Великий замысел

Многим людям хотелось бы полагать, что есть некоторый механизм, который заставляет все кроме трех пространственных измерений сворачиваться спонтанно. Альтернативно, возможно в начале все измерения были маленькими, но по некоторой понятной причине расширились три пространственных измерения, а остальные нет. Кажется, однако, что нет никакой динамической причины для Вселенной, чтобы быть четырехмерной. Вместо этого нисходящая космология предсказывает, что число масштабных пространственных измерений не установлено никаким принципом физики. Существует квантовая вероятность для каждого числа масштабных пространственных измерений от ноля до десять. Совокупность Фейнмана допускает все из них для каждой возможной истории Вселенной, но наблюдение, что у нашей Вселенной есть три масштабных пространственных измерения, выбирает подкласс историй, у которых есть свойства, которые можно наблюдать. Другими словами, квантовая вероятность, что Вселенная имеет больше или меньше чем три масштабных пространственных измерений, является нерелевантной, потому что мы уже определили, что мы находимся во Вселенной с тремя масштабными пространственными измерениями. Пока вероятность для трех масштабных пространственных измерений больше ноля, не имеет значения, насколько она мала по сравнению с вероятностью для другого числа измерений. Это похоже на вероятность, что действующий папа римский — китаец. Мы знаем, что он немец, даже при том, что вероятность, что он — китаец, выше, потому больше китайцев, чем немцев.

Точно так же мы знаем, что наша Вселенная проявляет три измерения, и так, даже при том, что другое число измерений может иметь большую вероятность, нам интересна только историями с тремя.

Что относительно свернутых измерений? Вспомните, что в М-теории точная форма остальных свернутых измерений, внутреннее пространство, определяют и значения физических величин, таких как заряд электрона и природу взаимодействия между элементарными частицами, то есть, силы природы. Было бы ясно, если бы М-теория позволила только одно состояние для свернутых измерений, или возможно несколько или все, но одно из которых, возможно, было исключено некоторыми средствами, оставляя нас только с одной возможностью для наблюдаемых законов природы. Вместо этого есть вероятности для, возможно, целых 10 в степени 500 различных внутренних пространств, каждое из которых приводит к различным законам и значениям для физических констант.

Если Вы воссоздаете историю Вселенной снизу вверх, нет никакой причины, что Вселенная должна закончиться с внутренним пространством для взаимодействий частицы, которые мы фактически наблюдаем, стандартная модель (взаимодействие элементарных частицы). Но при нисходящем подходе мы признаем, что вселенные существуют со всеми возможными внутренними пространствами. В некоторых вселенных электроны имеют вес мячей для гольфа и сила гравитации сильнее, чем то магнетизм. У нас применяется стандартная модель, со всеми ее параметрами. Можно рассчитать амплитуду вероятности для внутреннего пространства, которая приводит к стандартной модели исходя из безграничных условий. Как с вероятностью того, что у Вселенной есть три масштабных пространственных измерения, не имеет значения, насколько мала эта амплитуда относительно других возможностей, потому что мы уже заметили, что стандартная модель описывает нашу Вселенную.

Теория, которую мы описываем в этой главе, может быть проверена на практике. В предшествующих примерах мы подчеркнули, что относительные амплитуды вероятности для радикально различных вселенных, таких как те, у которых число масштабных пространственных измерений различно, не имеют значения. Относительные амплитуды вероятности для граничащих (то есть, подобных) вселенных, однако, важны. Безграничные условия подразумевают, что амплитуда вероятности наиболее высока для историй, в которых Вселенная начинается совершенно однородной. Амплитуда уменьшается для вселенных, которые более неравномерны. Это означает, что ранняя Вселенная была бы почти однородной, но с маленькими неравномерностями. Как мы отметили, мы можем наблюдать эти неравномерности в виде маленькие вариаций в микроволнах, исходящих из различных направлений в небе. Как обнаружилось, они полностью согласуются с главными требованиями теории инфляции; однако более точные измерения необходимы, чтобы полностью дифференцировать нисходящую теорию от других, и либо подтвердить ее, либо опровергнуть. Они могут хорошо быть выполнены в будущем с помощью спутников.

Сотни лет назад люди думали, что Земля уникальна и расположена в центре Вселенной. Сегодня мы знаем, что существуют сотни миллиардов звезд в нашей галактике, большой их процент с планетарными системами, и сотни миллиардов галактик. Результаты, описанные в этой главе, указывают, что сама наша Вселенная — также одна из многих, и что ее наблюдаемые законы не определены однозначно. Это должно быть неутешительно для тех, кто надеялся, что окончательная теория, теория всего, предскажет природу повседневной физики. Мы не можем предсказать дискретные особенности, такие как число масштабных пространственных измерений или внутренних пространств, определяющих физические параметры, которые мы наблюдаем (например, массу и заряд электрона и других элементарных частиц).

Скорее мы используем эти цифры, чтобы выбрать, какие истории вносят вклад в сумму Фейнмана.

Мы, кажется, живем в критический момент в истории науки, в котором мы должны изменить свою концепцию задач и того, что делает физическую теорию приемлемой. Похоже, что фундаментальные параметры и даже форма наблюдаемых законов природы не обусловлены логическим или физическим принципом. Параметры могут принимать множество значений, а законы принимать любую форму, которая приводит к самосогласованной математической теории, и они действительно принимают различные значения и различные формы в различных вселенных. Это, вероятно, не удовлетворяет нашему человеческому желанию быть особенным или обнаружить аккуратный пакет, содержащий все законы физики, но это, кажется, действительно особенность природы.

Похоже, есть бескрайний пейзаж возможных вселенных. Однако, как мы увидим в следующей главе, вселенные, в которых может существовать жизнь подобно нашей, редки. Мы живем в той, в которой жизнь возможна, но если бы Вселенная была всего лишь немного отлична, то существа, как мы, не могли бы существовать. Как можно расценивать эту точную настройку? Является ли это свидетельством того, что Вселенная все-таки была спроектирована благосклонным создателем? Или наука предлагает другое объяснение?

7. Несомненное чудо

Китайцы рассказывают о времени в годы правления династии Ся (2205–1782 до Р. Х.), когда на нашем небе произошли внезапные изменения. На небе появилось несколько солнц. Люди на Земле очень страдали из-за жары, поэтому император приказал известному лучнику сбить лишние светила. Лучник был награжден снадобьем, которое делало бы его бессмертным, но его жена украла его. За это преступление ее изгнали на Луну.

Китайцы были правы, считая, что солнечная система с десятью солнцами не подходит для жизни человека. Теперь мы знаем, что, обеспечивая излишним теплом, любая солнечная система с несколькими солнцами вероятно никогда не позволит развиться жизни. Но причина все-таки совсем не так проста, как «обжигающее пекло» из китайской легенды. Фактически, планета может иметь подходящую температуру даже с несколькими солнцами, хотя бы на некоторое время. Но равномерное нагревание в течение продолжительного времени, ситуация, казалось бы, подходящая для жизни, не обещала бы ничего хорошего. Чтобы понять почему, давайте рассмотрим, что произойдет в системе простейшего типа с двумя солнцами, которая называется бинарной системой. Около половины всех звезд на небе входят в такие системы. Но даже простые бинарные системы могут иметь стабильные орбиты только определенного типа. На каждой из этих орбит, вероятно, будет момент, когда на планете будет либо слишком жарко, либо слишком холодно, чтобы поддерживать жизнь. Еще хуже ситуация для скопления большего количества звезд.

Наша солнечная система имеет другую «счастливую» особенность, без которой сложные жизненные формы никогда бы не смогли развиться. Например, законы Ньютона разрешают орбитам планет иметь либо форму окружности, либо эллипса (Эллипсы являются сплющенными окружностями, шире по одной оси и уже по другой). Степень, с которой эллипсы сплющены, называется «эксцентриситет», значение которого лежит между нулем и единицей. Эксцентриситет, близкий к нулю, означает, что форма близка к окружности, а эксцентриситет, близкий к единице, означает, что форма очень сплющена. Кеплер опроверг идею, что планеты не вращаются по идеальным окружностям, но орбита земли имеет эксцентриситет около 2 процентов, что означает почти идеальную окружность. Как оказывается, это — счастливое стечение обстоятельств.

Погодные сезонные периоды на Земле определяются, в основном, наклоном земной оси вращения относительно плоскости своей орбиты вокруг Солнца. Зимой в северном полушарии, например, северный полюс отклонен от Солнца. Тот факт, что в это время Земля находится на самом близком расстоянии к Солнцу — 91.5 миллионов миль, в отличие от 94.5 миль в начале июля — незначительно влияет на температуру, по сравнению с эффектом от наклона ее оси. Но для планет, имеющих большой эксцентриситет, различные расстояния от Солнца играют большую роль. На Меркурии, например, с 20 % эксцентриситетом, температура на 200 градусов по Фаренгейту выше, когда планета приближается к Солнцу (перигелий), чем когда она находится на самом далеком расстоянии от Солнца (афелий). Фактически, если бы эксцентриситет земной орбиты приближался к единице, наши океаны закипели, когда мы достигали ближайшей точки к Солнцу, и замерзали, когда бы мы удалялись, не создавая приятных условий для отпуска ни зимой, ни летом. Большой орбитальный эксцентриситет не благоприятен для жизни, поэтому нам посчастливилось, что наша планета имеет эксцентриситет, близкий к нулю.

Также удача в соотношении массы нашего Солнца и расстоянии от него. Потому что масса Солнца определяет количество энергии, которое оно выделяет. Большие звезды имеют массу, больше солнечной, более чем в сотни раз, тогда как маленькие — в сотни раз меньше. И еще, предполагая, что дистанция между Землей и Солнцем остается такой же, а наше Солнце имело бы массу на 20 % меньше или больше, то на Земле было бы холоднее, чем сейчас на Марсе, или жарче, чем на Венере.

Обычно, рассматривая какую-либо звезду, ученые определяют пригодную для жизни зону, как узкое пространство вокруг звезды, в которой температура позволяет существовать воде в жидком состоянии. Пригодную для жизни зону иногда называют «зоной Златовласки», потому что условие, чтобы вода была жидкой, означает, что подобно Златовласке, развитие разумной жизни требует, чтобы температура планеты была «в самый раз». Пригодная для жизни зона в нашей солнечной системе, описанная выше, является очень узкой. К счастью для тех, кто наделен разумом, Земля угодила в нее!

Ньютон считал, что наша удивительная, пригодная для жизни солнечная система не «возникла из хаоса с помощью законов природы». Напротив он настаивал, что порядок во Вселенной был «создан Богом и поддерживается им до этих дней в том же состоянии и тех же условиях». Легко понять, почему он так думал. Много невероятных совпадений, которые произошли, чтобы дать нам существование, и дружественное человечеству устройство мира, действительно приводят в замешательство, если бы только наша солнечная система была единственной во Вселенной. Но в 1992 году поступили первые подтвержденные наблюдения за орбитами планет других звезд, как наше Солнце. Теперь мы знаем сотни таких планет, и можно предположить, что существует множество других среди многих миллиардов звезд в нашей Вселенной. Случайное совпадение наших планетарных условий — единственное Солнце, удачная комбинация расстояния между Землей и Солнцем, а также солнечная масса — гораздо менее удивительно, чем то, что Земля была аккуратно устроена как раз для благоприятного существования человечества. Существует много разных планет. На некоторых — минимум на одной — есть жизнь. Понятно, что когда живые существа на планете, которая поддерживает жизнь, изучают мир вокруг себя, они обязаны признать, что окружающая их среда соответствует условиям для их существования. Это позволяет преобразовать последнее утверждение в научный принцип: Именно наше существование устанавливает правила, определяющие, где и когда возможно наблюдать мир. Сам факт нашего существования вводит ограничения на условия окружающей среды, в которой мы находимся. Этот принцип называется слабым антропным принципом (обусловленный влиянием человека). (Мы скоро увидим, почему применено прилагательное «слабый»). Вместо термина «антропный принцип» лучше было бы использовать «принцип отбора», потому что этот принцип указывает на то, как наши знания о нашем существовании устанавливают правила, которые отбирают из всех возможных сред, только те среды, условия на которых позволяют существовать жизни.

Хотя это может звучать несколько философски, но слабый антропный принцип может быть использован, чтобы делать научные прогнозы. Например, сколько лет Вселенной? Как мы вскоре увидим, для нашего существования Вселенная должна такие элементы как углерод, который производится при горении элементов внутри звезд. Углерод должен быть потом распространен в пространстве в результате вспышки сверхновой звезды, и, в конечном итоге, стать частью планеты в во вновь созданной солнечной системе. В 1961 году физик Роберт Дик показал, что такие процессы занимают свыше 10 миллиардов лет, поэтому наше существование означает, что наша Вселенная должна быть минимум взрослее. С другой стороны, Вселенная не может быть много старше 10 миллиардов лет, ведь в далеком будущем все топливо звезд будет выработано, а нам для существования нужны горячие звезды. Следовательно, нашей Вселенной около 10 миллиардов лет. Это не достаточно точный прогноз, но это похоже на правду — в соответствие с последними данными Большой взрыв произошел около 13.7 миллиардов лет назад.

Как и в случае с возрастом Вселенной, антропные прогнозы дают, обычно, ряд значений для некоторой физической величины точнее, чем ее вычисление. Поэтому наше существование, в то время как это не могло бы потребовать особой ценности некоторого физического параметра, часто зависит от таких параметров, не изменяющихся слишком от того значения, которое мы фактически имеем. Мы, к тому же, предполагаем, что существующие условия в нашем мире являются типичными для условий ограниченных антропным принципом. Например, если только ограниченные орбитальные эксцентриситеты, скажем, между нулем и 0,5, позволят развиваться жизни, то эксцентриситет 0,1 нас не удивит, потому что среди всех планет во Вселенной, вероятно, значительный процент составляют орбиты с таким маленьким эксцентриситетом. Но если бы оказалось, что Земля переместилась на орбиту с почти совершенной окружностью, с эксцентриситетом, скажем, 0,00 000 000 001, это сделало бы Землю действительно исключительной планетой, и заставило бы нас найти объяснение, почему мы живем в таком уникальном доме. Эта идея иногда называется принципом посредственности.

Счастливое стечение обстоятельств в отношении формы планетарных орбит, массы Солнца и так далее называется энвайронментальным (относящийся к окружающей среде), потому что они возникают из интуитивной прозорливости нашей окружающей среды, а не из удачных законов природы. Возраст Вселенной также является энвайронментальным фактором, поскольку существует раннее и позднее время в истории Вселенной, но мы должны жить именно в этой эре, потому что именно эта эра является подходящей для жизни. Энвайронментальное стечение обстоятельств легко понять, поскольку наше существующее окружение является только одним среди многих, которые существуют во Вселенной, и мы, очевидно, должны существовать именно в том месте, поскольку в нем поддерживается жизнь.

Слабый антропный принцип не самый дискуссионный. Но существует более сильная форма, которую мы будем здесь аргументировать, хотя к ней с пренебрежением относятся некоторые физики. Сильный антропный принцип предполагает, что сам факт нашего существования накладывает ограничения не только на наши окружающую среду, но и на возможную форму и суть законов природы как таковых. Эта идея возникла, потому что эти законы является не только специфическими характеристиками нашей солнечной системы, которые удивительно подходят для возникновения человеческой жизни, но также и характеристиками всей нашей Вселенной, и это является гораздо более трудным для понимания.

История о том, как первичная Вселенная, состоящая из водорода, гелия и небольшого количества лития эволюционировала во Вселенную, давшую пристанище как минимум одному миру с разумной жизнью, подобному нашему, является историей во многих главах. Как мы упоминали ранее, силы природы должны были быть такими, чтобы тяжелые элементы — особенно углерод — могли быть сформированы из первичных элементов, и оставаться стабильными, как минимум, миллиарды лет. Из этих тяжелых элементов образовались «очаги», которые мы называем звездами, так что эти силы в начале должны были сформировать звезды и галактики. Они произошли из крохотных однородных частиц в ранней Вселенной, которая была почти целиком однообразной, благодаря все-таки имеющейся плотности: примерно 1 часть на 100 000, Однако, существование звезд, и существование внутри этих звезд элементов, из которых мы состоим, не является достаточным условием. Активность звезд должна быть такой, что некоторые, в конечном счете, должны были взорваться, и более того, взорваться именно таким образом, чтобы выпустить тяжелые элементы в космос. К тому же, законы природы должны указывать на то, что эти элементы могли бы объединиться в новую популяцию звезд, которые, окруженные планетами, вновь бы формировали тяжелые элементы. Эти последовательные определенные события должны были случиться, также как определенные события должны были произойти на ранней Земле, что позволить развиться нашей жизни. Но в отношении событий, приведших к эволюции Вселенной, такое развитие управлялось балансом сил природы, взаимодействие которых и привело к нашему существованию.

Одним из первых, кто пришел к этому, был Фред Хойл, в 1950 году. Он считал, что все химические элементы изначально были сформированы из водорода, который, как он предполагал, являлся истинной первичной субстанцией. Водород имеет простейшее атомное ядро, состоящее только либо из одного протона, либо в комбинации с одним или двумя нейтронами. (Различные формы водорода, или любое ядро, имеющее то же количество протонов, но различное количество нейтронов называются изотопами). Теперь мы знаем, что гелий и литий, атомы, чьи ядра состоят из двух и трех протонов, были также изначально синтезированы, в гораздо меньшем количестве, когда возраст Вселенной был всего 200 секунд. Жизнь, с другой стороны, зависит от более сложных элементов. Углерод, наиболее важный из них, является основой для всей органической химии.

Хотя кто-то может считать «живыми» организмами умные компьютеры, состоящие из других элементов, таких как кремний, сомнительно, чтобы жизнь могла бы самопроизвольно развиться в отсутствие углерода. Причины для этого формальны, но нужно учитывать то уникальное свойство, которое позволяет углероду соединяться с другими элементами. Двуокись углерода, например, является газом при комнатной температуре, и биологически очень полезна. Так как кремний находится прямо под углеродом в периодической таблице, он имеет похожие химические свойства. Однако, двуокись кремния, кварц, был бы более полезен в коллекции камней, чем в организме человека[1]. Возможно, что жизненные формы могли бы эволюционировать так, чтобы кремний считался деликатесом, а плескались бы мы в бассейне с нашатырным спиртом. Даже такой тип экзотической жизни не мог бы эволюционировать из первоначальных элементов, которые могут формировать только две стабильные структуры, гидрид лития, который является прочным кристаллическим бесцветным веществом, и водородный газ, ни один из них не способно не только воспроизводиться, но и даже «любить». И, фактически получается, что мы являемся углеродной формой жизни, и это ставит вопрос о том, как углерод, чье ядро содержит шесть протонов, и другие тяжелые элементы были созданы в наших телах.

Первый шаг произошел, когда старые звезды начали аккумулировать гелий, который производится, когда два ядра водорода сталкиваются и соединяются друг с другом. Это слияние является причиной того, как звезды создают энергию, которая нас греет. Два атома гелия при соединении образуют бериллий — атом, чье ядро содержит четыре протона. После того как образовался бериллий, он может, в принципе, соединится с трех ядерным гелием, формируя углерод. Но этого не происходит, потому что изотоп бериллия, который образовался, почти мгновенно распадается, вновь образовывая ядро гелия.

Ситуация меняется, когда звезда начинает испускать водород.

Когда это происходит, ядро звезды коллапсирует, до тех пор, пока его температура не достигает примерно 100 миллионов градусов по Кельвину. При этих условиях, ядра сталкиваются друг с другом так часто, что некоторые бериллиевые ядра соединяются с ядрами гелия прежде, чем они должны были распасться. Бериллий затем может соединиться с гелием, чтобы образовать углерод, который стабилен. Но этому углероду еще очень далеко до формирования сложных соединений химических компонентов, которые могли бы восхищаться бокалами из Бордо, показывать фокусы с пламенем, выходящим из пальца, или задавать вопросы о Вселенной. Для существования жизни, такой как человеческая, углерод должен быть перенесен из недр звезды в подходящую среду. Это, как мы говорили, происходит, когда звезда в конце своего жизненного цикла взрывается, превращаясь в суперновую, изгоняя углерод и другие тяжелые элементы, из которых позже образуется планета.

Этот процесс образования углерода называется тройным альфа-процессом, потому что «альфа-частица» — другое название для ядра изотопа гелия, участвующего в реакции, и потому что этот процесс требует, чтобы три из них (в конечном счете) соединились вместе. Обычно физики полагают, что время образования углерода с помощью тройного альфа-процесса должно быть очень маленьким. Обращая на это внимание, в 1952 году Хойл предположил, что сумма энергий ядер бериллия и гелия должны почти совпадать с энергией определенного квантового состояния образованного изотопа углерода, что получило название резонанса, который значительно увеличивает время ядерной реакции. В то же время еще не были известны значения такой энергии, но основываясь на предположении Хойла, Уильям Фаулер из Калифорнийского технологического института искал и нашел его, подтвердив точку зрения Хойла на то, как образовываются сложные ядра.

Хойл писал: «Я не верю, что любой ученый, исследовавший свидетельство, оказался бы не в состоянии сделать вывод, что законы ядерной физики были преднамеренно спланированы с учетом последствий, которые они производят внутри звезд». В то время еще никто не разбирался достаточно хорошо в ядерной физике, что бы понять ту степень прозорливости, которая привела к созданию этих точных физических законов. Но, изучая обоснованность сильного антропного принципа, в последние годы физики начали сами себе задавать вопрос: какая бы была Вселенная, если бы законы природы были другими? Сегодня можем создавать компьютерные модели, которые показывают нам, как скорость тройной альфа-реакции зависит от стабильности фундаментальных сил природы. Такие вычисления показывают, что изменение на 0,5 % значения сильного ядерного взаимодействия, или на 4 % электрических сил, разрушит почти весь углерод и весь кислород на каждой звезде, а следовательно и возможность жизни, в том виде, которую мы имеем. Измените эти правила нашей Вселенной хоть на немного, и условия для нашего существования исчезнут.

Анализируя модель Вселенной, мы понимаем, когда теория физики меняется некоторым образом, можно понять эффект от изменения физических законов в методическом плане. Оказывается, что это не только величины сильного ядерного и электромагнитного взаимодействия, которые призваны упорядочить наше существование. Большинство фундаментальных констант в нашей теории являются точно отрегулированными, в том смысле, что если бы они были изменены на небольшое значение, Вселенная была бы совершенно другой, и во многих случаях, неприспособленной к возникновению жизни. Например, если бы другое ядерное взаимодействие — слабое взаимодействие — было бы еще слабее, в ранней Вселенной весь водород превратился бы в гелий, и, следовательно, не существовало бы нормальных звезд; Если бы они были наоборот сильнее, взрывы суперновых не выбрасывали бы их в пространство, и, следовательно, не произошло бы образования планет из тяжелых элементов, требующихся для зарождения жизни. Если бы протоны были на 0,2 % тяжелее, они распались бы на нейтроны, дестабилизируя атомы. Если бы сумма масс тех типов кварков, из которых состоят протоны, была бы уменьшена на 10 %, то было бы намного меньше стабильных атомных ядер, из которых мы состоим; суммарная масса кварков кажется примерно оптимизирована для существования большого количества стабильных ядер.

Если допустить, что несколько сотен миллионов лет на стабильной орбите необходимо, чтобы развиться жизни на планете, число пространственных измерений также является фиксированным. Потому, что в соответствие с законом гравитации, только в трехмерном измерении возможны стабильные эллиптические орбиты. Круговые орбиты возможны в других измерениях, но они, как предчувствовал Ньютон, нестабильны. Если в трехмерном измерении любое возмущение, такое как столкновение с другой планетой, выведет планету из круговой орбиты поведет ее по спирали либо к Солнцу, либо от него, и тогда мы либо сгорим, либо замерзнем. А в более чем трехмерное измерениях гравитационные силы между двумя телами будут уменьшаться более быстро, чем это происходит в трехмерном. В трехмерном измерении гравитационные силы уменьшаются до 1/4 от своего значения, если расстояние увеличивается вдвое. В четырехмерном измерение они уменьшаются до 1/8, в пятимерном — до 1/10, и т. д. В результате, в более чем трехмерное измерении Солнце не могло бы существовать в стабильном состоянии, со своим внутренним давлением, связанным силой гравитации. Оно либо разорвалось на куски или сжалось в черную дыру, что повлекло бы к нашей гибели. Применительно к атомам, электронные силы вели бы себя точно так же, как и гравитационные. Это означает, что электроны в атомах будут либо удаляться от ядра, либо приближаться к нему. В любом случае, атомы не были бы такими, какими мы их знаем.

Вероятность появления сложной структуры, способной поддерживать разумную жизнь, была очень незначительна. Законы природы формируют систему, которая очень точно отрегулирована, и только допускаются самые незначительные изменения в физических законах, которые не повлекут за собой разрушение возможности развития жизни, какую мы имеем. Не было бы ряда первоначальных совпадений в точных деталях физических законов, не было бы и человечества или похожих форм жизни.

Большинство впечатляющих выверенных совпадений включены в так называемую космологическую константу уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Как мы говорили, в 1915 году, когда он сформулировал теорию, Эйнштейн считал, что Вселенная статична, т. е. ни расширяющейся, ни сжимающейся. Так как любая материя притягивает другую материю, он включил в свою теорию новую антигравитационную силу, чтобы запретить Вселенной коллапсировать самой в себя. Эта сила, отличная от других сил, не была получена из каких-либо частных источников, но была встроена именно в систему пространства-времени. Космологическая константа указывает на величину этой силы.

Но когда было открыто, что Вселенная не статична, Эйнштейн исключил космологическую константу из своей теории и назвал ее величайшей своей ошибкой. Но в 1998 году наблюдение за очень далекими суперновыми показало, что Вселенная расширяется с ускорением, которое не возможно без некоторого рода отталкивающей силы, действующей сквозь пространство. Космологическая константа получила второе рождение. Как мы теперь знаем, ее значение отлично от нуля, вопрос остается, почему она имеет такое значение, какое она имеет. Физики объяснили, как это могло произойти благодаря квантово-механическому эффекту, но значение, которое они смогли вычислить является числом на 120 порядков (единица со 120 нулями) больше, чем действительное значение, полученное наблюдением за суперновой. Это означает, что либо принципы, примененные в вычислениях, были ошибочными, либо существую еще другие факторы, которые чудесным образом отменяют все, кроме невообразимо маленького значения вычисленного числа. Но одно определенно, что если значение космологической константы много больше, чем это, то наша Вселенная разорвалась бы на куски, прежде, чем могли бы сформироваться галактики — и жизнь, которую мы знаем, была бы не возможна.

Как мы можем интерпретировать эту уникальность? Невероятность в точности форм и природы фундаментальных физических законов является удачей из удач, которую мы находим в окружающем мире. Это не легко объяснить, и это имеет более глубокий физический и философский смысл. Наша Вселенная и ее законы, кажется, созданы по проекту, и они предназначены, чтобы поддерживать нас, и, если мы существуем, оставляет маленькую возможность для изменений. Это нелегко объяснить, и возникает вопрос: почему это так?

Многим хотелось бы использовать это случайное стечение обстоятельств как доказательство Божьего творения. Идея о том, что Вселенная была задумана так, чтобы поддержать человечество, возникла в теологии и мифологии тысячи лет назад и существует по сей день. В «книге народов» древних майя, в мифо-исторических повестях боги провозглашают: «Мы не получим ни славы ни почестей от всего того, что мы создали, до тех пор пока существует человек, способный ощущать». Типичный Египетский текст, датированный 2000 годом до н. э. гласит: «Люди, племя Божье, обеспечены им для существования». Он (Бог Солнца) создал небо и Землю для их блага. В Китае даосский философ Lieh Yu-K'ou (400 год до н. э.) высказывал идею через героя сказки, который говорит: «Небеса создали 5 видов семян для всхода, и привнесли свыше рыбу и птицу для нашей выгоды».

В западной культуре Ветхий Завет содержит идею о предопределенном замысле в своей истории создания, но традиционная христианская точка зрения находилась также под большим влиянием Аристотеля, который считал, что «разумный мир действует в соответствие с некоторым преднамеренным замыслом». Средневековый христианский теолог Фома Аквинский использовал идею Аристотеля о порядке в природе, чтобы объяснить существование Бога. В восемнадцатом веке другой христианский теолог зашел так далеко, что сказал, что кролики имеют белые хвосты, чтобы нам было легко охотиться на них. Более современная иллюстрация христианской точки зрения была дана несколько лет назад, когда кардинал Кристоф Шонборн, архиепископ Вены, написал: «Сейчас, в 21 веке, сталкиваясь с научными утверждениями подобно неодарвинизму и гипотезе о многих вселенных в космологии, выдуманных, чтобы избежать подавляющих доказательств в цели и дизайне, найденном в современной науке, Католическая церковь, снова защитит человеческую натуру, объявляя, что постоянный дизайн в природе реален». В космологии несомненной очевидностью назначения и замысла, на которые ссылался кардинал, является точная регулировка физических законов, о которой мы писали выше.

Поворотным моментом в научном отказе от геоцентрической системы мира, была модель солнечной системы Коперника, в которой Земля больше не занимала центральную позицию. Забавно, что собственное мировоззрение Коперника было антропоморфическим, он даже успокаивал нас, указывая на то, что несмотря на его гелиоцентрическую модель, Земля является почти центром Вселенной: «Хотя Земля не является центром Вселенной, тем не менее, расстояние от земли до центра ничтожно, если сравнивать его с расстоянием от центра до звезд». С изобретением телескопа, открытия в 17 веке, такие как то, что не только вокруг нашей планеты имеется спутник, придали вес закону о том, что мы не занимаем привилегированное положение во Вселенной. В последующие века новые открытия показали, что наша планета является, вероятно, просто заурядной планетой. Но открытие относительно недавно исключительно тонкой регулировки многих законов природы могло вернуть, по крайней мере, некоторых из нас к старой идее, что этот великий проект является работой некоторого великого дизайнера. В США, поскольку Конституция запрещает преподавание религии в школе, подобную идею назвали искусственным проектом, не упоминая, но подразумевая, что этот создатель — Бог.

Но это не ответ современной науки. Мы видели в Главе 5, что наша Вселенная должна быть одной из многих, у каждой из которых свои законы. Гипотеза о множестве вселенных — это не понятие, изобретенное, чтобы не считать чудом точную настройку. Это результат пограничных условий, так же как многих другие теорий в современной космологии. Но если это так, тогда сильный антропный принцип может считаться фактически эквивалентным слабому, помещая точную настройку физических законов на некоторую основу, такую, как факторы окружающей среды, то это будет означать, что наша космическая среда — теперь полностью обозримая Вселенная — является одной из многих, как и наша солнечная система одна из многих. Это означает, что таким же образом, как и гармония в нашей солнечной системе была создана обычным образом, и поэтому миллиарды таких систем существуют, так же и точной подгонкой законов природы можно объяснить существование множества вселенных. Множество людей долгие годы приписывали Богу красоту и сложность природы, так как в то время не было научного объяснения. Но, как Дарвин и Уоллас объяснили, как несомненно поразительный дизайн живых форм мог появиться без вмешательства высшей сущности, концепция множественных вселенных может объяснить точную подгонку физических законов без участия великодушного создателя, который сотворил Вселенную для нашего блага.

Эйнштейн однажды задал своему ассистенту Эрнсту Штраусу вопрос: «Имел ли Бог выбор, создавая Вселенную?» В конце 16 века Кеплер был убежден, что Бог создал Вселенную, в соответствие с некоторыми совершенными математическими принципами. Ньютон показал, что те же самые законы, которые действуют на небесах, действуют и на Земле, и разработал математические уравнения, чтобы описать эти законы, которые оказались такими изящными, что они заразили многих ученых 18 века, которые намеревались использовать их, чтобы доказать, что Бог был математиком.

Со времен Ньютона и, особенно, Эйнштейна, целью физики было найти математические принципы, которые предсказывал Кеплер, и с помощью них создать единую теорию всего, что позволило бы просчитать каждый элемент материи и сил, которые мы наблюдаем в природе. В конце девятнадцатого — начале двадцатого века, Максвелл и Эйнштейн объединили теории электричества, магнетизма и светового излучения. В 1970-х была создана стандартная модель — единая теория сильного и слабого ядерного взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Теория струн и М-теория были созданы, чтобы включить в единую теорию оставшееся гравитационное взаимодействие. Целью было найти не просто единую теорию, которая объясняет все эти взаимодействия, но так же объясняет фундаментальные составляющие, о которых мы говорили: силы взаимодействия, массы и заряды элементарных частиц. Как выразился Эйнштейн, надежда была в том, чтобы можно было сказать, что «природа так устроена, что возможно логически сформулировать такие строго детерминированны законы, которые используют только рациональные полностью определенные константы (следовательно, не те константы, чьи значения могут быть изменены, не разрушая теорию)». Единая теория вряд ли имела бы точную настройку, чтобы позволить нам существовать. Но если в свете последних достижений мы интерпретируем мечты Эйнштейна о единой теории, которая объясняет эту и другие вселенные, с их целым спектром различных законов, то М-теория могла бы стать такой теорией. Но является ли М-теория единой, или нуждается в любых простых логических принципах. Можем ли мы ответить на вопрос, почему М-теория?

7. Великий замысел

В этой книге мы показали, как закономерности в движении астрономических тел, таких как Солнце, Луна и планеты наводят на мысль, что они подчиняются определенным законам лучше, чем если бы они были объектами прихотей или капризов Бога или дьявола. В начале существование законов было очевидно только в астрономии (или астрологии, которая рассматривалась как то же самое). Движение тел на небе является столь сложным и зависит от многих факторов, что ранние цивилизации были не в состоянии представить четкие модели или законы, обуславливаемые этими явлениями. Постепенно, однако, новые законы были открыты в областях, отличных от астрономии, и это привело к идее научного детерминизма. Предполагается, что должен быть описан полный и завершенный свод законов, так чтобы имея определенное состояние Вселенной в определенный момент времени, можно было бы точно предсказать, как Вселенная будет развиваться в будущем. Эти законы должны соблюдаться везде и во все времена, иначе они не были бы законами. И не должно быть никаких исключений или чудес. Бог или Дьявол не могли бы вмешиваться в развитие Вселенной.

В то время, когда впервые был предложен научный детерминизм, законы Ньютона о движении и гравитации были единственными законами. Мы показали, как эти законы были дополнены Эйнштейном в своей общей теории относительности, и как были открыты другие законы, описывающие другие аспекты мироздания.

Законы естества объясняют нам, как Вселенная развивается, но они не могут ответить на вопрос: почему именно так? Вот вопросы, которые были поставлены в начале этой книги:

Почему нечто лучше, чем ничего?

Почему мы существуем?

Почему существует именно этот набор законов, а не другой?

Некоторые ответят на эти вопросы, что существует Бог, который решил создать мироздание именно таким. Резонно спросить, кто или что создало Вселенную, но если ответом будет — Бог, тогда естественно возникает вопрос, а кто создал Бога? Если принять ту точку зрения, то есть некоторая сущность, которая не нуждается в создателе, и эта сущность называется Богом. Это приводится, как главный аргумент того, что Бог существует. Мы хотим, однако, получить ответ на этот вопрос исключительно внутри сферы науки, без привлечения божественных сил.

В соответствие с идеей модельно-зависимого реализма, представленного в Главе 3, наш мозг интерпретирует поступающую через наши органы чувств информацию, создавая модель внешнего мира. Мы формируем внутреннее представление о нашем доме, деревьях, других людях, электричестве в розетках, атомах, молекулах и других сущностях. Это внутреннее представление является единственной реальностью, которую мы можем понимать. Не существует модельно независимого подтверждения реальности. Из этого следует, что хорошо сконструированная модель создает свою собственную реальность. Примером того, что может помочь нам понять о реальности и создании, является Игра Жизни, изобретенная в 1970 году молодым математиком из Кембриджа по имени Джон Конвей.

Слово «игра» в Игре Жизни является обманчивым термином. Там нет ни победителей ни проигравших, фактически, там нет игроков. Игра Жизни — не настоящая игра, а набор законов, которые управляют двумерной Вселенной. Это детерминированная Вселенная: Единожды вы устанавливаете начальную конфигурацию или условия, а законы помогут точно определить, что произойдет в будущем.

Воображаемый мир Конвея является квадратной матрицей, по типу шахматной доски, но простирающейся по всем сторонам бесконечно. Каждая клетка может находиться в одном из двух состояний. Живая (зеленый цвет) или мертвая (черный). Каждая клетка имеет восемь соседних клеток: сверху, снизу, слева, справа и четыре клетки по диагонали. Время в этом «мире» не непрерывное, а дискретное. Дается некоторое начальное расположение мертвых и живых клеток, число живых соседних клеток определяет, что произойдет дальше в соответствие со следующими законами:

1. Живая клетка, рядом с которой находятся две или три живые клетки выживает.

2. Мертвая клетка, имеющая ровно три живых соседа, становится живой клеткой (рождается).

3. Во всех других случаях клетки либо умирают, либо остаются мертвыми. В случае, если живая клетка имеет ноль или одного живого соседа, считается, что она умерла от одиночества; если же она имеет более трех живых соседей, то считается, что она умерла от перенаселения.

Это все правила, приступим. Дается начальное условие, и законы начинают порождать поколение за поколением. Изолированные одна живая клетка или две соседние живые клетки умирают при следующем дискретном шаге времени, поскольку они не имею достаточное количество живых соседей. Три живые клетки, расположенные по диагонали живут чуть дольше. После первого временного шага умирают конечные клетки, на следующем шаге умирает уже средняя клетка. Любая диагональная линия живых клеток «испаряется» таким вот образом. Но если три живых клетки располагаются горизонтально в ряд, снова центральная клетка имеет двух соседей и выживает, а две конечные — умирают, но в этом случае клетки, находящиеся выше и ниже центральной рождаются согласно закону. Поэтому ряд превращается в колонку. Аналогично, при следующем шаге колонка превращается в ряд и так далее. Такая колеблющаяся конфигурация называется «реле».

Если три живые клетки расположены углом (в форме L), происходит следующее. При следующем шаге рождается недостающая до квадрата 2х2 клетка и получается квадрат. Блок, принадлежащий к такому типу названному «образцом», продолжает жить, потому что он с течением времени будет неизменным. Многие типы «образцов» являются трансформерами, поскольку их соседние клетки то умирают, то рождаются, и в итоге через некоторое количество шагов «образец» принимает свою первоначальную форму.

Существует так же модель, названная «глиссером», которая меняет свою форму и после нескольких трансформаций принимает свою первоначальную форму, но в позиции, смещенной относительно первоначальной на одну клетку по диагонали. Если вы понаблюдаете некоторое время, то «глиссер» будет медленно ползти по диагонали. Когда «глиссеры» сталкиваются, могут произойти любопытные вещи, в зависимости от формы каждого «глиссера» на момент столкновения.

Почему нам интересен этот виртуальный мир? Хотя его фундаментальная «физика» очень проста, его «химия» может быть довольно сложна. Композитные объекты можно рассматривать с разных уровней. На первом уровне фундаментальная физика сообщает нам, что существуют только живые и мертвые клетки. На следующем уровне существуют «глиссеры», «реле» и «образцы». На следующем уровне существуют даже более сложные объекты, такие как «производитель глиссеров»: Неподвижные объекты, которые периодически порождают новые «глиссеры», которые покидают свое «гнездо» и устремляются вниз по диагонали.

Если вы понаблюдаете за виртуальным миром Игры Жизни на некотором уровне, вы сможете сформулировать законы, по которым ведут себя объекты на этом уровне. Например, на этом уровне объектов вы можете открыть законы такие, как «Блоки никогда не двигаются», «Глиссеры перемещаются по диагонали» и различные законы для того случая, когда объекты сталкиваются. Можно создать целостную физику для любого уровня композитных объектов. Эти законы повлекут за собой новые сущности и концепции, которых не было среди первоначальных законов. Например, в первоначальных законах не было таких понятий, как «столкновение» и «движение». Первоначальные законы описывали только жизнь и смерть отдельных неподвижных клеток. В нашем виртуальном мире, в Игре Жизни, ваша реальность зависит от модели, которую вы используете.

Конвей и его студенты создали этот мир, потому что они хотели узнать, может ли некий виртуальный мир (с начальными простыми законами, которые они установили), содержать достаточно сложные объекты, способные к воспроизводству. В этом мире Игры Жизни существуют ли композитные объекты, которые на основе первоначальных законов на некоторой стадии начнут воспроизводить новые объекты? Конвей и его студенты не только продемонстрировали, что это возможно, но они даже показали, что такой объект является, в некотором смысле, разумным! Что мы подразумеваем под этим? Если точнее, то они показали, что огромная конгломерация клеток, которые самовоспроизводятся, является универсальной Тьюринговой машиной. Для нас это может означать, что некоторые вычисления компьютер в нашем физическом мире может, в принципе, выполнить, если ему предоставить четкие входные данные — обеспечить соответствующую виртуальному миру Игры Жизни среду — тогда через некоторое время компьютерный мир будет находиться в том состоянии, которое можно сравнить с предсказанными результатами компьютерного расчета.

Чтобы почувствовать, как это работает, подумайте, что произойдет, когда «глиссер» сталкивается с простым 2x2 блоком живых клеток. Если «глиссеры» приближаются нормальным образом, то блок, который является стационарным, начнет двигаться к источнику «глиссера», либо от него. Таким образом, блок может имитировать компьютерную память. Фактически, все основные функции современного компьютера, такие как логические элементы AND и OR, также могут быть воспроизведены «глиссерами». Таким образом, как электрические сигналы используются в физических компьютерах, поток «глиссеров» может использоваться для посылки и обработки информации.

В Игре Жизни, как и в нашем мире, самовоспроизводящиеся объекты являются сложными объектами. По оценке, основанной на ранних работах математика Джона фон Неймана, минимальный размер самовоспроизводящегося объекта в Игре Жизни — десять триллионов клеток — приблизительно равно количеству молекул в одной человеческой клетке.

Можно определить жизнь, как комплексную систему ограниченного размера, которая стабильна и воспроизводит сама себя. Объекты, описанные выше, соответствуют условию репродуктивности, но вероятно нестабильны. Небольшое воздействие из внешнего мира вероятно разрушит этот тонкий механизм. Однако, легко представить, что немного более сложные законы позволят существовать комплексным системам со всеми атрибутами жизни. Представьте сущность такого типа, как объект в мире Конвея. Такой объект будет реагировать на внешнее воздействие, и, следовательно, принимать решения. Будет ли такая жизнь иметь сознание? Будет ли она мыслящей? Это вопрос, на который мнения резко разделились. Некоторые считают, что самосознание характерно только для человека. Это дает ему свободу воли, способность выбирать между различными вариантами действий.

Как можно определить, имеет ли существо свободную волю? Если кто-то повстречает пришельца, как сможет он определить что это просто робот или же что у него есть разум? Поведение робота является полностью детерминированным, в отличие от обладающего свободной волей. Хотя можно, в принципе, дать определение роботу, как существу, чьи действия можно предсказать. Как мы говорили в Главе 2, это может быть практически невозможно, если существо является большим и сложным. Мы даже не можем точно решить уравнение для трех и более частиц, взаимодействующих друг с другом. Как и у пришельца, тело человека состоит из тысячи триллионов триллионов частиц, и даже если бы пришелец был бы роботом, было бы не возможно решить уравнение и предсказать его поведение. Поэтому можно сказать, что любое сложное существо имеет свободную волю — не как основополагающую особенность, а как действенный принцип, признавая нашу неспособность проделать вычисления, которые бы предсказать нам его поведение.

Пример Игры Жизни Конвея показывает, что даже очень простой набор законов может породить сложное поведение, встречающееся в разумной жизни. Должно быть, существует много наборов законов с такими свойствами. Что отличает фундаментальные законы (в противовес очевидным законам), которые управляют нашей Вселенной? Как и в «мире» Конвея, законы нашей Вселенной определяют эволюцию системы, ее состояние в любой момент времени. В «мире» Конвея мы являемся создателями — мы выбираем начальное состояние «мира», определяя объекты и их положение в начале игры.

В реальном мире аналогами объектов, таких как «глиссеры» в Игре Жизни, являются обособленное материальное тело. Любой набор законов, который описывает развитие мира, подобно нашему, будет основываться на принципе сохранения энергии, означающим, что ее величина не меняется со временем. Энергия Вселенной будет постоянной, не зависимо ни от времени, ни от состояния. Можно вычислить эту константу энергии вакуума, измеряя энергию любого объема пространства относительно такого же объема пустого пространства, таким образом, мы можем назвать постоянный ноль. Единственным требованием, которому должен удовлетворять закон природы, является то, что он устанавливает, чтобы энергия обособленного тела, окруженного пустым пространством, была положительной, что означает, что должна быть проделана работа, чтобы создать это тело. Это потому, что если бы энергия обособленного тела была отрицательной, тело могло бы быть создано в состоянии движения, так что его отрицательная энергия была бы точно уравновешена положительной энергией его движения. Если это верно, то нет никаких оснований считать, что тела не могут появляться где-либо или везде. Пустое пространство будет поэтому нестабильным. Но если затрачивается энергия для создания обособленного тела, такой нестабильности не может быть, потому что, как мы уже говорили, энергия Вселенной должна оставаться постоянной. Именно это делает Вселенную локально стабильной — объекты не должны появляться где-либо из ничего.

Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой, и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего. Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде, чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!

Потому что гравитация создает пространство и время, она позволяет пространству-времени быть локально стабильным, но глобально нестабильным. В масштабах целой Вселенной, положительная энергия материи может быть сбалансирована отрицательной гравитационной энергией, и поэтому не существует ограничений на создание целостных вселенных. Потому что существует закон гравитации, Вселенная может и будет создавать саму себя из ничего так же как мы описали в Главе 6. Спонтанное создание является доводом, что нечто лучше, чем ничего, почему Вселенная существует, почему мы существуем. Нет необходимости привлекать Бога, чтобы запустить Вселенную.

Почему существуют фундаментальные законы, которые мы описали? Окончательная теория должна быть последовательна и должна предсказывать конечные результаты для величин, которые мы можем измерить. Мы поняли, что должен существовать такой закон как гравитация, и мы видели в Главе 5, что для того, чтобы теория гравитации предсказывала измеряемые величины, теория должна иметь суперсимметрию между силами природы и материей, на которую они действуют. М-теория — самая общая симметричная теория гравитации. Таким образом, М-теория является единственным кандидатом на законченную теорию Вселенной. Если это окончательно — и это еще надо доказать — то М-теория будет моделью Вселенной, которая создает сама себя. Мы, должно быть, часть этой Вселенной, поскольку не существует другой совместимой модели.

М-теория является объединенной теорией, которую Эйнштейн пытался создать. Тот факт, что мы, люди, существуем, являясь не более чем композицией из фундаментальных частиц природы, и что мы оказались в состоянии подойти к пониманию законов, действующих на нас и на Вселенную, является величайшим триумфом! Возможно, чудом является то, что абстрактные логические выводы привели к уникальной теории, которая предсказывает и описывает громадную Вселенную, полную удивительного многообразия, которое мы наблюдаем. Если эта теория подтвердится наблюдениями, это будет выдающимся умопостроением, к которому люди шли более 3000 лет. Мы откроем великий замысел.

Глоссарий

Альтернативные истории — формулировка в квантовой теории, в которой вероятность всякого наблюдения состоит из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению.

Антиматерия — всякая частица материи имеет соответствующую анти-частицу. Когда они встречаются, они аннигилируют друг с другом, выделяя чистую энергию.

Асимптотическая свобода — свойство больших энергий, заставляющее их становиться слабее на коротких отрезках. Следовательно, хотя кварки и привязаны к ядру большой энергией, они могут двигаться в пределах ядра практически также, как если бы они не испытывали влияния этой силы вовсе.