сприяло швидкому розширенню простору, потім гравітаційне тяжіння матерії сповільнило процес у його підлітковому віці.
Тепер темна енергія, схоже, взяла на себе відповідальність і привела в рух побіжне розширення.
"Історія розширення - нерівна поїздка, - каже Хертог. - Отримати однозначне рішення не так-то просто".
За останній рік або близько того Бойл і Турок побудували саме таке рішення. Спочатку, у січні 2022-го, граючись із мікроскопічними космологіями, вони помітили, що додавання випромінювання до простору-часу де Сіттера не псує простоту, необхідну для вік-обертання Всесвіту.
Потім влітку вони виявили, що ця техніка витримує навіть безладне включення матерії. Математична крива, що описує складнішу історію розширення, все одно потрапляє в певну групу простих в обертанні функцій, а світ термодинаміки залишається доступним.
"Це обертання Віка - каламутна справа, коли ви віддаляєтеся від дуже симетричного простору-часу", - журиться Гільєрме Лейте Піментел, космолог зі Scuola Normale Superiore, Піза, Італія. - Але їм вдалося його знайти".
Обертаючи по Віку історію розширення більш реалістичного класу всесвітів, вони отримали універсальне рівняння для космічної ентропії.
Для широкого діапазону космічних макростанів, що визначаються випромінюванням, матерією, кривизною і щільністю темної енергії (подібно до того, як діапазон температур і тисків визначає різні можливі середовища в кімнаті), формула видає кількість відповідних мікростанів. Турок і Бойл опублікували свої результати в Інтернеті на початку жовтня.
Експерти високо оцінили явний, кількісний результат. Але зі свого рівняння ентропії Бойл і Турок зробили нетрадиційний висновок про природу нашого Всесвіту.
"Саме тут усе стає трохи цікавішим і трохи суперечливішим", - думає Хертог.
Бойл і Турок вважають, що рівняння переписує всі мислимі космічні історії. Подібно до того, як ентропія кімнати підраховує всі способи розташування молекул повітря для даної температури, ентропія визначає всі способи, якими можна перемішати атоми простору-часу і в підсумку отримати Всесвіт із заданою загальною історією, кривизною і щільністю темної енергії.
Бойл порівнює цей процес з оглядом гігантського мішка з кульками, кожна з яких являє собою окремий всесвіт.
Ті, що мають негативну кривизну, можуть бути зеленими. Ті, де присутня темна енергія, має котячі очі, і так далі.
Однак виявилося, що більшість кульок мають лише один колір - синій, і він відповідає одному типу всесвіту: загалом схожому на наш власний, без помітної кривизни та з невеликою кількістю темної енергії. Більш дивні типи космосу зустрічаються вкрай рідко.
Іншими словами, дивні особливості нашого Всесвіту, які послужили підставою для теоретичних пошуків космічної інфляції, можуть бути зовсім не дивними.
"Дуже інтригуючий результат, - каже Хертог. - Він піднімає більше запитань, ніж надає відповідей".
Квантові теорії гравітації та космологія
Бойл і Турок розрахували рівняння, яке визначає кількість всесвітів. І вони зробили вражаюче спостереження, що всесвіти, подібні до нашого, становлять левову частку можливих космічних варіантів. Але на цьому впевненість закінчується.
Дует поки що не знає, які квантові теорії гравітації та космології можуть зробити певні всесвіти звичайними або рідкісними. Вони також не пояснюють, як з'явився наш Всесвіт з його особливою конфігурацією мікроскопічних частин.
Зрештою, вони розглядають, яким видам всесвітів надають перевагу, але не прагнуть до побудови загальної космологічної теорії.
"Те, що ми використовували, - це дешевий трюк, що дає змогу отримати відповідь, не знаючи, що таке теорія", - каже Турок.
Але їхня робота реанімує питання, поставлене Гіббонсом і Гокінгом: що саме являють собою мікростани, які підраховує дешевий математичний трюк?
"Головне тут - сказати, що ми не знаємо, що означає ця ентропія", - зізнається Генрі Максфілд, фізик зі Стенфордського університету, який вивчає квантові теорії гравітації.
У своїй основі ентропія містить у собі незнання. Наприклад, для характеристики газу, що складається з молекул, фізики використовують дані про температуру, середню швидкість частинок, але не те, що робить кожна частинка; саме таким чином ентропія газу відображає кількість можливих варіантів.
