# Роджер Пенроуз: Большой взрыв был продолжением прошлого космического эона

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=fMV2cphelx0
Канал: World Science Festival
Опубликовано: 20.09.2024

---

В рамках Всемирного фестиваля науки (World Science Festival) состоялся глубокий диалог о природе времени и устройстве Вселенной с выдающимся физиком и математиком, лауреатом Нобелевской премии Роджером Пенроузом. В ходе беседы ведущий и его бывший научный руководитель обсудили ограничения современных космологических моделей, природу энтропии и радикальную гипотезу циклического развития космоса. Центральной темой статьи стала авторская модель Конформной циклической космологии, предлагающая принципиально новый взгляд на Большой взрыв и стрелу времени.

## ⏳ Что такое время: от четырехмерного континуума Минковского до Эйнштейна
[[JUMP:0:01]]

При попытке дать рабочее определение времени физики неизбежно сталкиваются с парадоксами теории относительности, согласно которой ход времени напрямую зависит от скорости наблюдателя. По словам Роджера Пенроуза, если два объекта движутся относительно друг друга со скоростью, сопоставимой со скоростью света, их представления о времени будут кардинально расходиться. Как отмечает ученый, наиболее адекватным способом описания реальности является рассмотрение времени как одной из компонент четырехмерного пространства-времени. 

Эта концепция восходит к работам Германа Минковского, который формализовал идею единого четырехмерного континуума. Физик вспоминает, что Альберт Эйнштейн изначально отнесся к подходу Минковского скептически, предпочитая мыслить категориями относительности, однако позже полностью признал его фундаментальную важность для формулировки общей теории относительности. С математической точки зрения, разделение пространства и времени теряет строгий смысл, уступая место инвариантной реальности, которую разные наблюдатели «нарезают» на пространственные срезы в зависимости от своей системы отсчета. При этом Роджер Пенроуз подчеркивает, что в масштабах космологии усредненная симметрия Вселенной все же позволяет условно говорить о глобальном времени.

## ⚖️ Парадокс второго закона термодинамики и «гладкий» Большой взрыв
[[JUMP:7:05]]

Второй закон термодинамики утверждает, что уровень хаоса или случайности в изолированной системе — энтропия — неуклонно возрастает с течением времени. Этот фундаментальный закон определяет привычную нам направленность макроскопических процессов. Однако Роджер Пенроуз указывает на глубокий парадокс, скрытый в ранней истории Вселенной, который стал очевиден после открытия космического микроволнового фонового излучения (реликтового излучения) около 60 лет назад.

Данные со спутников зафиксировали, что спектр реликтового излучения с беспрецедентной точностью соответствует идеальной кривой Макса Планка. Погрешность измерений оказалась настолько мала, что точки отклонения на графиках были тоньше линий печати. Для термодинамики планковская кривая означает состояние максимальной энтропии и теплового равновесия. Роджер Пенроуз формулирует парадокс следующим образом: если в момент Большого взрыва энтропия уже была максимальной, то у Вселенной не должно было остаться путей для дальнейшего развития и роста беспорядка. Расширение пространства само по себе эту проблему не решает.

Решение этого противоречия, по мнению физика, кроется в разделении энтропии вещества и энтропии гравитационного поля. Роджер Пенроуз иллюстрирует это мысленным экспериментом:

* Обычный газ в коробке со временем распространяется равномерно, увеличивая энтропию.
* Звезды галактического масштаба под действием гравитации, напротив, стремятся скопиться в одной области, что также увеличивает общую энтропию.

Таким образом, ранняя Вселенная была парадоксально упорядоченной (имела низкую энтропию) исключительно в своей гравитационной составляющей, в то время как вещество находилось в тепловом равновесии. Профессор делится забавным воспоминанием, как в Калифорнийском технологическом институте Ричард Фейнман лично защитил его от критика из зала, призвав аудиторию внимательно вслушаться в этот тезис.

## 🪐 Гравитация, Солнце и отрицательная энтропия Шрёдингера
[[JUMP:13:07]]

В своей книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шрёдингер ввел понятие отрицательной энтропии, объясняя, как живые организмы поддерживают внутренний порядок. Роджер Пенроуз развивает эту мысль, опровергая расхожее мнение о том, что Земля получает от Солнца чистую энергию. На самом деле, сколько энергии приходит на планету днем, практически столько же излучается обратно в космос ночью.

Главная ценность, которую получает биосфера, заключается в низкоэнтропийной форме этой энергии. Физик объясняет этот механизм через разницу состояний горячего Солнца и холодного темного неба:

* Солнце излучает высокоэнергетические фотоны видимого спектра (желтые фотоны).
* Земля переизлучает эту энергию в космос в виде гораздо большего числа низкоэнергетических инфракрасных фотонов.

Энергия распределяется по большему числу степеней свободы, что увеличивает энтропию окружающей среды, позволяя растениям и живым организмам «питаться» возникшим дисбалансом. Само существование горячего Солнца стало возможным только благодаря гравитационному сжатию распределенного газа, что подтверждает тезис о гравитации как первичном источнике порядка во Вселенной.

## 🌌 Тайна сингулярностей: Черные дыры против Большого взрыва
[[JUMP:16:59]]

Если бы гравитационные степени свободы в момент рождения Вселенной были хаотичными, Большой взрыв напоминал бы колоссальное месиво внутри черной дыры. Роджер Пенроуз напоминает, что теоретические модели таких сложных сингулярных состояний разрабатывали физики Евгений Лифшиц, Исаак Халатников, Владимир Белинский (сингулярность БХЛ) и Чарльз Мизнер. Внутри черных дыр пространственная кривизна ведет себя хаотично и неистово.

Математическое доказательство неизбежности образования сингулярностей при коллапсе черных дыр принесло Роджеру Пенроузу Нобелевскую премию по физике. Позже Стивен Хокинг применил эти же математические методы к началу Вселенной, доказав сингулярность Большого взрыва. Однако ученый обращает внимание на фундаментальную асимметрию: Большой взрыв был идеально «гладким» и упорядоченным, тогда как сингулярности черных дыр представляют собой максимальный хаос кривизны. Многие коллеги Пенроуза обходят эту загадку с помощью так называемой «прошлой гипотезы» (Past Hypothesis), просто постулируя низкую начальную энтропию гравитации по определению, что сам британский физик считает неудовлетворительным волевым решением.

## 🔄 Конформная циклическая космология: Вселенная без начала и конца
[[JUMP:21:15]]

Пытаясь разрешить загадку асимметрии сингулярностей, Роджер Пенроуз долгие годы искал физический механизм сброса энтропии. Большинство космологов уповают на квантовую гравитацию, предполагая, что объединение квантовой механики и теории относительности объяснит Большой взрыв. Но для этого, как утверждает Пенроуз, квантовая гравитация должна быть фундаментально необратимой во времени, с чем согласны далеко не все.

В 2004–2005 годах ученый сформулировал концепцию Конформной циклической космологии (CCC). В ее основе лежит разделение тензора кривизны Римана на две части: тензор Риччи (отражающий присутствие массы) и тензор Вейля (описывающий чистое гравитационное поле в отсутствие вещества). Идея Пенроуза базируется на конформной геометрии, где важны углы и формы, но отсутствует понятие абсолютного масштаба расстояний. Для визуализации он использует гравюры Маурица Эшера «Предел круга», где ангелы и демоны уменьшаются к краю диска, наглядно представляя бесконечность на конечном расстоянии.

Роджер Пенроуз выдвинул гипотезу, согласно которой наш Большой взрыв является конформным продолжением отдаленного будущего предыдущего космического цикла, названного им «эоном» (Eon). С точки зрения безмассовых частиц, таких как фотоны, между бесконечно расширившейся, холодной Вселенной будущего и сверхплотным горячим Большим взрывом нового эона нет внутренней разницы. Фотоны подчиняются уравнениям Максвелла, которые конформно инвариантны и «не знают» масштаба. Масштабное преобразование (сжатие будущего или растяжение прошлого) делает эти два состояния тождественными. Ключевую роль в этой геометрии играет космологическая константа (положительная «темная энергия», хотя сам термин Пенроуз считает ужасным), которая обеспечивает необходимое экспоненциальное расширение в конце эона.

## 💥 Против инфляции: почему общепринятая космология ошибается
[[JUMP:31:47]]

Модель CCC напрямую конкурирует с общепринятой инфляционной моделью космологии. Теория инфляции утверждает, что однородность ранней Вселенной объясняется сверхбыстрым расширением пространства сразу после Большого взрыва под воздействием гипотетического инфлатонного поля. Роджер Пенроуз последовательно критикует эту идею, указывая, что уравнения инфлатона симметричны во времени и принципиально не способны объяснить временную асимметрию и низкую гравитационную энтропию. В рамках CCC эффекты, принимаемые за инфляцию, происходили до Большого взрыва и обусловлены экспоненциальным расширением предыдущего эона.

Однако для математической работы модели CCC требуется, чтобы в далеком будущем Вселенной исчезла сама концепция массы. Если в космосе останутся массивные частицы (например, электроны), они зададут абсолютную шкалу времени и расстояний, разрушив конформную инвариантность. Роджер Пенроуз предлагает радикальный физический механизм: в расширяющемся пространстве де Ситтера группа симметрий отличается от группы Пуанкаре, используемой в специальной теории относительности. Из этого ученый выводит предположение, что масса элементарных частиц в отдаленном будущем не сохраняется строго, а постепенно «выцветает» (fade away), превращая все вещество в безмассовое излучение. В качестве альтернативного варианта он рассматривает сценарий испарения хиггсовского конденсата.

## 🔭 Следы прошлых эонов: круги Гурзадяна и «точки Хокинга»
[[JUMP:39:01]]

По признанию Роджера Пенроуза, мейнстримное физическое сообщество по большей части игнорирует его теорию. Тем не менее, он утверждает, что CCC имеет как минимум два наблюдаемых подтверждения в реликтовом излучении.

Первое следствие — концентрические круги на карте микроволнового фона. По расчетам Пенроуза, столкновения сверхмассивных черных дыр в предыдущем эоне должны были порождать мощные всплески гравитационных волн, проходящие сквозь конформную границу между эпохами. Армянский физик Ваге Гурзадян обнаружил такие кольцевые структуры, а польская группа под руководством Кшиштофа Мейснера независимо подтвердила их существование со статистической достоверностью 99,4%–99,6%.

Второе следствие связано со знаменитым излучением Хокинга. В самом конце эона гигантские черные дыры испаряются, преобразуя колоссальную массу галактических кластеров в излучение. При переходе в новый эон вся эта энергия сжимается в область меньше планковского масштаба, прорываясь в молодую Вселенную в виде так называемых «точки Хокинга». Группа ученых, в которую вошли Кшиштоф Мейснер, Павел Нуровский, Даниэль Ан и сам Роджер Пенроуз, опубликовала в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society статью, заявляющую об обнаружении этих термальных аномалий с достоверностью 99,98%. Диаметр этих областей на небе составляет около восьми диаметров полной Луны.

## 🧩 Аномалия Гута и уничтожение энтропии
[[JUMP:46:29]]

Обнаружение точек Хокинга вызвало споры в научном сообществе. Один из создателей теории инфляции, Алан Гут, провел собственные расчеты на основе стандартных космологических моделей и указал на парадокс: наблюдаемые Пенроузом пятна оказались ровно в два раза больше, чем предсказывает теория (восемь диаметров Луны вместо четырех). Роджер Пенроуз признает правоту Гута в отношении этого расхождения, назвав его «аномалией Гута». На данный момент Пенроуз совместно с Кшиштофом Мейснером работает над расширением модели, предполагая наличие еще одной, ранее не учтенной стадии эволюции Вселенной, которая могла бы объяснить этот коэффициент двойки за счет временной асимметрии.

Вторым фундаментальным следствием CCC является концепция уничтожения энтропии. Чтобы запустить новый эон в упорядоченном состоянии, накопленный за триллионы лет хаос должен исчезнуть. По мнению Пенроуза, энтропия физически уничтожается внутри точек Хокинга на планковском масштабе, что сбрасывает термодинамические показатели Вселенной. Стивен Хокинг долгое время разделял позицию о потере информации в черных дырах, но в конце жизни под влиянием теоретиков струн изменил свое мнение на противоположное. Пенроуз признается, что так и не смог согласиться с поздними идеями Хокинга и Джима Хартла (модель Хартла — Хокинга с евклидовой квантовой гравитацией), считая их подход к «сглаживанию» сингулярностей математически непоследовательным.

## 🛠️ Исторические истоки: от сетей спина до критики теории струн
[[JUMP:57:28]]

Вспоминая истоки своей научной карьеры, Роджер Пенроуз отмечает колоссальное влияние Денниса Сиамы, который привил ему глубокую интуицию в физике. Сиама был ярым сторонником теории стационарной Вселенной Фреда Хойла, Германа Бонди и Томаса Голда, отрицавшей Большой взрыв. Однако после открытия реликтового излучения Сиама публично признал свою неправоту. Этот поступок научил Пенроуза научной скромности и готовности менять убеждения перед лицом фактов.

В молодости Пенроуз увлекался дискретными моделями пространства и создал математический аппарат «сетей спина» (spin networks). Все изменилось после лекции Давида Финкельштейна в Кингс-колледже, который показал, что сингулярность Шварцшильда является лишь горизонтом событий, сквозь который можно пройти. Вдохновившись лекциями Поля Дирака о двухкомпонентных спинорах, Пенроуз переключился на общую теорию относительности, что в итоге привело его к созданию топологических методов и Нобелевской премии. Сам Альберт Эйнштейн не верил в реальность сингулярностей, считая их лишь артефактом идеальной сферической симметрии уравнений.

Пенроуз подчеркивает, что ОТО Эйнштейна покоится на изящном принципе эквивалентности Галилея (который иллюстрировал это сферическим расширением искр фейерверка в свободном падении). Попытки Эйнштейна создать единую теорию поля провалились, так как электромагнетизм принципу эквивалентности не подчиняется. В завершение беседы Роджер Пенроуз высказывает скепсис в отношении современной теории струн, предложенной ему когда-то Леонардом Сасскиндом. По мнению британского математика, введение 26, 10 или 11 измерений и попытки спрятать их в микроскопические многообразия Калуцы — Клейна порождают куда более серьезные теоретические проблемы, чем пытаются решить. Несмотря на популярность таких направлений, как AdS/CFT-соответствие и идея возникновения пространства-времени из квантовой запутанности, Пенроуз предпочитает искать ответы в строгой геометрии конформных эонов.