Великий замысел

От публикации этой идеи в «Трудах Королевского Общества» Максвелла отговаривал его редактор, который не считал, что эксперимент сработает. Но в 1879, незадолго до того, как он умер в сорок восемь лет от рака желудка, Максвелл послал письмо о этом своему другу. Письмо было издано посмертно в журнале Nature, где его прочитал, среди прочих, американский физик по имени Альберт Майкельсон. Вдохновленный предположением Максвелла, в 1887 году Майкельсон и Эдвард Морли выполнили очень чувствительный эксперимент, задуманный, чтобы измерить скорость, с которой Земля движется сквозь эфир. Их идея состояла в том, чтобы сравнить скорость света в двух различных направлениях, под прямым углом. Если бы скорость света была постоянным числом относительно эфира, измерения должны были обнаружить скорости света, которые отличались бы в зависимости от направления луча. Но Майкельсон и Морли не заметили такого различия.

Результат эксперимента Майкельсона и Морли находится ясно в конфликте с моделью электромагнитных волн, распространяющихся через эфир, и заставил отказаться от модели эфира. Но цель Майкельсона состояла в том, чтобы измерить скорость Земли относительно эфира, а не доказать или опровергнуть гипотезу эфира, и что он открыл, не подтолкнуло его прийти к заключению, что эфира не существует. Никто больше также не пришел к такому выводу. Известный физик сэр Уильям Томсон (Лорд Келвин) сказал в 1884 году, что эфир был «единственной субстанцией, в которой мы уверены в динамике». Единственное, в чем мы уверены, так это в истинности и реальности люминофорного эфира.

Как можно верить в эфир, не смотря на результаты эксперимента Майкельсона — Морли? Как мы уже говорили, люди часто пытаются спасти изобретенную модель специальными дополнениями. Некоторые постулировали, что Земля тянула эфир за собой, таким образом, мы фактически не двигались относительно него. Голландский физик Хендрик Антун Лоренц и ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд предположили, что в структуре, которая перемещалась относительно эфира, вероятно из-за некоторого все же неизвестного механического эффекта, ход времени замедляется, и расстояния сокращаются таким образом, что измерение скорости света дает то же самое значение. Такие усилия спасти понятие эфира продолжались в течение почти двадцати лет до замечательной статьи молодого и неизвестного клерка в патентном бюро в Берне, Альберта Эйнштейна.

Эйнштейну было двадцать шесть лет в 1905, когда он опубликовал свою работу «Zur Elektrodynamik bewegter Korper» («К электродинамике движущихся тел»). В ней он сделал простое предположение, что законы физики и в особенности скорость света, должны быть одинаковыми для всех равномерно движущихся наблюдателей. Эта идея совершила революцию в нашем понятии о пространстве и времени. Чтобы понять почему, вообразите два события, которые имеют место в той же самой точке, но в разное время в реактивном самолете. Для наблюдателя на самолете расстояние между этими двумя событиями будет нулевым. Но для второго наблюдателя на Земле события будут отделены расстоянием, самолет пролетел за время между событиями. Это показывает, что два наблюдателя, которые двигаются друг относительно друга, не смогут прийти к соглашению о пройденном расстоянии между двумя событиями.

Теперь предположите, что эти два наблюдателя наблюдают луч света, направляющегося от хвоста самолета к его носу. Так же, как в вышеупомянутом примере, они не смогут договариваться о расстоянии, которое прошел свет от хвоста самолета к его носу. Так как скорость — это расстояние, пройденное за определенное время, это значит, что если они придут к соглашению о скорости, с которой распространяется луч — скорости света — это значит, что они не придут к соглашению об интервале времени между началом распространения луча вдоль самолета и его окончанием.

В чем странность этого явления — в том, что, хотя эти два наблюдателя измерили различные интервалы времени, они наблюдали тот же самый физический процесс. Эйнштейн не пытался искусственным образом объяснить это. Он вывел поразительное заключение, что измерение затраченного времени на преодоление расстояния, зависит от наблюдателя, проводящего измерение. Тот эффект является одним из ключевых в теории, описанной в статье Эйнштейна в 1905 году, которая получила название специальной теории относительности.

Мы можем видеть, как этот анализ может применяться к устройствам хронометрирования, если мы рассматриваем двух наблюдателей, наблюдающих за часами. Специальная теория относительности считает, что часы бегут быстрее согласно наблюдателю, который находится в покое относительно часов. Наблюдателям, которые не являются в покое относительно часов, кажется, что часы бегут медленнее. Если мы уподобляем световой импульс, идущий из хвоста до носа самолета, тиканью часов, мы видим, что для наблюдателя на Земле часы идут медленнее, потому что в той системе координат луч света должен переместиться на большее расстояние. Но результат не зависит от механизма часов; он справедлив для всех часов, даже наших собственных биологических.

Работа Эйнштейна показала, что, как и понятие покоя, время не может быть абсолютным, как полагал Ньютон. Другими словами, невозможно определить для каждого события время, с которым согласится любой наблюдатель. Вместо этого у всех наблюдателей есть свои собственные меры времени, и время, измеренное двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга, не будет совпадать. Идеи Эйнштейна вступают в противоречие с нашей интуицией, потому что их последствия не заметны на скоростях, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни. Но они неоднократно подтверждались экспериментально. Например, представьте себе эталонные часы в состоянии покоя в центре земли, другие часы на поверхность земли, а третьи на борту самолета, летящего либо по направлению, либо против направления вращения Земли. По отношению к часам в центре земли часы на борту самолета, движущегося в восточном направлении — в направлении вращения земли — перемещаются быстрее, чем часы на поверхности Земли, и поэтому они должны идти медленнее. Точно так же в отношении часов в центре земли, часы на борту самолета, летящего на запад — против вращения земли — перемещаются медленнее, чем часы на поверхности, что означает, что эти часы должны идти быстрее, чем часы на поверхности. И это в точности наблюдалось, когда в эксперименте, проделанном в октябре 1971, очень точные атомные часы облетели вокруг света. Таким образом, можно растянуть свою жизнь, постоянно летя в восточном направлении вокруг света, хотя Вы могли бы устать от просмотра всех тех кинофильмов авиалиний. Однако эффект очень мал, приблизительно 180 миллиардных частей секунды за оборот (и он также несколько уменьшается из-за влияния разницы в силе тяжести, но нам здесь не нужно в это вдаваться).

Благодаря работе Эйнштейна, физики поняли, что из-за требования, чтобы скорость света была одной и той же во всех системах координат, теории электричества и магнетизма Максвелла определяют, что время нельзя рассматривать отдельно от трех пространственных измерений. Наоборот, время и место взаимосвязаны. Это нечто вроде добавления четвертого направления будущее/прошлое к обычным влево/вправо, взад/вперед, и вверх/вниз. Физики называют это сочетание пространства и времени «пространство-временем», и поскольку пространство-время включает четвертое направление, они называют его четвертым измерением. В пространстве-времени время больше не отделено от трех пространственных измерений, и, грубо говоря, как определение влево/вправо, вперед/назад или вверх/вниз зависит от ориентации наблюдателя, так же направление времени меняется в зависимости от скорости наблюдателя. Наблюдатели, движущиеся на различных скоростях, выбрали бы различные направления для времени в пространстве-времени. Специальная теория относительности Эйнштейна поэтому была новой моделью, которая избавилась от понятий абсолютного времени и абсолютного покоя (то есть, покоя относительно неподвижного эфира).

Эйнштейн скоро понял, что, чтобы согласовать гравитацию с относительностью, необходимо было дополнительное измерение. Согласно теории тяготения Ньютона, в любой момент времени объекты притягиваются друг к другу силой, зависящей от расстояния между ними в этот момент. Но теория относительности упразднила понятие абсолютного времени, поэтому не было никакого способа определить, когда должно быть измерено расстояние между массами. Таким образом, теория тяготения Ньютона не была совместима со специальной относительностью и должна была быть изменена. Противоречие могло походить на простую техническую трудность, возможно, даже детали этого так или иначе могли быть решены обходным путем без большого изменения в теории. Как оказалось, ничего подобного.

За последующие одиннадцать лет Эйнштейн разработал новую теорию тяготения, которую он назвал общей относительностью. Понятие силы тяжести в общей относительности совсем не похоже на Ньютоновское. Вместо этого оно базировалось на революционном предложении, что пространство-время не плоское, как было принято ранее, а изогнуто и искривлено массой и энергией в нем.

Хороший способ изобразить искривление — представить себе поверхность Земли. Хотя поверхность Земли всего лишь двумерна (потому что на ней есть только два направления, например, север/юг и восток/запад), мы собираемся использовать ее в качестве нашего примера, потому что искривленное двумерное пространство легче себе представить, чем искривленное четырехмерное пространство. Геометрия искривленных пространств, таких как поверхность Земли, не представляет собой знакомую нам Евклидову геометрию. Например, на поверхности Земли самое короткое расстояние между двумя пунктами — которое мы знаем как прямую в Евклидовой геометрии — это путь, соединяющий два пункта вдоль так называемого большого круга. (Большой круг — это круг на поверхности Земли, центр которого совпадает с центром Земли. Экватор — пример большого круга, и вообще, любой круг, полученный поворотом экватора вместе с различными диаметрами).

Представьте, скажем, что Вы хотели путешествовать из Нью-Йорка в Мадрид, два города, лежащие почти на одной и той же широте. Если бы Земля была плоской, то самый короткий маршрут должен был держать курс прямо на восток. Если бы Вы так сделали, то прибыли бы в Мадрид, пропутешествовав 3707 миль. Но из-за искривления Земли есть путь, который на плоской карте выглядит кривым и, следовательно, более длинным, но который в действительности короче. Вы можете добраться туда, преодолев 3605 миль, если проследуете по маршруту большого круга, который должен сначала взять курс на северо-восток, затем постепенно повернуть на восток, а затем на юго-восток. Различие в расстоянии между этими двумя маршрутами возникает из-за искривления Земли и свидетельства ее неевклидовой геометрии. Авиалинии знают это и принимают меры, чтобы их пилоты следовали маршрутами большого круга практически всегда.

Согласно законам механики Ньютона, объекты, такие как пушечные ядра, круассаны и планеты, перемещаются по прямым линиям, если на них не действуют силы, такие как сила тяжести. Но гравитация в теории Эйнштейна не является силой, подобно другим; скорее она представляет собой следствие того факта, что масса искажает пространство-время, создавая искривление. В теории Эйнштейна объекты движутся по геодезическим линиям, что ближе всего к прямым в искривленном пространстве. Линии являются геодезическими на плоскости, а большие круги — геодезические на поверхности Земли. В отсутствие вещества, геодезические линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют линиям в трехмерном пространстве. Но когда вещество присутствует, искажая пространство-время, пути тел в соответствующем трехмерном пространстве искривляются в смысле, который в Ньютоновой теории объяснялся силой притяжения. Когда пространство-время искривлено, пути объектов изгибаются, будто какая-то сила воздействует на них.

Из общей теории относительности Эйнштейна выделяют специальную теорию относительности, для случаев с нулевой гравитацией, которая выдаёт почти такие же предсказания, как и теория тяготения Ньютона для среды в нашей Солнечной системе со слабым тяготением — но не совсем. Фактически, если бы общая относительность не принималась во внимание спутниковой навигационной системой GPS, ошибок глобального позиционирования накапливалось бы около десяти километров каждый день! Так или иначе, подлинное значение общей относительности не в применении её в устройствах, которые укажут вам путь до нового ресторана, но скорее в том, что это совершенно новая модель Вселенной, предсказывающая новые явления, такие как гравитационные волны и чёрные дыры. И таким образом общая относительность превратила физику в геометрию. Современные технологии достаточно чувствительны, чтобы позволить нам выполнять множество чувствительных проверок общей относительности, и она выдерживает их все без исключения.

Хотя обе радикально изменили физику, теория электромагнетизма Максвелла и теория гравитации — общей относительности Эйнштейна — обе, подобно собственной физике Ньютона, являются классическими теориями. Значит они — модели, в которых Вселенная имеет единственную историю. Как мы видели в последней главе, на атомных и субатомных уровнях эти модели не согласуются с наблюдениями. Вместо этого мы должны использовать квантовые теории, в которых у Вселенной может быть любая возможная история, каждая со своей собственной амплитудой интенсивности или вероятности. Для практических вычислений, касающихся будничного мира, мы можем продолжать использовать классические теории, но если мы хотим понять поведение атомов и молекул, мы нуждаемся в квантовой версии теории электромагнетизма Максвелла; и если мы хотим понять раннюю Вселенную, когда вся материя и энергия во Вселенной были сжаты в маленький объем, у нас должна быть квантовая версия общей теории относительности. Мы нуждаемся в таких теориях также потому, что, если мы стремимся к пониманию принципов природы, было бы нелогично, если бы некоторые из законов были квантовыми, в то время как другие — классическими. Поэтому мы должны найти квантовые версии всех законов природы. Такие теории называют теориями квантового поля.

Известные силы природы могут быть разделены на четыре класса:

1. Гравитация. Это самая слабая из четырех сил, но она — сила дальнего действия и воздействует на все во Вселенной в виде притяжения. Это означает, что для больших тел все гравитационные силы складываются и могут доминировать над всеми другими силами.

2. Электромагнетизм. Это также сила дальнего действия и намного более сильная, чем гравитация, но она действует только на электрически заряженные частицы, отталкивая заряды одинаковых знаков и притягивая заряды противоположных знаков. Это означает, что электрические силы в больших телах уравновешивают друг друга, но в масштабах атомов и молекул они преобладают. Электромагнитные силы ответственны за всю химию и биологию.

3. Слабое ядерное взаимодействие. Это сила является причиной радиоактивности и играет жизненно важную роль в формировании элементов в звездах и ранней Вселенной. Мы, однако, не сталкиваемся с этой силой в нашей повседневной жизни.

4. Сильное ядерное взаимодействие. Эта сила удерживает вместе протоны и нейтроны в ядре атома. Она также удерживает от распада сами протоны и нейтроны, что необходимо, потому что они сделаны из еще более крошечных частиц, кварков, которые мы упоминали в Главе 3. Сильное взаимодействие — источник солнечной и ядерной энергии, но, как и со слабым взаимодействием, мы с ним напрямую не контактируем.

Первая сила, для которой была создана квантовая версия, была электромагнетизмом. Квантовая теория электромагнитного поля, названная квантовым электромагнетизмом или для краткости QED, была разработана в 1940-х Ричардом Фейнманом и другими, и стала моделью для всех квантовых теорий поля. Как мы сказали, согласно классическим теориям, силы переносятся полями. Но в квантовых теориях поля силовые поля описываются как составленные из различных элементарных частиц, названных бозонами, частицами, переносящими силу, которые летают туда-сюда между частицами материи, передавая силы. Частицы материи называют фермионами. Электроны и кварки — примеры фермионов. Фотон, или частица света — пример бозона. Это бозон, передающий электромагнитную силу. Происходит так, что частица материи, такая как электрон, испускает бозон, или частицу силы, и отскакивает от нее, почти так же, как орудие откатывается после выстрела пушечным ядром. Частица силы затем сталкивается с другой частицей материи и поглощается, меняя движение этой частицы. Согласно QED, все взаимодействия между заряженными частицами — частицами, чувствительными к электромагнитной силе — описываются в терминах обмена фотонами.

Предсказания QED были проверены и объявленными соответствующими экспериментальным результатам с большой точностью. Но выполнение математических расчетов, требуемых QED, может быть затруднительным. Проблема, как будет видно ниже, в том, что когда Вы добавляете к вышеупомянутому механизму обмена частицами квантовое условие, чтобы каждая включала все истории, в результате которых может произойти взаимодействие — например, все способы, которыми частицы могут обмениваться силами — математика становится сложной. К счастью, наряду с изобретением понятия альтернативных историй — способа представить себе квантовые теории, описанные в последней главе — Фейнман также разработал искусный графический метод составления различных историй, метод, который сегодня применяется не только к QED, но и ко всем квантовым теориям поля.

Графический метод Фейнмана обеспечивает способ наглядно представить каждый компонент в сумме по историям. Эти рисунки, названные диаграммами Фейнмана, являются одними из самых важных инструментов современной физики. В QED сумма по всем возможным историям может быть представлена в виде суммы по диаграммам Фейнмана, как те, что ниже, представляющим некоторые из способов, которыми два электрона могут разлететься друг от друга в результате действия электромагнитной силы. В этих диаграммах сплошные линии представляют электроны, а волнистые — фотоны. Время подразумевается текущим снизу вверх и проставлено на соединениях линий, соответствующих фотонам, испускаемым или поглощаемым электроном. Диаграмма (A) представляет два электрона, приближающиеся друг к другу, обменивающиеся фотоном, и затем продолжающие свой путь. Это самый простой способ, которым два электрона могут электромагнитно взаимодействовать, но мы должны рассмотреть все возможные истории. Следовательно, мы должны также учитывать диаграммы, подобные (B). Эта диаграмма также изображает две входящие линии — сближающиеся электроны — и две исходящие линии — разлетающиеся электроны — но в этой диаграмме электроны обмениваются двумя фотонами, прежде чем разлететься. Изображенные диаграммы — лишь некоторые из вариантов; фактически существует бесконечное число диаграмм, которые должны быть вычислены математически.

Диаграммы Фейнмана не только аккуратный способ изобразить и классифицировать, как могут происходить взаимодействия. Диаграммам Фейнмана сопутствуют правила, которые позволяют выводить, исходя из линий и вершин на каждой диаграмме, математические выражения. Вероятность, скажем, что входящие электроны с некоторым заданным начальным импульсом окажутся разлетевшимися с некоторым определенным конечным импульсом, при этом получена суммированием вкладов от каждой диаграммы Фейнмана. Это может потребовать немалого труда, поскольку, как мы сказали, их существует бесконечное число. Кроме того, хотя входящим и исходящим электронам присваивают определенную энергию и импульс, частицы в замкнутых контурах внутри диаграммы могут иметь любую энергию и импульс. Это важно, потому что при составлении суммы Фейнмана нужно суммировать не только по всем диаграммам, но также и по всем значениям энергии и импульса.

Диаграммы Фейнмана предоставляют физикам огромную помощь в визуализации и вычислении вероятностей процессов, описанных QED. Но они не излечивают одну важную болезнь, перенесенную теорией. Когда Вы складываете вклады от бесконечного числа различных историй, Вы получаете бесконечный результат. (Если последующие члены в бесконечной сумме уменьшаются достаточно быстро, сумма может быть конечной, но этого, к сожалению, здесь не происходит). В частности, когда диаграммы Фейнмана сложены, ответ, кажется, предполагает, что у электрона бесконечная масса и заряд. Это абсурд, потому что мы можем измерить массу и заряд, и они конечны. Чтобы справиться с этими бесконечностями была разработана процедура, названная перенормировкой.

Процесс перенормировки подразумевает вычитание количества, оцениваемого как бесконечное и отрицательное, таким способом, что при тщательном математическом расчете сумма отрицательных и положительных бесконечных величин, возникающих в теории, сводится почти на нет, оставляя маленький остаток, конечное наблюдаемое значение массы и заряда. Эти манипуляции могли бы походить на такого рода вещи, из-за которых Вы бы провалились на школьном математическом экзамене, и действительно, перенормировка, как и ее звучание, сомнительна в математическом плане. Один из результатов — что значения, полученные этим методом для массы и заряда электрона, могут быть любым конечным числом. Преимущество этого в том, что физики могут выбрать отрицательные бесконечности таким образом, чтобы получить правильный ответ, но неудобство — что масса и заряд электрона, поэтому не могут быть предсказаны на основании этой теории. Но как только мы установили массу и заряд электрона этим методом, мы можем использовать QED, чтобы сделать множество других очень точных предсказаний, которые весьма точно согласуются с наблюдением, таким образом, перенормировка — один из существенных компонентов QED. Первым триумфом QED, например, было правильное предсказание так называемого Лэмбовского сдвига, небольшого изменения энергии одного из состояний атома водорода, обнаруженного в 1947 году.

Успех перенормировки в QED поощряет попытки создать квантовые теории поля, описывающие другие три силы природы. Но деление сил природы на четыре класса, вероятно, искусственно и является следствием нашего недостаточного понимания. Поэтому люди пытаются разработать теорию всего, что объединит эти четыре класса в один закон, совместимый с квантовой теорией. Это было бы священным Граалем физики.

Один знак того, что объединение — правильный подход, получен из теории слабой силы. Квантовая теория поля, описывающая слабую силу саму по себе, не может быть перенормирована; то есть в ней есть бесконечности, которые не сокращаются вычитанием конечного ряда величин, таких как масса и заряд. Однако в 1967 году Абдус Салам и Стивен Вейнберг, независимо друг от друга, предложили теорию, в которой электромагнетизм был объединен со слабой силой, и обнаружили, что объединение устраняло проклятие бесконечностей. Объединенную силу называют электрослабым взаимодействием. Эта теория могла быть перенормирована, и предсказала три новых частицы, названные W+, W- и Z°. Доказательство в пользу Z° было обнаружено в CERN в Женеве в 1973 году. Салам и Вейнберг были награждены Нобелевской премией в 1979 году, хотя W и Z частицы непосредственно не наблюдались до 1983 года.

Сильное взаимодействие может быть перенормировано само по себе в теории, названной QCD или квантовая хромодинамика. Согласно QCD, протон, нейтрон, и многие другие элементарные частицы материи образованы из кварков, у которых есть замечательное свойство, которое физики называют цветом (отсюда и термин «хромодинамика», хотя цвета кварка — лишь полезные обозначения — нет никакой связи с видимым цветом). Кварки получаются трех так называемых цветов, красные, зеленые и синие. Кроме того, у каждого кварка есть партнер-античастица, и цвета этих частиц называют антикрасным, антизеленым и антисиним. Идея в том, что только комбинации, а не чистые цвета, могут существовать в виде свободных частиц. Существует два способа достигнуть таких комбинаций кварков смешанного цвета. Цвет и его антицвет сокращают, таким образом, кварк и антикварк формируют бесцветную пару, нестабильную частицу, названную мезоном. Кроме того, когда все три цвета (или антицвета) смешиваются, в результате не получается чистого цвета. Три кварка, по одному каждого цвета, образуют стабильные частицы, названные барионами, примеры которых — протоны и нейтроны (а три антикварка образуют античастицы барионов). Протоны и нейтроны являются барионами, которые составляют ядра атомов и служат основой всей нормальной материи во Вселенной.

У QCD также есть свойство, названное асимптотической свободой, которое мы упомянули, не называя, в Главе 3. Асимптотическая свобода означает, что сильные взаимодействия между кварками малы, когда кварки находятся близко друг от друга, но увеличиваются, если они удаляются, почти как если бы к ним присоединили резинки. Асимптотическая свобода объясняет, почему мы не видим отдельных кварков в природе и были неспособны создать их в лаборатории. Однако даже при том, что мы не можем наблюдать отдельных кварков, мы принимаем модель, потому что она очень хорошо работает при объяснении поведения протонов, нейтронов и других частиц материи.

После объединения слабых и электромагнитных взаимодействий в 1970-х физики искали способ ввести сильное взаимодействие в эту теорию. Существует множество так называемых великих объединенных теорий или GUТов, которые объединяют сильные взаимодействия со слабыми и с электромагнетизмом, но они главным образом предсказывают, что протоны, вещество, из которого мы сделаны, должны распадаться в среднем приблизительно через 10^32 лет. Это очень продолжительное время жизни, учитывая, что Вселенной лишь около 10^10 лет. Но в квантовой физике, когда мы говорим что среднее время жизни частицы 10^32 лет, мы не подразумеваем, что большинство частиц живут приблизительно 10^32 лет, некоторые немного больше, а некоторые немного меньше. Вместо этого мы подразумеваем, что каждый год у частицы есть 1 из 10^32 шансов распасться. В результате, если Вы следите за резервуаром, содержащим 10^32 протонов, в течение всего лишь нескольких лет, Вы должны наблюдать несколько протонных распадов. Не слишком трудно построить такой резервуар, поскольку 10^32 протонов содержится всего лишь в тысяче тонн воды. Ученые провели такие эксперименты. Оказывается, обнаружение распадов и дифференциация их от других событий, вызванных космическими лучами, которые непрерывно льются на нас из космоса, является не столь простым делом. Чтобы минимизировать шум, эксперименты проводились в местах глубоко под Землей, таких как шахта компаний Kamioka Mining и Smelting в Японии глубиной 3281 фута, в некоторой степени защищенная от космических лучей. В результате наблюдений в 2009 году исследователи заключили, что если протонный распад вообще существует, время жизни протона больше, чем 10^34 лет, что является плохой новостью для великих объединительных теорий.

Так как ранее наблюдаемое свидетельство также было не способно поддержать GUTbi, большинство физиков приняло специальную теорию, названную стандартной моделью, которая включает объединительную теорию электрослабых взаимодействий и QCD как теорию сильных взаимодействий. Но в стандартной модели электрослабые и сильные взаимодействия действуют отдельно и на самом деле не объединены. Стандартная модель очень эффективна и согласуется со всеми наблюдамыми на сегодняшний день свидетельствами, но она, в конечном счете, неудовлетворительна, потому что кроме того, что она не объединяет электрослабые и сильные взаимодействия, она не включает гравитацию.

Может оказаться трудным объединить сильные взаимодействия с электромагнитными и слабыми взаимодействиями, но эти проблемы — ничто по сравнению с проблемой слияния гравитации с тремя другими или даже создания отдельной квантовой теории гравитации. Причина, по которой оказалось настолько трудным создать квантовую теорию гравитации, имеет отношение к принципу неопределенности Гейзенберга, который мы обсуждали в Главе 4. Это не очевидно, но оказывается, что с учетом этого принципа величина поля и скорость его изменения играют такую же роль, как положение и скорость частицы. Таким образом, чем точнее определено одно, тем менее точно может быть определено другое. Важное следствие этого в том, что нет такой вещи как пустота. Это потому что пустота означает, что и величина поля и скорость его изменения строго нулевые. (Если бы скорость изменения поля была не нулевой, то место не оставалось бы пустым). Так как принцип неопределенности не позволяет величине поля и скорости изменения быть точными, космос вовсе не пуст. У него может быть состояние минимума энергии, названное вакуумом, но это состояние подвержено так называемому квантовому дрожанию или флуктуациям вакуума — частицы и поля дрожат туда-сюда относительно существования.

Можно представить флуктуации вакуума как пару частиц, которые одновременно появляются в какой-то момент, расходятся, а затем объединяются и аннигилируют друг друга. Выраженные диаграммами Фейнмана, они представляют собой замкнутые контуры. Эти частицы называют виртуальными частицами. В отличие от реальных, виртуальные частицы не могут наблюдаться непосредственно детектором частиц. Однако их косвенные эффекты, такие как небольшие изменения энергии электронных орбит, могут быть измерены и согласуются с теоретическими предсказаниями до замечательной степени точности. Проблема состоит в том, что виртуальные частицы имеют энергию, и поскольку существует бесконечное число виртуальных пар, у них было бы бесконечное количество энергии. Согласно общей относительности, это означает, что они искривили бы Вселенную к бесконечно малый размер, чего очевидно не происходит!

Это проклятие бесконечности похоже на проблему, которая возникает в теориях сильных, слабых, и электромагнитных взаимодействий, кроме тех случаев, когда перенормировка устраняет бесконечности. Но замкнутые контуры в диаграммах Фейнмана для гравитации создают бесконечности, которые не могут быть сокращены перенормировкой, потому что в общей относительности недостаточно перенормируемых параметров (таких как величина массы и заряда), чтобы устранить все квантовые бесконечности из теории. Мы поэтому остаемся с теорией гравитации, предсказывающей, что определенные величины, такие как искривление пространства-времени, бесконечны, что не служит хорошим путем, ведущим к пригодной для жизни Вселенной. Это означает, что единственная возможность получения разумной теории было бы как-нибудь сократить все бесконечности, не прибегая к перенормировке.

В 1976 году возможное решение этой проблемы было найдено. Его называют супергравитацией. Приставка «супер» добавлялась не потому, что физики думали, что было «супер», что эта теория квантовой гравитации могла на самом деле работать. Вместо этого «супер» имеет в виду своего рода симметрию, которой обладает теория, названную суперсимметрией.

В физике система, как говорят, обладает симметрией, если ее свойства не зависят от определенных преобразований, таких как вращение ее в пространстве или получение ее зеркального отображения. Например, если Вы переворачиваете пончик, он выглядит в точности одинаково (если он без шоколадной посыпки, в этом случае лучше его просто съесть). Суперсимметрия — более тонкий вид симметрии, которая не может быть связана с преобразованием обычного пространства. Одно из важных значений суперсимметрии — что частицы силы и частицы материи, а следовательно сила и материя, действительно лишь два аспекта одного и того же явления. В сущности, это означает, что у каждой частицы материи, такой как кварк, должна быть частица-партнер, являющаяся частицей силы, и у каждой частицы силы, такой как фотон, должна быть частица-партнер, являющаяся частицей материи. У этой теории есть потенциал, чтобы решить проблему бесконечностей, потому что оказывается, что бесконечности от замкнутых контуров частиц силы положительны, в то время как бесконечности от замкнутых контуров частиц материи отрицательны, таким образом, бесконечности в этой теории, обусловленные частицами силы и их партнерами, частицами материи, имеют свойство сокращаться. К сожалению, вычисления, необходимые чтобы узнать, были ли бы какие-нибудь бесконечности, оставшиеся несокращенными в супергравитации, были такими длинными и сложными, и имели такой потенциал для ошибки, что никто не был готов за них браться. Большинство физиков, тем не менее, полагало, что супергравитация была, вероятно, правильным ответом на проблему объединения гравитации с другими силами.

Вы могли бы подумать, что справедливость суперсимметрии будет легко проверить — просто исследуйте свойства существующих частиц и увидите, разделяются ли они на пары. Никакие такие частицы-партнеры не наблюдались. Но различные вычисления, которые выполнили физики, указывают, что частицы-партнеры, соответствующие частицам, которые мы наблюдаем, должны быть в тысячу раз более массивными, чем протон, если не еще более тяжелыми. Они слишком тяжелые для таких частиц, чтобы быть замеченными в любых экспериментах, проводившихся до настоящего времени, но есть надежда, что такие частицы будут, в конечном счете, созданы в Большом Адронном Коллайдере в Женеве.

Идея суперсимметрии была ключом к созданию супергравитации, но понятие фактически возникло несколькими годами ранее у теоретиков, изучающих неоперившуюся теорию, названную теорией струн. Согласно теории струн, частицы — это не точки, а паттерны колебаний, у которых есть длина, но нет высоты или ширины — подобно бесконечно тонким струнам. Теории струн также приводят к бесконечностям, но полагают, что в правильной версии все они сократятся. У них есть другая необычная особенность. Они непротиворечивы, только если пространство-временя имеет десять измерений вместо обычных четырех. Десять измерений могли бы казаться захватывающими, но они вызвали бы реальные проблемы, если бы Вы забыли, где оставили свой автомобиль. Если они существуют, почему мы не замечаем эти лишние измерения? Согласно теории струн, они скручены в пространство очень небольшого размера. Чтобы изобразить это, представьте себе двумерный самолет. Мы называем самолет двумерным, потому что нужно два числа (например, горизонтальная и вертикальная координаты), чтобы определить местоположение любой точки на нем. Другое двумерное пространство — поверхность соломинки. Чтобы определить местоположение точки в этом пространстве, нужно знать, где точка вдоль соломинки, а также какова ее круговая координата. Но если бы соломинка была очень тонкой, Вы бы отлично приблизительно установили расположение, используя только координату, проходящую вдоль соломинки, поэтому Вы могли бы не учитывать круговое измерение. И если бы соломинка была «одной миллион-миллион-миллион-миллион-миллионной» дюйма в диаметре, то Вы не заметили бы кругового измерения вообще. Это — картина, благодаря которой теоретики струн имеют дополнительные измерения — они сильно изогнуты или закручены, в масштабе настолько маленьком, что мы их не видим. В теории струн дополнительные измерения свернуты в то, что называют внутренним пространством, в противоположность трехмерному пространству, которое мы изведываем в повседневной жизни. Как мы увидим, эти внутренние состояния — не просто скрытые, смятые измерения — у них есть важное физическое значение.

В дополнение к вопросу об измерениях, теория струн пострадала от другой нелепой проблемы. Казалось, было по крайней мере пять различных теорий и миллионы способов, которыми могли быть свернуты дополнительные измерения, что было настоящей помехой для перспектив тех, кто отстаивал, что теория струн была уникальной теорией всего. Затем, приблизительно в 1994 году, люди начали обнаруживать дуальности — что различные теории струн и различные способы свернуть дополнительные измерения являются просто различными способами описать одни и те же явления в четырех измерениях. Кроме того, они обнаружили, что супергравитация также связана таким способом с другими теориями. Теоретики струн теперь убеждены, что пять различных теорий струн и супергравитация — только различные приближения к более фундаментальной теории, каждая справедлива в различных ситуациях.

Эту более фундаментальную теорию называют М-теорией, как мы упоминали ранее. Никто, похоже, не знает, что означает «М»: может быть «материнская», «магическая» или «мистическая». Похоже, все три. Люди все еще пытаются разгадать природу М-теории, но, может быть, это невозможно. Может статься, что традиционное ожидание физиков единственной теории природы необоснованно, и единственной формулировки не существует. Быть может, чтобы описать Вселенную, нам придётся в разных ситуациях применять различные теории. У каждой теории может быть своя собственная версия действительности, но, согласно модельно-ориентированному реализму, это приемлемо, поскольку теории согласуются в своих предсказаниях всякий раз, когда они частично совпадают, то есть всякий раз, когда они могут обе быть применены.

Вне зависимости от того, существует ли М-теория как единая формула или представляет собой лишь систему, мы знаем о некоторых её свойствах. Во-первых, в М-теории одиннадцать пространственно-временных измерений, вместо десяти. Теоретики струн давно подозревали, что предсказание о десяти измерениях придётся подкорректировать и недавние исследования показали, что действительно — одно измерение было пропущено. Также, в М-теории могут быть не только вибрирующие струны, но ещё и точки-частицы, двумерные мембраны, трёхмерные пузыри и другие объекты, более сложные в изображении и занимающие даже больше измерений пространства, вплоть до девяти. Такие объекты называют р-бранами (где р изменяется от 0 до 9).

А что на счет гигантского количества путей свертывания крошечных измерений? В М-теории такие дополнительные измерения не могут быть свернуты как угодно. Математический аппарат теории ограничивает способы, которыми могут быть свернуты измерения внутреннего пространства. Конкретная форма внутренних измерений определяет и значения физических констант, таких как заряд электрона, и природу взаимодействий между элементарными частицами. Другими словами — она определяет действительные законы природы. Мы говорим «действительные» потому, что мы имеем в виду законы, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной — законы четырех сил и параметров, таких как масса и заряд, характеризующих элементарные частицы. Но более фундаментальные законы — законы М-теории.

Законы М-теории поэтому учитывают различные вселенные с различными наблюдаемыми законами, в зависимости от того, как закручено внутреннее пространство. У М-теории есть решения, которые учитывают многие различные внутренние пространства, возможно, целых 10^500, что означает, что она допускает 10^500 различных вселенных, каждую со своими собственными законами. Чтобы понять, насколько это много, подумайте вот о чем. Если бы некое существо могло анализировать законы, предсказанные для каждой из тех вселенных, всего лишь за одну миллисекунду, и начало бы работать над ними вслед за Большим взрывом, в настоящее время это существо рассмотрело бы лишь 10^20 из них. И это без перерывов на кофе.

Столетиями ранее, Ньютон доказал, что математические уравнения могут предоставить поразительно точные описания взаимодействий объектов, как на Земле, так и в небе. Учёных привели к вере в то, что будущее всей Вселенной откроется их взору, лишь только мы узнаем правильную теорию и будем иметь достаточно компьютерных мощностей. Потом пришла квантовая неопределённость, искривлённое пространство, кварки, струны с лишними измерениями, и общее количество вселенных из них — 10^500, каждая со своими законами и лишь одна из которых соотносится со Вселенной, которая известна нам. От исконной надежды физиков — выработать единую теорию, объясняющую действительные законы нашей Вселенной как уникальную вероятность последствия нескольких простых допущений — следует отказаться. Что же это нам даёт? Если М-теория допускает 10^500 различных случаев действительных законов, как же мы оказались именно в этой Вселенной, с законами действительными для нас? И как насчёт тех, других возможных миров?

6. Выбирая нашу Вселенную

Согласно верованиям бошонго, племени из Центральной Африки, вначале была только тьма, вода, и великий Бог Бумба. Однажды Бумбу, мучающегося от желудочных колик, стошнило Солнцем. Спустя какое-то время Солнце испарило часть воды, образовав Землю. Но боль Бумбы не прекращалась, а с ней и тошнота. Её результатом стала Луна, звёзды и затем некоторые животные: леопард, крокодил, черепаха и, наконец, человек. Индейцы майя, населявшие Мексику и Центральную Америку похоже описывают время до творения, когда существовали лишь море, небо и Творец. В легендах майя Творец, будучи несчастлив от того, что его никто не славил, создал Землю, горы, деревья и большинство животных. Однако животные не могли говорить, и он решил создать людей. Поначалу он сделал их из грязи и земли, но они были способны лишь нести вздор. Он дал им исчезнуть и попробовал снова, в этот раз вырезав людей из дерева. Ну и тупыми же они оказались. Он решил уничтожить их, но они сбежали в лес, претерпев на этом пути травмы, слегка изменившие их, создав то, что нам сегодня известно как обезьяны. После этого провала Творец, наконец, нашёл работающую формулу и соорудил первых людей из белой и жёлтой кукурузы. Сегодня мы делаем этанол из зерна, но до сих пор не смогли превзойти Создателя людей, которые пьют его.

Мифы о создании, подобные этим, пытаются ответить на вопросы, к которым мы обращаемся в этой книге: Почему существует Вселенная, почему она именно такая? Наша способность задаваться такими вопросами столетиями росла и укреплялась, начиная с древних греков, но наиболее глубоко — за прошлое столетие. Проведя подготовительную работу в предыдущих главах, мы теперь готовы предложить возможный ответ на эти вопросы.

Одна идея, которая, возможно, была очевидна даже в прежние времена, состояла в том, что или Вселенная была сравнительно недавно создана, или люди, существуют только небольшой отрезок космической истории. Потому что человеческий род так быстро развивает знания и технологии, что, если бы люди существовали в течение миллионов лет, человеческий род намного бы продвинулся бы в своем совершенстве.

Согласно Ветхому Завету, Бог создал Адама и Еву всего за шесть дней. Епископ Асшер, примас всей Ирландии с 1625 до 1656, указал происхождение мира еще более точно, в девять утра 27 октября, 4004 до н. э. Мы имеем другую точку зрения: что человечество возникло сравнительно недавно, а Вселенная существует много дольше — около 13.7 миллиардов лет.

Первое фактическое научное доказательство, что у Вселенной было начало, появилось в 1920-х. Как мы сказали в Главе 3, было время, когда большинство ученых верило в статическую Вселенную, которая всегда существовала. Доказательства, правда, были косвенными, основанными на наблюдениях Эдвина Хаббла, сделанных с помощью 100-дюймового телескопа на горе Уилсона, на холмах выше Пасадены, Калифорния. Анализируя спектр света, который излучают галактики, Хаббл решил, что почти все галактики отдаляются от нас, и чем дальше они, тем быстрее они удаляются. В 1929 он открыл закон, связывающий падение интенсивности излучения галактик с их расстоянием от нас, и пришел к заключению, что Вселенная расширяется. Если это верно, то Вселенная, должно быть, была меньше в прошлом. Фактически, если мы экстраполируем к отдаленному прошлому, вся материя и энергия во Вселенной были бы сконцентрированы в очень крошечной области невообразимой плотности и температуры, и если бы мы вернулись достаточно далеко, когда все это началось, это событие, мы теперь называем Большим взрывом.

Идея, что Вселенная расширяется, заключает в себе некоторую тонкость. Например, мы не подразумеваем, что Вселенная расширяется таким образом, что, скажем, можно было бы расширить дом, выбивая стену и помещая новую ванную, в том месте, где когда-то возвышался величественный дуб. Вернее сказать, что не пространство расширяет само себя, а то, что увеличивается расстояние между двумя любыми точками Вселенной, которая расширяется. Эта идея появилась в 1930-х среди многочисленных дискуссий, но одним из лучших способов наглядно продемонстрировать это, является метафора, изложенная в 1931 Кембриджским университетским астрономом Артуром Эддингтоном. Эддингтон представил Вселенную как поверхность расширяющегося воздушного шара, и все галактики как точки на его поверхности. Эта картина ясно иллюстрирует, почему далекие галактики разлетаются более быстро, чем соседние. Например, если радиус воздушного шара, удваивался каждый час, то расстояние между любыми двумя галактиками на воздушном шаре также удваивалось бы каждый час. Если бы в некоторое время две галактики были на расстоянии в 1 дюйм, то час спустя они были бы на расстоянии в 2 дюйма, и они, казалось бы, двигались бы друг относительно друга со скоростью 1 дюйма в час. Но если бы они начали на расстоянии в 2 дюйма, то час спустя они были бы отделены на 4 дюйма и, казалось бы, разбегались друг от друга со скоростью 2 дюйма в час. Вот, что обнаружил Хаббл: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас.

Важно понять, что расширение пространства не затрагивает размер материальных объектов, таких как галактики, звезды, яблоки, атомы, или другие объекты, скрепляемые некоторой силой. Например, если бы мы закрепили скопление галактик прочным кольцом на шаре, то это кольцо не расширялось бы, хотя шар продолжал бы расширяться. Это потому, что галактики связаны гравитационными силами, кольцо и галактики в пределах него сохраняли бы их размер и конфигурацию, тогда как шар увеличивался. Это важно, потому что мы можем обнаружить расширение, только если наши измерительные приборы имеют фиксированные размеры. Если бы все свободно расширялось, то мы, наши измерительные линейки, наши лаборатории, и так далее все расширились бы пропорционально, и мы не заметили бы различия.

То, что Вселенная расширяется, было новостью для Эйнштейна. Но возможность, что галактики разлетаются друг от друга, была высказана за несколько лет до статей Хаббла на теоретической почве, являющейся результатом собственных уравнений Эйнштейна. В 1922 году российский физик и математик Александр Фридман исследовал то, что произойдет с моделью Вселенной, основанной на двух предположениях, которые очень упростили математику: он предположил, что, во-первых, Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях и, во-вторых, из любой точки. Мы знаем, что первое предположение Фридмана не совсем верно — Вселенная, к счастью, не всюду однородна! Скажем, просто взглянув вверх, мы могли бы увидеть Солнце, а могли бы — и Луну. Или даже колонию летучих мышей. Но Вселенная, действительно кажется, примерно одинаковой в каждом направлении, когда рассматривается в масштабе, который намного больше — больше даже чем расстояние между галактиками. Это что-то вроде того, как наблюдать за лесом сверху. Если Вы находитесь достаточно близко, Вы сможете разобрать отдельные листья, или, по крайней мере, деревья, и пространства между ними. Но если Вы будете настолько высоко, что, если Вы протягиваете большой палец, и он покрывает квадратную милю деревьев, то лес, будет казаться однородным оттенком зеленого. Мы сказали бы, что в том масштабе лес однороден.

Основываясь на своих предположениях, Фридман смог обнаружить решение в уравнениях Эйнштейна, при котором Вселенная расширялась, что Хаббл и подтвердил вскоре своими наблюдениями. В частности модель Вселенной Фридмана начинается с нулевого размера и расширяется до тех пор, пока гравитационное притяжение не замедлит расширение, и, в конечном счете, не заставляет ее снова схлопнуться в себя. (Есть, оказывается, два других типа решений уравнений Эйнштейна, которые также удовлетворяют предположениям о модели Фридмана, одно соответствует Вселенной, в которой расширение продолжается всегда, хотя и действительно замедляется немного, и другой Вселенной, в которой темп расширения замедляется к нолю, но никогда не достигает его). Фридман умер спустя несколько лет после своей этой работы, и его идеи оставались в значительной степени неизвестными, пока Хаббл их не подтвердил. Но в 1927 преподаватель физики и римско-католический священник по имени Джорджес Лемэйтр предложил подобную идею. Если Вы прослеживаете историю Вселенной назад в прошлое, она становится все более крошечной, пока Вы не наталкиваетесь на момент создания, который мы теперь называем Большим взрывом.

Не всем понравилась картина Большого взрыва. Фактически, термин «Большой взрыв», который он назвал с некоторой иронией, был введен в 1949 Кембриджским астрофизиком Фредом Хойлом, который верил во Вселенную, которая расширяется всегда. Непосредственные наблюдения долго не могли подтвердить эту идею, пока в 1965 году не было открыто, что есть слабый фон сверхчастотных волн всюду во Вселенной. Это космическое микроволновое фоновое излучение (или реликтовое излучение), или CMBR, является тем же самым как и Вашей микроволновой печи, но намного менее сильным. Вы можете наблюдать реликтовое излучение самостоятельно, настраивая Ваше телевидение на неиспользованный канал — несколько процентов снега, который Вы видите на экране, будет вызван этим. Радиация была обнаружена случайно двумя учеными Bell Labs, пытающимися устранить такое помехи в их микроволновой антенне. Сначала они думали, что помехи могли произойти из-за голубей, усаживающихся на их антенну, но оказалось, что проблема имела очень интересную природу — реликтовое излучение — радиация, перенесенная от очень горячей и плотной ранней Вселенной, которая существовала вскоре после Большого взрыва. Поскольку Вселенная расширялась, она охлаждалась, пока радиация не стала только слабым остатком, который мы теперь наблюдаем. В настоящее время это реликтовое излучение могло бы нагреть Вашу еду до приблизительно -270 градусов по Цельсию, т. е только на 3 градуса выше абсолютного ноля, что не очень полезно для разогрева попкорна.

Астрономы также нашли другие отпечатки, подтверждающие картину Большого взрыва горячей, крошечной ранней Вселенной. Например, в течение первой минуты или около того, Вселенная была более горячей, чем центр типичной звезды. Во время того периода вся Вселенная действовала как реактор ядерного синтеза. Реакции прекратились бы, когда Вселенная расширится и достаточно охладится, но теория предсказывает, что тогда Вселенную должна была бы состоять, главным образом, из водорода, но также приблизительно с 23 % гелия, с незначительным количеством лития (все более тяжелые элементы возникли позже в звездах). Расчеты находится в хорошем соответствии с количеством гелия, водорода, и лития, который мы наблюдаем.

Наличие большого количества гелия и реликтовое излучение обеспечили убедительное доказательство в пользу картины Большого взрыва очень ранней Вселенной, но хотя можно думать о картине Большого взрыва как о действительном описании ранних времен, неправильно понимать Большой взрыв буквально, то есть считать теорию Эйнштейна как описание истинной картины происхождения Вселенной. Это потому что Общая теория относительности предсказывает, что должна была быть точка во времени, в которой температура, плотность, и искривление Вселенной были бесконечны, эта ситуацию математики называют сингулярностью. Для физиков это означает, что теория Эйнштейна прерывается в той точке и поэтому не может использоваться, чтобы предсказать, как Вселенная началась, только как она развивалась позже. Так как, хотя мы можем использовать уравнения Общей теории относительности и наши наблюдения за Вселенной, чтобы узнать о ней в очень молодом возрасте, не корректно полностью переносить картину Большого взрыва назад к началу.

Мы скоро доберемся до проблемы происхождения Вселенной, но сначала нескольких слов о первой фазе расширения. Физики называют это раздуванием или инфляцией. Если бы Вы жили в Зимбабве, где инфляция валюты недавно превысила 200 000 000 процентов, термин, возможно, не показался вам очень уж надуманным. Но согласно даже скромным подсчетам, во время этой космологической инфляции, Вселенная, расширилась с коэффициентом 1000000000000000000000000000000 в 0,00000000000000000000000000000000001 секунду. Это было бы, как будто монета диаметром в 1 сантиметр внезапно увеличилась в десяти миллионов раз до размеров Млечного пути. Это, может показаться, нарушает теорию относительности, которая указывает, что ничто не может перемещаться быстрее чем свет, но это ограничение скорости не относится к расширению самого пространства.

Идея, что такой эпизод инфляции, возможно, произошел, была впервые предложена в 1980 году, она основана на размышлениях, которые идут вне Общей теории относительности Эйнштейна и основываются на аспектах квантовой теории. Так как мы не имеем полной квантовой теории гравитации, детали все еще проясняются, и физики не уверены точно, как произошло расширение. Но согласно теории, расширение, вызванное инфляцией, не было бы абсолютно однородно, как предсказано традиционной картиной Большого взрыва. Эта неравномерность произвела бы крохотные отличия в температуре реликтового излучения в различных направлениях. Эти отличия являются слишком маленькими, чтобы их можно было наблюдать в 1960-х годах, но они были сначала обнаружены в 1992 спутником НАСА COBE, и позже измерены его преемником, спутником WMAP, запущенным в 2001 году. В результате мы теперь уверены, что инфляция действительно происходила.

Как ни странно, хотя крошечные отличия в реликтовом излучении являются доказательством инфляции, одним из подтверждений инфляции является важная концепция, о том, что существует почти идеальная однородность температуры реликтового излучения. Если Вы нагреете одну область объекта, и затем подождете, то горячая область станет более прохладной, а вся остальная часть объекта — более теплой, пока температура всего объекта не выровняется. Точно так же можно было бы ожидать, что у Вселенной, в конечном счете, будет однородная температура. Но процесс этот занимает определенное время и если предположить, что инфляции не было, и скорость передачи тепла была бы ограничена скоростью света, то времени существования Вселенной просто не хватило бы чтобы уравнять температуры самых удаленных областей. Период очень быстрого расширения (намного быстрее, чем скорость света) устраняет это, потому что, возможно, было достаточно времени для уравнивания, чтобы произойти в чрезвычайно крошечной прединфляционной ранней Вселенной.

Инфляция объясняет взрыв в Большом взрыве, по крайней мере в том смысле, что расширение, которое она представляет, было намного более значительным, чем расширение, предсказанное традиционной теорией Большого взрыва в теории общей относительности в течение временного интервала, в котором произошла инфляция. Проблема в том, что для того, чтобы наши теоретические модели инфляции работали, начальное состояние Вселенной должно было быть устроено очень специфическим и очень невероятным способом. Таким образом, традиционная теория инфляции решает одни проблемы, но создает другие — потребность в очень специфическом начальном состоянии. Эта проблема нулевого времени устранена в теории создания Вселенной, которую мы собираемся описать.

Так как мы не можем описать создание, используя теорию общей относительности Эйнштейна, и если мы хотим описать происхождение Вселенной, общая теория относительности должна быть заменена более совершенной теорией. И все же необходимо иметь более совершенную теорию, ведь даже если бы общая теория относительности не потерпела неудачу, потому что она не принимает во внимание некоторые вопросы, которыми занимается квантовая теория. Мы упоминали в Главе 4, что для большинства практических вопросов квантовая теория не подходит для исследования крупномасштабных структур Вселенной, потому что квантовая теория применяется для описания природы на микроскопическом уровне. Но если Вы рассматриваете достаточно далекое время, когда Вселенная была столь же маленькой, как размер Планка, одна миллиард-триллион-триллионная часть сантиметра, который является масштабом, в котором действительно должна быть принята во внимание квантовая теория. Так, хотя у нас еще нет полной квантовой теории гравитации, мы действительно знаем, что происхождение Вселенной было квантовым случаем. И в результате, как мы объединили квантовую теорию и общую теорию относительности — по крайней мере условно — чтобы вывести теорию инфляции, то если мы хотим вернуться еще дальше во времени и понять происхождение Вселенной, мы должны объединить то, что мы знаем об общей теории относительности, с квантовой теорией.

Чтобы видеть, как это работает, мы должны понять принцип, что гравитация деформирует пространство и время. Искривление пространства легче визуализировать, чем искривление времени. Представьте, что Вселенная — поверхность плоского бильярдного стола. Поверхность стола — плоское место, по крайней мере в двух измерениях. Если Вы будете катить шар по столу, то он будет двигаться по прямой линии. Но если стол станет деформированным или вдавленным в местах, как на иллюстрации ниже, то шар будет двигаться по кривой.

Легко понять, как бильярдный стол деформирован в этом примере, потому что он изгибается во внешнее третье измерение, которое мы можем видеть. Так как мы не можем вознестись вне нашего собственного пространства-времени, чтобы рассмотреть его искривление, пространственно-временное искривление в нашей Вселенной более сложно представить. Но искривление может быть обнаружено, даже если Вы не можете подняться и рассмотреть его с другой перспективы. Это можно обнаружить изнутри самого пространства. Вообразите микромуравья, ограниченного поверхностью стола. Даже без способности подняться над столом, муравей мог бы обнаружить искривление, тщательно фиксируя расстояния. Например, расстояние вокруг круга в плоском месте — всегда немного больше чем в три раза расстояния через его диаметр (фактическое кратное числу — пи). Но если бы муравей перемещался по окружности, охватывающий лунку в столе, изображенном выше, он определил бы, что расстояние по лунке напрямик больше чем вокруг лунки. Фактически, если бы лунка была достаточно глубокой, то муравей определил бы, что расстояние по окружности короче, чем расстояние через лунку. То же самое верно для искривления в нашей Вселенной — оно удлиняет или сокращает расстояние между точками пространства, изменяя его геометрию или форму, и это можно измерить изнутри Вселенной. Деформация отрезков времени или сжатие временных интервалов подобного рода.

Вооруженные этими идеями, давайте возвратимся к проблеме начала Вселенной. Мы можем говорить отдельно о пространстве и времени, которые мы рассматриваем, в ситуациях с низкими скоростями и слабой гравитацией. Вообще, однако, время и пространство могут стать взаимосвязанными, и, таким образом, их растяжение и сжатие также влекут определенного рода взаимодействия. Это взаимодействие важно в ранней Вселенной, и является ключом к пониманию начала времени.

Проблема начала времени немного походит на проблему края мира. Когда люди думали, что мир был плоским, возможно, задавались вопросом, лилось ли море через его край. Это было проверено экспериментально: Любой может пропутешествовать вокруг земли и не упасть с нее. Проблема того, что случается на краю мира, была решена, когда люди поняли, что мир был не плоской пластиной, а кривой поверхностью. Время, однако, казалось, походило на модель железнодорожного полотна. Если оно имело начало, должно быть, был кто-то (то есть, Бог), чтобы организовать движение поездов. Хотя общая теория относительности Эйнштейна объединила время и пространство как пространство-время и определила взаимосвязь между пространством и временем, время все еще отличалось от пространства, и либо имело начало и конец, либо иначе продолжалось всегда. Однако, как только мы добавляем результаты квантовой теории к теории относительности, в крайних случаях искривление может произойти до такой большой степени, что время ведет себя как другое пространственное измерение.

В ранней Вселенной — когда Вселенная была достаточно маленькой, чтобы подчиняться законам и общей теории относительности и квантовой теории — было, фактически, четыре пространственных измерения и ни одного временного. Это означает, что, когда мы говорим о «начале» Вселенной, мы выделяем тонкий аспект, что, поскольку мы рассматриваем очень раннюю Вселенную, время, как мы уже знаем, не существует! Мы должны признать, что наши обычные представления о пространстве и времени не относятся к очень ранней Вселенной. Это вне нашего опыта, но не вне нашего воображения, или нашей математики. Если в ранней Вселенной все четыре измерения ведут себя как пространственные, то как возникло время?

Осознание того, что время может вести себя как другое измерение пространства, означает, что можно избавиться от проблемы времени, имея начало, подобным способом, которым мы избавились от края мира. Представьте, что начало Вселенной походило на Южный полюс земли, с градусами широты, играющими роль времени. При продвижении на север, круги постоянной широты, представляющие размер Вселенной, расширились бы. Вселенная началась бы как точка на Южном полюсе, но Южный полюс очень похож на любую другую точку. Спрашивать, что было перед началом Вселенной, станет бессмысленно, потому что нет ничего к югу от Южного полюса. В этой модели у пространства-времени нет никакой границы — те же самые законы природы выполняются как на Южном полюсе, так в других местах. Другими словами, когда мы объединяем общую теорию относительности с квантовой теорией, вопрос «что происходило до начала Вселенной?» теряет смысл. Эту идею, что события должны были быть закрыты поверхностями без границы, называют неграничным условием.

Долгое время многие, включая Аристотеля, полагали, что Вселенная, должно быть, всегда существовала, чтобы избежать проблемы того, как она возникла. Другие полагали, что Вселенная имела начало, и использовала это как аргумент за существование Бога. Осмысление, что время ведет себя как место, представляет новую альтернативу. Это устраняет старое возражение, что Вселенная имеет начало, но также и означает, что возникновение Вселенной соответствует научным законам, и нет необходимости использовать понятие Бога.

Если начало Вселенной было квантовым событием, оно могло бы быть точно описано совокупностью событий Фейнмана. Применять квантовую теорию ко всей Вселенной, где наблюдатели — часть наблюдаемой системы, является сложным, как бы то ни было. В Главе 4 мы видели, как материальные частицы направлялись в экран с двумя прорезями в нем, что могло быть доказательством принципа интерференции, как и у частиц волны воды. Фейнман показал, что это возникает, потому что у частицы нет однозначно определенных событий. Таким образом, поскольку частица перемещается от своей отправной точки А к некоторой конечной точке B, она не выбирает один определенный путь, а скорее одновременно выбирает каждый возможный путь, соединяющий два пункта. С этой точки зрения, интерференция не удивительна, потому что, например, частица может переместиться через обе прорези в то же самое время и пересечься сама с собой. Применяя к движению частицы, метод Фейнмана говорит нам, что, чтобы вычислить вероятность любой отдельной конечной точки, мы должны рассмотреть все возможные события, которые могли произойти, когда частица следовала из своей отправной точки к той конечной точке. Можно также использовать методы Фейнмана, чтобы вычислить квантовые вероятности для наблюдений за Вселенной. Если они применены к Вселенной в целом, не существует точки A, таким образом, мы складываем все события, которые удовлетворяют неграничному условию и оканчиваются во Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

В этом представлении Вселенная появилась спонтанно, возникая одним из равновероятных способов. Большинство из них соответствует другим вселенным. В то время как некоторые из тех вселенных подобны нашей, большинство совсем другие. Они не только различны в деталях, таких как, умер ли Элвис действительно молодым или является ли турнепс десертной пищей, а скорее они отличаются даже по их истинным законам природы. Фактически, существует много вселенных со многими различными наборами физических законов. Некоторые люди создают большое таинство из этой идеи, иногда называемой понятием мультивселенная, но они — только различные выражения совокупности событий Фейнмана.

Чтобы изобразить это, давайте изменим аналогию воздушного шара Эддингтона, и вместо этого давайте думать о расширяющейся Вселенной как о поверхности пузыря. Наша картина самопроизвольного квантового создания Вселенной тогда немного походит на формирование пузырей пара в кипящей воде. Много маленьких пузырьков появляется и затем снова исчезают. Они представляют минивселенные, которые расширяются, но затем коллапсируют до микроскопического размера. Они представляют возможные альтернативные вселенные, но они не очень интересны, так как они не существуют достаточно долго, чтобы развились галактики и звезды, чтобы развилась хотя бы одна разумная жизнь. Несколько маленьких пузырей, однако, вырастут достаточно крупными, чтобы можно было избежать повторного коллапса. Они будут продолжать расширяться в размере и формировать пузыри, которые мы можем видеть. Они соответствуют вселенным, которые начинают расширение в размере, другими словами, вселенные находятся в состоянии инфляции.

Как мы говорили, расширение, вызванное инфляцией, не будет полностью однородно. В совокупности событий существует только одно полностью однородное и регулярное событие, и ему выпадет редкая возможность, но многие другие события, которые немного нерегулярны также будут иметь эту возможность с высокими шансами. Вот почему инфляция предсказывает, что ранняя Вселенная, вероятно, слегка неоднородна, в соответствие с небольшими расхождениями в температуре, которое наблюдалось в реликтовом излучении. Удачей для нас является, что ранняя Вселенная была нерегулярной. Почему? Однородность хороша, если вы не хотите отделения сливок от вашего молока, но однородная Вселенная — скучная Вселенная. Неравномерности в ранней Вселенной важны, потому что, если некоторые области имели немногую большую плотность, чем другие, гравитационное притяжение этой большей плотности замедлило бы расширение этого области, относительно его окружения. Так как сила гравитации медленно собирает материю вместе, это может в конечном счете привести к ее коллапсу, с последующим формированием галактик и звезд, которые могут породить планеты и, по меньшей мере в одном случае, людей. Взгляните внимательно на карту микроволнового неба. Это копия всей структуры Вселенной. Мы — продукт квантовых флуктуаций (колебаний) в очень ранней Вселенной. Кто-то религиозный мог бы сказать, что Бог действительно играет в кости.

Эта идея приводит к взгляду на Вселенную, которая совершенно отлична от традиционного представления, и требует, чтобы мы определились, что мы думаем об истории Вселенной. Для того чтобы сделать предсказания в космологии, нам нужно вычислить вероятности различных состояний всей Вселенной в настоящем времени. В физике обычно предполагают некоторое начальное состояние для системы и экстраполируют ее вперед во времени, используя релевантные математические уравнения. Взяв состояние системы в определенное время, стараются вычислить вероятность того, что система будет находиться в некотором отличном состоянии в будущем. Обычным предположением в космологии является то, что Вселенная имеет единственную определенную историю. Можно, используя законы физики, вычислить, как это состояние развивается со временем. В космологии мы называем этот подход «bottom-up» (снизу вверх). Но с тех пор, как мы принимаем в расчет квантовую природу Вселенной, выраженную совокупностью событий Фейнмана, вероятность, что Вселенная находится сейчас в определенном состоянии, увеличивается в соответствие с учетом всех событий, которые удовлетворяют не пограничному условию и конечному состоянию, вызывает сомнение. В космологии, другими словами, нельзя следовать за историей Вселенной снизу вверх, потому что предполагается, что есть единственная развитие событий, с четкой отправной точкой и эволюцией. Вместо этого нужно проследить события с верху вниз, назад от настоящего времени. Некоторые события будут более вероятными, чем другие, и эта совокупность, как правило, будет поглощена единственной историей, которая начинается с создания Вселенной и достигает высшей точки в состоянии рассмотрения. Но будут различные истории для различных возможных состояний Вселенной в настоящее время. Это приводит к радикально отличному представлению космологии, и связи между причиной и следствием. События, которые принадлежат совокупности Фейнмана, не имеют независимого существования, но зависят от того, что измеряется. Мы создаем историю нашим наблюдением, а не историю, создающую нас.

Идея, что у Вселенной нет уникальной независимой от наблюдателя истории, могло, кажется, находиться в противоречии с определенными фактами, которые мы знаем. Могла бы быть одна история, в которой Луна сделана из сыра Рокфора. Но мы заметили, что Луна не сделана из сыра, что является дурными вестями для мышей. Следовательно, истории, в которых Луна сделана из сыра, не соответствуют текущему состоянию нашей Вселенной, хотя они могли бы соответствовать другим. Это могло бы походить на научную фантастику, но это не так. Важным следствием нисходящего подхода является то, что естественные законы природы зависят от истории Вселенной. Многие ученые верят, что существует единая теория, которая объясняет эти законы так же как и физические константы природы, такие как масса электрона или размерность пространства-времени. Но нисходящая космология диктует, что естественные законы природы, различны для различных историй.

Рассмотрите естественную размерность Вселенной. Согласно М-теории, у пространства-времени есть десять пространственных измерений и одно измерение — время. Идея состоит в том, что семь пространственных измерений настолько сильно искривлены, что мы не замечаем их, оставаясь с иллюзией, что все, что существует, является тремя оставшимися масштабными измерениями, с которыми мы знакомы. Один из центральных нерешенных вопросов в М-теории это: Почему в нашей Вселенной, не существует больше масштабных измерений, и почему какие-то измерения свернуты?