Вселенную, порабощенную космологической постоянной, в будущем ждет лишь тьма и пустота. По мере ускорения процесса ее расширения пустого пространства становится все больше, а значит, увеличивается и количество темной энергии, вызывающей дальнейшее расширение. В конце концов, когда звезды выгорят, частицы распадутся, а черные дыры испарятся, Вселенная будет представлять собой пустое пространство, в котором есть лишь космологическая постоянная, обеспечивающая ее экспоненциальное расширение. Это называется пространством де Ситтера, и, по нашему мнению, оно развивается так же, как очень ранний космос на стадии инфляции. Правда, процесс инфляции в итоге остановился. Если темная энергия действительно является космологической постоянной, то расширение никогда не прекратится и космос будет расширяться экспоненциально на протяжении вечности.

Так можно ли считать такое бесконечное расширение гибелью Вселенной? Чтобы ответить на этот вопрос, нам следует глубже разобраться в теме энтропии и стрелы времени.

При выгорании звезд, распаде частиц и испарении черных дыр все больше вещества преобразуется в свободное излучение, которое распространяется по Вселенной в виде теплоты – чистой неупорядоченной энергии. Преобразование вещества в тепловое излучение максимизирует его энтропию, поскольку распространению энергии ничто не мешает. По мере опустошения Вселенной это излучение все сильнее рассеивается, из-за чего может показаться, что совокупная энтропия должна уменьшаться вслед за температурой. Однако этого не происходит.

А происходит следующее: когда Вселенная достигает стадии экспоненциального расширения, вокруг любой точки можно очертить сферу, за границей которой будет находиться навсегда скрытая часть космоса. Эта граница представляет собой настоящий горизонт в том смысле, что все, находящееся за ним, уже никогда не сможет достичь вас. Оказывается, что подобно горизонту событий черной дыры этот горизонт также связан с энтропией, а значит, и с температурой.

Разница лишь в том, что теплота не выходит наружу, как в случае с черной дырой, а входит внутрь. Температура теперь очень низкая – примерно 10^-40 градусов выше абсолютного нуля, однако после распада всего остального в этом излучении будет заключена вся энтропия Вселенной. Достигнув состояния де Ситтера, Вселенная будет иметь максимальную энтропию. С этого момента совокупная энтропия Вселенной больше не сможет увеличиваться, что будет в прямом смысле означать исчезновение… стрелы времени.

Здесь мне следует еще раз сказать о том, что стрела времени и второй закон термодинамики имеют столь огромное значение для функционирования Вселенной, что при невозможности дальнейшего возрастания энтропии ничто не может произойти. То есть невозможным становится существование организованных структур, эволюция и вообще протекание каких-либо процессов. Чтобы нечто произошло, энергия должна переместиться из одного места в другое. Если энтропия не может нарастать, это означает, что энергия не может переместиться из одного места в другое без того, чтобы сразу вернуться, стерев все то, что могло при этом случиться. Градиенты энергии являются основой жизни, а также любой другой конструкции или машины, выполняющей какую-либо работу. Градиенты энергии не могут существовать во Вселенной, которая представляет собой одну гигантскую (но очень холодную) тепловую ванну. Теплота бесполезна. Теплота – это смерть.

Однако тут есть несколько нюансов.

И эти нюансы относятся не к категории «ну, технически здесь есть одна маленькая деталь», а к категории «о боже, это же все меняет».

Теперь странность имеет отношение к области физики, называемой статистической механикой. Ее мы используем, когда хотим поговорить о чем-то вроде температуры, которая, по сути, представляет собой просто количество движения в системе частиц, не описывая при этом траектории отдельных ее компонентов. Статистическая механика – это та область, где второй закон термодинамики проявляется во всей красе, поскольку позволяет описать большую сложную систему с точки зрения одного важного свойства – ее энтропии. Однако он также создает своего рода «лазейку». Помните, мы говорили о законе возрастания энтропии Вселенной? Технически это применимо лишь в среднем и в достаточно больших масштабах. На квантовом уровне или даже в больших масштабах, если вы готовы ждать достаточно долго, время от времени происходят непредсказуемые флуктуации, способные сдвинуть некоторую часть системы в состояние более низкой энтропии. Чем больше система, тем меньше влияния оказывают эти флуктуации, однако в вечно расширяющейся Вселенной, в которой действует лишь космологическая постоянная, времени и пространства так много, что в ней могут произойти крайне маловероятные события. Маловероятно, что в совершенно пустом пространстве вдруг появится кашалот и горшок с петунией, но в принципе, если подождать достаточно долго, такое может случиться.

И это очень кстати. Если после тепловой смерти что-то может спонтанно появиться, почему бы не другая вселенная?

Эта идея не столь надуманна, как может показаться. В статистической механике существует принцип, согласно которому любая конфигурация системы частиц может повториться, если подождать достаточно долго. Допустим, у вас есть резервуар, заполненный газом, и вы делаете моментальный снимок случайно движущихся молекул, отмечая позиции, в которых они находятся. Если вы понаблюдаете за резервуаром в течение достаточно длительного времени, то рано или поздно снова увидите молекулы в этих же положениях. Чем менее вероятна конфигурация, тем дольше придется ждать ее повторения. Таким образом, повторного наступления очень редкого события, вроде сосредоточения всех частиц в нижнем правом углу резервуара, придется ждать очень долго, но в принципе его наступление – лишь вопрос времени. В этом заключается суть теоремы Пуанкаре о возвращении. При наличии бесконечного количества времени любое состояние, в котором может находиться система, будет повторяться бесчисленное количество раз, причем частота повторения определяется тем, насколько редкой или особенной является та или иная конфигурация. Однажды физики Энтони Агирре, Шон Кэрролл и Мэтью Джонсон подсчитали, что если подождать в течение периода времени, примерно в триллион триллионов раз превышающего возраст Вселенной, можно увидеть, как в пустой коробке самопроизвольно собирается целое пианино.

После наступления тепловой смерти Вселенная, по сути, будет представлять собой очень большую и слабо нагретую коробку, в которой происходят случайные флуктуации, подчиняющиеся законам статистической механики. Если Большой взрыв – это состояние, в котором когда-то находилась Вселенная, а после наступления тепловой смерти исчезает стрела времени, из-за чего понятия прошлого и будущего утрачивают всякий смысл, то нет причины, по которой Большой взрыв не мог бы повториться, заново породив Вселенную.

Однако это еще не самое странное.

Если каждое состояние, в котором когда-либо находилась Вселенная, может повториться благодаря случайным флуктуациям, значит, то, что происходит в настоящий момент, может повториться во всех подробностях. Более того, может повторяться бесконечное множество раз.

Эта возможность представляет особый интерес для космолога Андреаса Альбрехта, который написал о том, что он сам называет равновесием де Ситтера. Основная идея этой равновесной версии пространства де Ситтера заключается в том, что происхождение нашей Вселенной и всего, что в ней творится, можно рассматривать как результат случайных флуктуаций в вечно расширяющемся пространстве, содержащем одну лишь космологическую постоянную. Время от времени Вселенная возникает из тепловой ванны, оказываясь в начальном состоянии с очень низкой энтропией, а затем эволюционирует (с увеличением энтропии) и достигает состояния тепловой смерти, снова превращаясь во Вселенную де Ситтера. Но иногда флуктуация не приводит к Большому взрыву, а просто воссоздает прошлый вторник, в частности, тот момент, когда вы ударились ногой о кухонный стол и пролили на пол свой кофе. Этот момент. И все остальные моменты вашей жизни, а также жизни других людей.

Если эта антиутопическая картина кажется вам смутно знакомой, вероятно, вы читали про жуткий мысленный эксперимент, впервые предложенный Фридрихом Ницше в конце XIX века. В своей книге «Веселая наука» он пишет следующее:

Сильно сказано.

Рассуждения Ницше не имели никакого отношения к термодинамике, они были направлены на исследование смысла и цели человеческой жизни. Вероятно, он никогда не предполагал, что такой сценарий физически возможен, как следует из гипотезы равновесия де Ситтера.

Вы могли бы возразить, указав на то, что эти сценарии не одинаковые. Квантовые флуктуации, воссоздавшие тот момент, когда вы ударились ногой о стол, могут произвести нечто в точности похожее на вас, но вас самих к тому моменту уже не будет. Однако тут возникает вопрос о том, что значит быть вами. Идет ли речь о точной конфигурации атомов вашего тела или о каком-то невыразимом и устойчивом свойстве вашего сознания, которое никогда не сможет быть воссоздано? Поэтому любители научной фантастики продолжают спорить о телепортации и о том, что происходило с капитаном Кирком каждый раз, когда он входил в луч транспортера, – выживал ли он или умирал, замещаясь двойником, который ошибочно считал себя им. Вряд ли нам удастся ответить на данный вопрос здесь.

Однако это порождает еще одну проблему в сценарии возрождения через квантовые флуктуации, которая связана как с вопросом о транспортере, так и с кашалотом и горшком с петунией, и приправлена своего рода квантово-механическим солипсизмом. Это так называемая проблема больцмановского мозга.

Идея состоит в том, что, если целая Вселенная может возникнуть из вакуума вследствие квантовых флуктуаций, то с гораздо большей вероятностью это может сделать отдельная галактика, поскольку она менее сложна и для ее создания требуется меньше материи. И, если следовать этой логике, то более вероятно возникновение одной солнечной системы или одной планеты. И даже еще более вероятно появление отдельного человеческого мозга, который содержит все ваши воспоминания и воображает, что живет в огромном и сложном мире и в настоящее время сидит в кафе, набирая текст четвертой главы книги о конце космоса.

Проблема больцмановского мозга заключается в том, что вероятность возникновения этого несчастного мозга, обреченного на практически мгновенное исчезновение в вакууме, намного превышает вероятность появления целой Вселенной, поэтому, если мы хотим объяснить существование нашего мира случайными флуктуациями, мы вынуждены будем признать, что с гораздо большей вероятностью нам все только кажется.

Этот вопрос еще не решен. Несмотря на то что Альбрехт был одним из первых, кто предложил рассмотреть проблему больцмановского мозга в этом контексте, в настоящее время он склоняется к тому, что Вселенная де Ситтера с большей вероятностью создаст такое низкоэнтропийное состояние, как Большой взрыв, нежели нечто маленькое, обреченное на мгновенное исчезновение. Основной аргумент состоит в том, что для создания состояния с низкой энтропией может потребоваться очень много энергии квантовых флуктуаций, но при этом совокупная энтропия системы уменьшается лишь незначительно. Многие космологи придерживаются противоположного мнения и говорят о том, что гораздо легче создать состояние с относительно высокой энтропией, чем карман, в котором энтропия крайне мала. Разрешение этого спора помогло бы нам разобраться с одним из сценариев происхождения космоса, а также развеяло бы некоторые опасения относительно нашей возможной судьбы в виде бесконечного переживания самых неприятных моментов.

Однако для некоторых космологов понимание механизма происхождения низкоэнтропийного состояния ранней Вселенной и выяснение того, стоит ли нам беспокоиться о больцмановском мозге или теореме Пуанкаре о возвращении, представляют собой вопросы, которые потрясают самые основы общепринятой космологической модели. Попытка объяснить возникновение начального низкоэнтропийного состояния побудила некоторых специалистов предложить совершенно иные варианты истории космоса (которые мы обсудим в главе 7), но данная проблема все еще очень далека от решения. Идея о возможности флуктуаций так сильно противоречит нашим представлениям о разумном устройстве космоса, что Шон Кэрролл назвал ее «когнитивно нестабильной». Дело не в том, что это не может быть правдой, а в том, что если это так, то ничто не имеет смысла, и в таком случае мы можем просто отказаться от каких-либо попыток понять Вселенную. Однако по этому вопросу присяжные все еще совещаются.

Если отвлечься от пугающей идеи о возникновении мыслящих мозгов из пустоты, редкие случайные флуктуации способны привнести некоторый порядок в нигилистический хаос тепловой смерти. Однако даже в этом наиболее оптимистичном сценарии Вселенная, в которой доминирует космологическая постоянная, обрекает на гибель всех живущих в ней существ, поскольку в будущем абсолютно все упорядоченные структуры не ждет ничего, кроме тьмы, одиночества и распада. До открытия темной энергии физики, в частности Фримен Дайсон, выдвигали предположения о том, что машина, которая производит вычисления с постоянно убывающей скоростью, может существовать сколь угодно долго. Но даже эта идеальная машина будет подвержена энтропийной эрозии «благодаря» второму закону термодинамики и в итоге распадется и преобразуется в теплоту по мере приближения к горизонту де Ситтера. Время, необходимое для достижения максимальной энтропии, то есть истинной и вневременной тепловой смерти, зависит от оценочных значений периода распада протона, которые все еще не определены. Тем не менее до исчезновения всех мыслящих структур пройдет, вероятно, 10¹⁰⁰⁰ лет или около того.

Но могло быть и хуже.

Когда речь идет о темной энергии, действие стабильной, предсказуемой космологической постоянной представляет собой как будто лучший сценарий. Однако не исключаются и другие возможности, одна из которых связана с фантомной темной энергией, приводящей к чему-то более драматичному, более стремительному и, в некотором смысле, гораздо более конечному: к Большому разрыву.