Джордж Эллис - Далекое будущее Вселенной Эсхатология в космической перспективе

• Название: Далекое будущее Вселенной Эсхатология в космической перспективе
• Автор: Джордж Эллис
• Издательство: ББИ
• Жанр: Философия
• Год: 2012
• ISBN: 978–5-89647–271–1

Настанет ли в процессе развития вселенной такой момент, когда существование человечества подойдет к концу? И как насчет самой вселенной — погибнет ли она когда‑нибудь или будет существовать вечно? Подборка рассуждений на эти темы представлена в сборнике «Вселенная в далеком будущем», вышедшем под редакцией Джорджа Эллиса и состоящем из восемнадцати статей. Различные перспективы, обсуждаемые авторами этой книги, базируются на научных открытиях прошлого и настоящего, проецируемых в будущее. Эти рассуждения стимулируют, бросают вызов, побуждают к дальнейшим размышлениям, однако не дают забывать о том, что, возможно, наши теории не удастся проверить до конца времен.

Просуществует ли вселенная еще сто миллиардов лет? Не претерпит ли катастрофического превращения наше нынешнее пространство, обратившись в иное пространство с иными физическими законами? Можем ли мы построить богословие будущей вселенной? В этой книге ведущие богословы, философы и ученые вместе обсуждают далекое прошлое и далекое будущее вселенной — космические эпохи, масштаб которых несравним с опытом всего человечества. Среди авторов — известнейшие специалисты: Джон Бэрроу, Пол Дэвис, Роберт Рассел, Фримэн Дайсон и другие. Богослов Юрген Мольтман вносит неожиданный, но важный вклад в разработку темы, исследуя мотивы христианской эсхатологии в применении к будущему вселенной.

Это поистине поворотная книга. Изложенные ведущими учеными представления о судьбе нашей вселенной сочетаются здесь с философскими прозрениями известных богословов. Никому прежде не удавалось осуществить подобный синтез. Книга отличается новизной представленных в ней взглядов, оригинальностью и глубиной.

Грегори Бенфорд,

Калифорнийский университет

---

Краусс и Старкман высказали несколько критических замечаний к этому предложению. Во–первых, писали они, столкновение двух небольших масс будет высвобождать конечное количество энергии. Во–вторых, для срабатывания сигнала к пробуждению после столкновения также потребуется конечное количество энергии. В–третьих, конечное количество энергии потребуется и для разделения двух небольших масс во время следующего «завода» часов. Все эти объемы энергии остаются приблизительно постоянными и не стремятся к нулю с каждой следующей перезагрузкой. Следовательно, для возможности работать вечно часам требуется бесконечный объем энергии. Будильник не помогает системе экономнее расходовать энергию — от него все становится только хуже.

Краусс и Старкман полагали, что своими двумя аргументами — аргументом квантования энергии и аргументом будильника — нанесли моей стратегии выживания смертельный удар. Но я твердо стою на ногах — и готов дать сдачи. Аргумент квантования энергии валиден лишь для системы, сохраняющей информацию на материальных носителях фиксированного размера, в устройствах определенного объема и так далее. В особенности верен он для системы, сохраняющей информацию на цифровых носителях, с использованием дискретных состояний. В цифровой системе разница между дискретными состояниями остается фиксированной при падении температуры до нуля, и, когда kT становится намного меньше энергетических различий, система перестает работать. Однако этот аргумент не подходит к системе, работающей не с цифровыми, а с аналоговыми устройствами. Например, представим себе живую систему типа Черного Облака Хойла, состоящую из пылевых частиц, взаимодействующих между собой с помощью электрических и магнитных сил. После остывания вселенной каждая пылевая частица придет в свое основное состояние и температура внутри каждой частицы снизится до нуля. Однако эффективной температурой системы является кинетическая температура случайных движений частиц. Информация, обрабатываемая системой, заключена в неслучайных движениях частиц, а энтропия системы — в случайных движениях. По мере обработки информации энтропия возрастает. Однако в аналоговой системе такого типа основного состояния не существует, как не существует и энергетического разрыва.

Чтобы опровергнуть аргумент квантования энергии, рассмотрим объем фазового пространства, доступного частицам облака. Поскольку электрическая и гравитационная энергии изменяются обратно пропорционально расстоянию, со снижением температуры облако должно расширяться. Если облако расширяется, сохраняя ту же форму, и линейное расстояние равно L, температура изменяется как L-1, а скорость и моменты частиц — как L-1/2. Фазовое пространство, доступное каждой частице, образуется из объема физического пространства и объема пространства моментов. Объем физического пространства изменяется как L3, объем пространства моментов — как L-3/2, так что фазовое пространство каждой частицы изменяется как L3/2. Это означает, что количество квантовых состояний, доступных каждой частице, изменяется как L3/2. По мере расширения облака количество квантовых состояний растет.

Превосходство аналоговых информационных процессоров перед цифровыми ясно видно, если мы оценим количество квантовых состояний аналоговой системы. Общая информационная вместимость равна логарифму числа состояний, доступных системе в целом. Если количество независимых компонентов или пылевых частиц — N, то информационная вместимость равна

С = (3/2) N log L. (7)

Эта вместимость С равна энтропии системы, если движения абсолютно случайны, и равна информации, несомой системой, если движения абсолютно неслучайны. В реальности движения системы отчасти случайны, отчасти неслучайны, и С равна сумме энтропии и информации. Для цифровой системы информационная вместимость равна константе, умноженной на N, так что (7) выполняется без логарифмического фактора. Превосходство аналоговой системы связано с log L, позволяющим системе с фиксированным числом элементов беспредельно расширять свою память, увеличивая линейный размер. Таким образом, аргумент квантования энергии к аналоговой системе не подходит, поскольку число ее квантовых состояний не ограничено. В конечном счете квантовая механика станет неприменима к системе и ее поведение сделается вполне классическим. Количество квантовых состояний столь возрастет, что классическая механика станет полностью применимой. Когда аналоговая система работает согласно классической механике, аргумент квантования энергии не имеет смысла.

Таким же образом я опровергаю и аргумент будильника. Я представляю себе будильник так же, как раньше, как три массы, при вращении излучающие гравитационную радиацию, но теперь каждая масса представляет собой не твердое тело, а маленькое черное облако. В период спячки, когда часы работают, три черных облака спят, как и вся остальная система, излучая вовне свою внутреннюю энтропию и не обрабатывая информацию. Когда две небольшие массы сходятся, они не сталкиваются физически, а проникают друг в друга. Взаимопроникновение заставляет их проснуться и передать сигнал к пробуждению, но не разрушает их. Поскольку относительные скорости частиц в каждой массе со временем уменьшаются, энергия, задействованная во взаимопроникновении, подаче сигнала и перезагрузке часов, также уменьшается со временем. Поскольку механизм часов расширяется с той же скоростью, что и остальная часть системы, энергия, требуемая для действия часов бесконечное количество раз, остается конечной. Итак, я заключаю, что в открытой вселенной мы можем создать аналоговые системы, не подпадающие под действие ни аргумента квантования энергии, ни аргумента будильника.

9.6. Заключение

В заключение кратко коснусь ситуации, с которой столкнется жизнь в ускоряющейся вселенной. В этом случае — здесь я согласен с Крауссом и Старкманом — вечное выживание невозможно. Они указали на две крайне неприятные черты расширяющейся вселенной. Во–первых, существует конечное расстояние D, на котором отталкивающая сила, обуславливающая ускорение, превосходит гравитационное притяжение галактики или группы галактик. Расстояние D — это точка невозврата. Все дальше этого расстояния уйдет за горизонт и исчезнет. Эта точка невозврата не позволяет применять мою стратегию, основанную на бесконечном расширении размера живой системы. Всякая вечная система будет ограничена расстоянием D и, следовательно, подпадет под действие аргумента квантования энергии. Вторая неприятная черта расширяющейся вселенной — то, что ее температура в отдаленном будущем не падает до нуля, но стремится к конечному пределу. Космическое фоновое излучение заставляет температуру застыть в фиксированном значении Tb. Для любой живой системы становится невозможно охладить себя до температуры, меньшей Tb. Это означает, что свободная энергия F, требуемая для обработки информации I согласно (3) и (4), составляет по меньшей мере (kTbI). Если резерв свободной энергии F конечен, информация I также конечна. Ситуация ужасная, но в расширяющейся вселенной неизбежная.

Закончу кратким подведением итогов. Я рассмотрел четыре модели вселенной: закрытую, замедляющуюся, открытую и ускоряющуюся. В закрытой и ускоряющейся вселенной, как согласны мы все, выживание невозможно. В замедляющейся вселенной, как я полагаю, выживание возможно; Краусс и Старкман не высказывают по этому поводу своего мнения. В открытой вселенной, как я полагаю, возможно выживание для аналоговой жизни, но невозможно для цифровой. Иными словами, выживание возможно в области классической механики, но невозможно в области квантовой механики. По счастью, по мере расширения и остывания вселенной в ней начинает господствовать классическая механика. Однако необходимо отметить, что Краусс и Старкман еще не согласились с моими аргументами относительно возможности аналоговой жизни. Я жду от них новых возражений — и употреблю все силы, чтобы найти на них достойный ответ.

Литература

1. Bahcall, N. A., Ostriker, L. P., Perlmutter, S., and Steinhardt, P. J., "The Cosmic Triangle: Revealing the State of the Universe", Science, 284, 1481–88 (1999).

2. Drell, P. S., Loredo, T. J., and Wasserman, I., Type la Supernovae, Evolution, and the Cosmological Constant, Cornell Preprint CLNS 99/1615 (1999).

3. Dyson, F. J., "Time without End: Physics and Biology in an Open Universe", Rev. Mod. Phys., 51, 447–60 (1979).

4. Frautschi, S., "Entropy in an Expanding Universe", Science, 217, 593–99 (1982).

5. Hoyle, F., The Black Cloud (Harper and Brothers, New York, 1957).

6. Islam, J. N., "Possible Ultimate Fate of the Universe", Q. J. Roy. Astron. Soc, 18, 3–8 (1977).

7. Islam, J. N, The Ultimate Fate of the Universe (Cambridge University Press, Cambridge, 1983).

8. Krauss, L. M., and Starkman, G. D., Life, the Universe, and Nothing: Life and Death in an Ever‑Expanding Universe, Case Western Reserve University Preprint CWRU‑Pi-99 (1999).

9. Krauss, L. M., and Starkman, C. D., "The Fate of Life the Universe", Sci. Amer., 281, 58–65 (1999).