Можем ли мы говорить о Вселенной как о невероятном явлении? В этой главе я объявлял нашу Вселенную или ее начальные условия невероятными (например, когда утверждал, что маловероятно, чтобы Вселенная, подчиняясь время-симметричным законам, обладала стрелой времени). Но что это значит – что Вселенная маловероятна? Она уникальное явление, единственное в своем роде. Имеет ли смысл описывать какие-либо ее свойства на языке вероятности?

Мы должны понимать, что имеем в виду, когда говорим: некая система находится в невероятной конфигурации. В рамках ньютоновой парадигмы это имеет смысл, поскольку описание относится к подсистеме Вселенной, которая может быть одной из многих своего рода. Но это не относится к Вселенной в целом.

Можно попытаться определить вероятность наличия у нашей Вселенной определенных свойств, предполагая, что начальные условия выбраны случайно из конфигурационного пространства. Но мы знаем, что это неверно. Мы знаем, что наша Вселенная не является результатом случайного выбора, потому что в этом случае многие ее свойства были бы чрезвычайно маловероятны.

Можно избежать этих затруднений, представив, что есть много Вселенных. Однако (см. главу 11) существует два класса теорий мультивселенной: те, в которых наша Вселенная является нетипичной и, следовательно, маловероятной (например в теориях, в которых Вселенные порождаются в результате бесконечной инфляции), и те, в которых генерируется ансамбль Вселенных, где такая Вселенная, как наша, вероятна (например модель космологического естественного отбора). Я указывал в главе 11, что экспериментально проверяемые предсказания возможны лишь во втором классе. В первом классе теорий для выбора из невероятных Вселенных должен быть применен антропный принцип, и никакие предсказания не могут быть независимо проверены. Мы должны сделать вывод: неважно, существует множество Вселенных или лишь одна. В утверждении, что наша Вселенная маловероятна, нет никакого эмпирического содержания.

Но целая наука – термодинамика – основана на применении понятия вероятности к микросостоянию системы. Отсюда следует, что мы, применяя термодинамику для описания свойств Вселенной в целом, совершаем космологическую ошибку [168] . Единственный способ избежать ее (и парадокса невероятной Вселенной) – обосновать, почему Вселенная сложна и интересна, время-асимметричной физикой, делающей такую Вселенную, как наша, неизбежной, а не невероятной.

Это не единственный случай, когда физики, ошибочно применяя термодинамику к Вселенной в целом, приходят к парадоксальным выводам. Людвиг Больцман, предложивший статистическое объяснение энтропии и второго начала термодинамики, кажется, первым дал ответ, почему Вселенная не находится в равновесии. Он не знал ни о расширяющейся Вселенной, ни о теории Большого взрыва. В его космологической модели Вселенная была вечной, статической – и загадочной: вечность означала, что Вселенная должна уже достичь состояния равновесия, поскольку у нее бесконечно много времени, чтобы это сделать.

Возможно, объяснением того, почему Вселенная не находится в равновесии, для Больцмана служило следующее обстоятельство: Солнечная система и область вокруг нее стала относительно недавно областью очень большой флуктуации, в которой Солнце, планеты и окружающие звезды образовались спонтанно из газа, находившегося в равновесии. Энтропия в нашей области постоянно увеличивается по мере нашего движения к равновесному состоянию. Это был, наверное, лучший ответ, который вписывался в картину космологии конца XIX века. Но она неверна. Мы это знаем, поскольку теперь можем наблюдать за эволюцией Вселенной почти с момента Большого взрыва и на расстояниях до 13 миллиардов световых лет. Мы не видим оснований, чтобы наша область Вселенной представляла собой флуктуацию в статичном, равновесном мире. Вместо этого Вселенная эволюционирует во времени, по мере расширения образуя структуры всех масштабов.

Больцман не мог этого знать, но вот довод, который он и его современники могли взять на вооружение. Он вытекает из наблюдения: чем меньше флуктуация, чем чаще она происходит в состоянии равновесия. Следовательно, чем меньше пространственная область, выведенная из равновесия, тем выше вероятность такого явления.

Астрономы во времена Больцмана знали, что размер Вселенной составляет по крайней мере десятки тысяч световых лет в поперечнике и что в ней много миллионов звезд. Так, если наша область пространства является областью флуктуации, то это, должно быть, очень редкая флуктуация – гораздо более редкая, чем другие. Рассмотрим область флуктуации, которая содержит лишь Солнечную систему. Мы знаем, что объем флуктуации гораздо больше, иначе ночью мы ничего не видели бы, кроме инфракрасного излучения от окружающего газа, находящегося в равновесии. Но, согласно предположению Больцмана, такие флуктуации, как наша, должны в равновесной Вселенной происходить гораздо чаще, чем то, что мы видим: миллиарды звезд, каждая из которых представляет собой неравновесное состояние, подобно Солнечной системе. Вероятность неравновесного состояния размером с Солнечную систему гораздо выше, чем для области галактического размера [169] .

Мы можем развить эту логику. Мы знаем, что мы – мыслящие существа, ощущающие свое присутствие в мире. Но чтобы создать мозг, воспоминания и образы, потребуется флуктуация гораздо меньшего объема, чем та, которая сотворила живую планету у огромной звезды. Мы можем называть флуктуацию, в результате которой образовался лишь один мозг с воспоминаниями о воображаемом мире, больцмановским мозгом.

Существует целый спектр возможностей объяснить наше невероятное существование как флуктуацию Больцмана в равновесной Вселенной. Мы можем быть частью флуктуации размером с Солнечную систему или с Галактику с миллионами живых существ – либо флуктуацией в один мозг с образами и воспоминаниями. Последний вариант требует гораздо меньше информации, это не такое сильное понижение энтропии. Флуктуация в один мозг в вечной Вселенной встречается гораздо чаще, чем флуктуации размером с Солнечную систему или с галактику с целыми популяциями мозгов.

Это парадокс больцмановского мозга: в бесконечный период времени во Вселенной существует гораздо больше мозгов, сформированных в результате небольших флуктуаций, чем мозгов, возникших в процессе эволюции, требующем флуктуаций, которые длятся миллиарды лет. Как сознательные существа мы, наиболее вероятно, представляем собой больцмановские мозги. Но тогда, скорее всего, наш опыт и воспоминания были бы бессвязными и некоррелированными. Столь же маловероятно, что наш мозг будет удерживать образы необъятной Вселенной, галактик и звезд вокруг. Таким образом, сценарий Больцмана оказывается примером reductio ad absurdum. Это не должно нас удивлять: мы совершили космологическую ошибку, и это привело нас к парадоксальному выводу. Вневременной взгляд на физику, основанный на ньютоновой парадигме, показал свою несостоятельность перед элементарными вопросами о Вселенной: почему она интересна, почему мы существуем и любуемся ею?

Но если мы принимаем гипотезу о реальности времени, мы открываем возможности для физики, асимметричной с точки зрения стрелы времени, в которой Вселенная может естественно развиваться от простого к сложному. Так мы разрешим парадокс невероятной Вселенной.

Выше мы рассмотрели одну из главных космологических головоломок: почему Вселенная интересна и со временем становится все интереснее. Попытки ответить на этот вопрос, опираясь на ньютонову парадигму и вытекающую из нее вневременную картину мира, привели к двум парадоксам: утверждению, что уникальная Вселенная маловероятна, и парадоксу больцмановского мозга. Теперь я объясню, как принципы новой космологической теории (см. главу 10) помогут понять, почему Вселенная интересна, и избежать парадоксов, описанных в главе 16.