Помоги проекту - поделись книгой:
Глава 8: Великая случайность?
Как только вы допускаете творца и замысел, это делает человека объектом в жестоком эксперименте, в котором мы созданы больными с приказом выздороветь.
Мы запрограмированны думать, что все, что происходит с нами, знаменательно и важно. Нам приснилось, что друг сломает руку, и на следующий день мы узнаем, что он подвернул лодыжку. Ух ты! Грандиозно! Ясновидец?
Физик Ричард Фейнман любил подойти к людям и сказать: «Вы не поверите, что случилось со мной сегодня! Вы просто не поверите!» И когда они хотели точнее узнать, что произошло, он говорил: «Абсолютно ничего!» Под этим он подразумевал, что, когда сон, такой как я описал выше, сбывается, люди приписывают ему большое значение. Но они забывают огромное количество бессмысленных снов, которые им снились и которые не предсказали абсолютно ничего. Забывая, что большую часть времени в течение дня не происходит ничего, что было бы достойно внимания, мы затем неправильно истолковываем природу вероятности, когда что-то необычное все же происходит: среди любого достаточно большого числа событий что-то необычное должно происходить просто случайно.
Как это относится к нашей Вселенной?
До открытия, что, по непонятным причинам, энергия пустого пространства не только не нулевая, но принимает значение, которое на 120 порядков меньше, чем оценка, которую я дал на основе идей из предположений физики элементарных частиц, среди физиков была общепринятой точка зрения, что каждый измеренный нами в природе фундаментальный параметр является значимым. Под этим я подразумеваю, что, так или иначе, основываясь на основополагающих принципах, мы в конечном итоге сможем понять, почему гравитация настолько слабее других сил природы, почему протон в 2000 раз тяжелее электрона, и почему есть три семейства элементарных частиц. Иными словами, как только мы поймем фундаментальные законы, которые управляют силами природы на своих малых масштабах, все эти нынешние тайны будут раскрыты как естественные следствия этих законов.
(С другой стороны, чисто религиозные доводы могут приобрести крайне важный смысл, предполагая, что каждая фундаментальная константа имеет значение, потому что Бог, по-видимому, выбрал каждую из них, чтобы получить значение, необходимое в рамках божественного плана относительно нашей Вселенной.
В этом случае ничто является случайностью, но равным образом, ничто прогнозируемо или фактически объяснимо. Это аргумент высшего постановления, который ведет в никуда и не дает ничего полезного в плане физических законов, управляющих Вселенной, кроме как, возможно, приносит утешение для верующего.)
Но открытие, что пустое пространство имеет энергию, внесло корректировку во взгляды многих физиков на то, что в природе обязательно, а что может быть случайно.
Катализатор этого нового видения возникает из аргумента, который я привел в последней главе: темная энергия поддается изучению сегодня, потому что «сейчас» — единственное время в истории Вселенной, когда энергия в пустом пространстве сравнима с плотностью энергии в материи.
Почему мы должны жить в такое «особое» время в истории Вселенной? Действительно, это бросает вызов всему, что характеризовало науку со времен Коперника. Мы узнали, что Земля — не центр Солнечной системы, и что Солнце — это звезда на унылом внешнем краю галактики, которая является всего лишь одной из 400 млрд галактик в наблюдаемой Вселенной. Мы пришли к признанию «принципа Коперника», что нет ничего особенного в нашем месте и времени во Вселенной.
Но принимая во внимание энергию пустого пространства, какая она есть, мы, похоже, живем в особое время. Это лучше всего показано на следующей иллюстрации «Краткой истории времени».
Две кривые представляют плотность энергии всей материи во Вселенной и плотность энергии пустого пространства (предполагая, что это космологическая постоянная) как функцию времени. Как вы можете видеть, плотность вещества падает по мере расширения Вселенной (поскольку расстояния между галактиками становятся все больше, и материя поэтому «разрежается»), как вы и ожидали. Тем не менее, плотность энергии в пустом пространстве остается постоянной, потому что, можно утверждать, в пустом пространстве нет ничего, что можно было бы разбавить! (Или, как я уже несколько менее остроумно отмечал, Вселенная, расширяясь, действительно оказывает влияние на пустое пространство.) Две кривые пересекаются довольно близко к настоящему времени, что является источником странного совпадения, на которое я указывал.
Теперь рассмотрим, что произошло бы, если бы энергия в пустом пространстве была бы, скажем, в 50 раз больше, чем ее значение, рассчитанное нами сегодня. Тогда обе кривые пересекались бы в другое, более раннее время, как показано на рисунке ниже.
Время, когда обе кривые пересекаются при более высоком значении энергии пустого пространства — это время, когда галактики впервые сформировались, примерно через миллиард лет после Большого Взрыва. Но напомню, что энергия пустого пространства является гравитационно отталкивающей. Если бы она стала доминирующей энергией Вселенной до времени формирования галактик, сила отталкивания, вызванная этой энергией, перевесила бы (в буквальном смысле) нормальную притягивающую гравитационную силу, которая заставляет материю собираться вместе. И галактики никогда бы не сформировались!
Но если бы не сформировались галактики, то не сформировались бы и звезды. А если бы не сформировались звезды, не сформировались бы и планеты. А если бы не было планет, то не было бы и астрономов!
Так, во Вселенной с энергией пустого пространства лишь в 50 раз больше, чем та, что мы наблюдаем, по-видимому, сейчас не было бы никого, кто попытался бы измерить эту энергию.
О чем это нам может говорить? Вскоре после открытия нашей ускоряющейся Вселенной физик Стивен Вайнберг предположил, основываясь на аргументах, которые он разработал больше десяти лет назад — до открытия темной энергии — что «проблема совпадений» может быть решена, если, возможно, значение космологической постоянной, которую мы измеряем сегодня, было почему-то выбрано «антропно». То есть, если каким-то образом было много вселенных, и в каждой вселенной энергия пустого пространства имела случайно выбранное значение, основанное на некотором распределении вероятностей среди всех возможных энергий, то только в тех вселенных, в которых значение не сильно отличается от того, что измеряем мы, могла бы развиться жизнь, какую мы знаем. Поэтому, возможно, мы оказались во вселенной с крошечной энергией пустого пространства, потому что мы не могли бы находиться во вселенной с гораздо большим ее значением. Иными словами, не слишком удивительно, что мы живем во вселенной, в которой мы можем жить!
Этот аргумент, однако, имеет математический смысл только тогда, когда есть вероятность, что возникло много различных вселенных. Разговоры о множестве различных вселенных могут звучать как оксюморон. В конце концов, традиционное понятие Вселенной стало синонимом «всего, что существует».
Однако в последнее время
Как только мы выбираем это определение Вселенной, другие «вселенные» — области, которые всегда были и всегда будут причинно несвязанны с нашей, как острова, отделенные от всякой коммуникации друг с другом океаном пространства — становятся возможными, по крайней мере, в принципе.
Наша Вселенная настолько огромна, что, как я уже подчеркивал, то, что не является невозможным, практически гарантированно случается где-то внутри нее. Редкие события происходят все время. Вы можете спросить, применяется ли тот же принцип к возможности существования множества вселенных, или мультивселенной., как эту идею теперь называют. Оказывается, что эта теоретическая ситуация на самом деле сильнее, чем просто возможность. Ряд основных идей, которые движут большей частью работ в теории частиц сегодня, похоже, требуют мультивселенной.
Я хочу это подчеркнуть, потому что в дискуссиях с теми, кто чувствует необходимость существования творца, мультивселенная рассматривается как отговорка, задуманная физиками, у которых кончились ответы, а может быть и вопросы. Возможно, в конечном итоге это будет верным, но сейчас это не так. Почти все логические возможности, которые можно себе представить, рассматривая расширяющиеся законы физики, как мы их знаем на малых масштабах, в более полной теории предполагают, что в больших масштабах наша Вселенная не является уникальной.
Явление инфляции дает, пожалуй, первое, и, возможно, лучшее разумное объяснение. В инфляционной картине, на этапе, когда огромная энергия временно доминирует в некоторой области Вселенной, эта область начинает расширяться в геометрической прогрессии. В какой-то момент небольшая область в этом «ложном вакууме» может завершить инфляцию, когда в этой области происходит фазовый переход, и поле в ней ослабевает до истинного, более низкого значения энергии; расширение в этой области перестает быть экспоненциальным. Но пространство между такими областями будет продолжать расширяться в геометрической прогрессии. В любой момент времени, пока фазовый переход не завершится во всем пространстве, почти все пространство находиться в области инфляции. И область инфляции отделит те области, которые первыми закончили расширяться, почти непостижимыми расстояниями. Это подобно лаве, выплескивающейся из вулкана. Некоторые породы будут остывать и затвердевать, но их разнесет далеко друг от друга, поскольку они плавают в море жидкой магмы.
Ситуация может быть еще более драматичной. В 1986 году Андрей Линде, который вместе с Аланом Гутом был одним из главных архитекторов современной инфляционной теории, выдвинул и исследовал, возможно, еще более широкий сценарий. Его в некотором смысле предвосхитил другой изобретательный российский космолог в Соединенных Штатах, Алекс Виленкин. И Линде, и Виленкин обладали внутренней уверенностью, которую можно найти в великих русских физиках, но их история совершенно разная. Линде преуспевал в старой советской физике, заложенной до иммиграции в США после падения Советского Союза. Дерзкий, блестящий и смешной, он продолжал оказывать влияние на большую часть теоретической космологии частиц в этот период. Виленкин эмигрировал гораздо раньше, прежде чем он стал физиком, и работал в США в различных местах, в том числе ночным сторожем, пока учился. И, несмотря на то, что он всегда интересовался космологией, он случайно подал заявление по дипломной работе не на тот факультет и, в конечном итоге, защитил диссертацию в области физики плотных сред — физике материалов. Затем он получил место старшего научного сотрудника в Западном резервном университете Кейза, где я впоследствии стал профессором. В течение этого периода он попросил своего руководителя, Филипа Тейлора, дать ему возможность проводить несколько дней в неделю, работая в области космологии, в дополнение к его назначенным проектам. Филипп сказал мне позже, что даже при этой частичной занятости Алекс был наиболее продуктивным постдоком, который у него когда-либо был.
Так или иначе, Линде признал, что, хотя квантовые флуктуации во время инфляции могут часто поддерживать поле, что ведет инфляцию к низкоэнергетическому состоянию и поэтому обеспечивает ее постепенное прекращение, всегда есть возможность того, что в некоторых областях квантовые флуктуации будут вести поле к еще более высоким энергиям, и, следовательно, уводить от значений, где инфляция прекратится, так что инфляция будет продолжаться прежними темпами. Поскольку такие области будут расширяться в течение более длительных периодов времени, будет гораздо больше пространства, которое расширяется, чем того, которое не расширяется. В этих областях квантовые флуктуации снова будут вынуждать некоторые подобласти прекратить инфляцию и тем самым прекратить экспоненциальное расширение, но снова же, будут области, где квантовые флуктуации приведут к тому, что инфляция сохранится еще дольше. И так далее.
Эта картина, которую Линде назвал «хаотической инфляцией», на самом деле больше напоминает знакомые хаотические системы на Земле. Возьмите, например, кипящую овсянку. В любой момент на ее поверхности может лопнуть пузырек газа, отображая области, где жидкость при высокой температуре завершает фазовый переход в форму пара. Но между пузырьками овсянка перемешивается и течет. В больших масштабах существует закономерность — всегда где-то появляются пузырьки. Но локально все обстоит иначе, в зависимости от того, куда посмотреть. Так же было бы в хаотически раздувающейся Вселенной. Если кто-то окажется внутри «пузыря» основного состояния, который прекратил раздуваться, то его Вселенная может показаться совершенно отличной от подавляющего объема пространства вокруг нее и будет по-прежнему раздуваться.
В этой картине инфляция вечна. В некоторых областях, на самом деле в большей части пространства, будет всегда продолжаться инфляция. Те области, в которых инфляция прекратилась, станут отдельными, причинно несвязанными вселенными. Я хочу подчеркнуть, что мультивселенная неизбежна, если инфляция вечна, а вечная инфляция на сегодняшний день является, безусловно, наиболее вероятным вариантом большинства, если не всех, инфляционных сценариев. Как выразился Линде в своей статье 1986 года:
Старый вопрос, почему наша Вселенная является единственно возможной, в настоящее время заменяется вопросом, в котором теории существования мини-вселенных нашего типа [являются] возможными. Этот вопрос по-прежнему очень сложен, но он намного легче, чем предыдущий. По нашему мнению, изменение точки зрения на глобальную структуру Вселенной и на наше место в этом мире является одним из важнейших следствий развития сценария расширяющейся Вселенной.
Как подчеркнул Линде, и как с тех пор стало ясно, эта картина также обеспечивает еще одну новую возможность для физики. Вполне может быть, что в природе существует множество возможных квантовых низкоэнергетических состояний Вселенной, на которые расширяющаяся Вселенная в конечном итоге может распадаться. Поскольку конфигурация квантовых состояний этих полей будет отличаться в каждой таком области, характер фундаментальных законов физики в каждой области / вселенной может отличаться.
Здесь возникает первый «ландшафт», в котором антропный аргумент, приведенный ранее, мог бы утратить свою силу. Если есть много различных состояний, в которых наша Вселенная может оказаться после инфляции, возможно, то, в котором мы живем, то, в котором есть ненулевая энергия вакуума, достаточно маленькая, чтобы сформировались галактики — это лишь одно из потенциально бесконечного семейства состояний, которое выбрано для любознательных ученых, поскольку поддерживает галактики, звезды, планеты, и жизнь.
Термин «ландшафт», однако, не впервые появляется в этом контексте. Этому способствовало гораздо более эффективная маркетинговая машина, связанная с сильной командой, которая двигала теорию частиц на протяжении большей части последней четверти века — теория струн. Теория струн утверждает, что элементарные частицы состоят из более фундаментальных составляющих, и не частиц, а объектов, которые ведут себя как колеблющиеся струны. Так же, как колебания струн на скрипке могут издавать различные ноты, так же в этой теории различные виды колебаний создают объекты, которые могли бы, в принципе, вести себя как все различные элементарные частицы, которые мы находим в природе. Загвоздка, однако, в том, что теория математически не сообразна, если задана только в четырех измерениях, а требует, похоже, гораздо больше, чтобы иметь смысл. Что происходит с другими измерениями — не очень понятно, равно как и вопрос о том, какие другие объекты, кроме струн, могут быть важны для определения теории — и это лишь некоторые из многих нерешенных проблем, которые предстают перед учеными и несколько притупляют начальный энтузиазм по отношению к этой идее.
Здесь не место тщательно рассматривать теорию струн, и, в сущности, тщательный анализ, вероятно, невозможен, так как если и стало что-то ясно в последние двадцать пять лет, так это то, что теория, раньше называемая теорией струн, явно представляет собой нечто гораздо более замысловатое и сложное, чья фундаментальная природа и строение до сих пор остается загадкой.
Мы по-прежнему не знаем, имеет ли эта замечательная теоретическая конструкция фактически хоть что-то общее с реальным миром. Тем не менее, пожалуй, ни одна теоретическая картина никогда так успешно не проникала в сознание физиков, не демонстрируя свою способность успешно решить хоть одну экспериментальную тайну природы.
Многие люди воспримут последнюю фразу как критику теории струн, но хотя я был заклеймен в прошлом как клеветник, на самом деле у меня здесь нет такого намерения, равно как и не было в многочисленных лекциях и благонамеренных публичных дебатах по этому вопросу, которые я вел с моим другом Брайаном Грином, одним из главных сторонников теории струн. Скорее, я думаю, важно просто преодолеть шумиху для проверки реальности. Теория струн содержит увлекательные идеи и математику, которые могли бы пролить свет на одно из самых фундаментальных противоречий в теоретической физике — нашу неспособность представить общую теорию относительности Эйнштейна в форме, которая может быть совместимой с законами квантовой механики, что привело бы к разумным предсказаниям о том, как Вселенная ведет себя на самых малых масштабах.
Я написал целую книгу о том, как теория струн попыталась обойти эту проблему, но для наших целей здесь необходим только очень краткий обзор. Основной план легко изложить, даже если трудно реализовать. На очень малых масштабах, соответствующих масштабам, где впервые могут обнаружиться проблемы между гравитацией и квантовой механикой, элементарные струны могут сворачиваться в замкнутые петли. Среди множества возбужденных состояний таких замкнутых петель всегда существует одно такое состояние, которое обладает свойствами частицы, передающей, в квантовой теории, гравитацию — гравитона. Таким образом, квантовая теория таких струн обеспечивает, в принципе, игровое поле, на котором может быть построена истинная квантовая теория гравитации.
И действительно, было обнаружено, что такая теория может избежать досадных бесконечностей в предсказаниях стандартных квантовых подходов к гравитации. Однако была одна загвоздка. В простейшей версии теории такие бесконечности в прогнозах могут быть устранены, только если струны, образующие элементарные частицы, вибрируют, и не просто в трех пространственных измерениях и одном временном, с которыми мы все знакомы, а в двадцати шести измерениях!
Можно было бы ожидать, что такого скачка сложности (и, возможно, веры) будет достаточно, чтобы отвернуть большинство физиков от теории, но в середине 1980-х некоторые красивые математические работы целого ряда ученых, в первую очередь Эдварда Виттена из Института перспективных исследований, показали, что теория в принципе может сделать гораздо больше, чем просто создать квантовую теорию гравитации. Внеся новые математические симметрии, особенно удивительно мощную математическую структуру, называемую «суперсимметрией», стало возможным уменьшить число измерений, необходимых для состоятельности теории, с двадцати шести до всего лишь десяти.
Более важным, однако, казалось, что в контексте теории струн можно объединить гравитацию с другими силами в природе в единую теорию, и, кроме того, можно объяснить существование каждой отдельной элементарной частицы, известной в природе! Наконец, казалось, что может быть одна единственная теория в десяти измерениях, которая воспроизводила бы все, что мы видим в нашем четырехмерном мире.
Начали выдвигаться заявки на разработку «теории всего», и не только в научной, но и в популярной литературе. В результате, возможно, больше людей знакомы с «суперструнами», чем со «сверхпроводимостью» — последнее представляет собой замечательный факт, что, когда некоторые материалы охлаждаются до экстремально низких температур, они могут проводить электричество без всякого сопротивления вообще. Это не только одно из самых замечательных свойств материи, которое когда-либо наблюдали, но оно даже изменило наше понимание квантового строения веществ.
Увы, прошедшие двадцать пять лет не были успешными для теории струн. Несмотря на то, что лучшие теоретические умы в мире начали сосредотачивать на ней свое внимание, выдавая массу новых результатов и по ходу множество новой математики (Виттен, например, завоевал высшую награду в области математики), стало понятно, что «струны» в теории струн, вероятно, не фундаментальные объекты вообще. Поведение этой теории, вероятно, контролируют другие, более сложные структуры, «браны», названные в честь мембран в клетках, которые существуют в более высоких измерениях.
Что еще хуже, стала исчезать уникальность теории. В конце концов, мы ощущаем себя не в десятимерном мире, а в четырехмерном. Что-то должно произойти с остальными шестью пространственными измерениями, и каноническое объяснение их невидимости — это то, что они каким-то образом «компактифицированы», то есть, свернуты на таких малых масштабах, что мы не можем объяснить их на наших масштабах или даже на крошечных масштабах, исследуемых сегодня на наших ускорителях самых высокоэнергетических частиц.
Есть разница между этими предлагаемыми скрытыми областями и сферами духовности и религии, даже если они могут не показаться такими разными на первый взгляд. Во-первых, они доступны в принципе, если можно будет построить достаточно энергичный ускоритель — возможно, за пределами реальности, но не за пределами возможности. Во-вторых, можно было бы надеяться, как и для виртуальных частиц, найти некоторые косвенные свидетельства их существования через объекты, которые мы можем изучать в нашей четырехмерной Вселенной. Короче говоря, поскольку эти измерения были предложены в рамках теории, разработанной, чтобы реально попытаться объяснить Вселенную, а не обосновать ее, они могли бы, в конечном итоге, быть доступными для эмпирической проверки, даже если вероятность этого мала.
Но помимо этого, возможность существования этих дополнительных измерений серьезно подрывает надежду, что наша Вселенная уникальна. Даже если исходить из уникальной теории с десятью измерениями (о существовании которых, повторяю, мы пока не знаем), то каждый другой способ компактификации невидимых шести измерений может привести к различным типам четырехмерной Вселенной, с различными законами физики, разными силами, разными частицами, и управляемыми разными симметриями. Некоторые теоретики прикинули, что, может быть 10500 различных возможных непротиворечивых четырехмерных вселенных, которые могут быть результатом одной десятимерной теории струн. «Теория всего» вдруг стала «теорией чего угодно»!
Эта ситуация была саркастически воспроизведена в карикатуре от одного из моих любимых научных комиксов под названием
На чуть менее шутливой ноте, лауреат Нобелевской премии физик Франк Вильчек предположил, что струнные теоретики изобрели новый способ заниматься физикой, напоминающий новый способ играть в дартс. Сначала кто-то бросает дротик в глухую стену, а затем кто-то идет к стене и рисует мишень вокруг того места, куда попал дротик.
Хотя замечание Франка точно отражает те трюки, которые там применяются, следует подчеркнуть, что в то же время те, кто работают над этой теорией, честно пытаются раскрыть принципы, которые могли бы управлять миром, где мы живем. Тем не менее, множество возможных четырехмерных вселенных, которые раньше были таким позором для струнных теоретиков, теперь стали доблестью этой теории. Можно себе представить, что в десятимерную «мультивселенную» может быть встроено множество различных четырехмерных вселенных (или пятимерных, шестимерных, и так далее…), и в каждой из них могут быть различные законы физики, и, кроме того, в каждой из них энергия пустого пространства может быть разной.
Хотя это звучит как подтасованное измышление, это, похоже, является автоматическим следствием теории, и это создает настоящий «ландшафт» мультивселенной, который мог бы обеспечить естественную основу для разработки антропного понимания энергии пустого пространства. В этом случае нам не нужно бесконечное число возможных вселенных, разделенных в трехмерном пространстве. Скорее, мы можем представить себе бесконечное число вселенных, сложенных в стопку над одной точкой в нашем пространстве, невидимых для нас, но каждая из которых могла бы проявлять удивительно разные свойства.
Я хочу подчеркнуть, что эта теория не так тривиальна, как богословские размышления святого Фомы Аквинского о том, может ли несколько ангелов занимать одно и то же место, идея, которая была высмеяна более поздними теологами как бесплодные спекуляции о том, сколько ангелов может поместиться на острие иглы — или наиболее популярно, на булавочной головке. Аквинский фактически ответил на этот вопрос сам, сказав, что несколько ангелов не могут занимать одно и то же пространство — конечно, без какого-либо теоретического или экспериментального обоснования! (И если бы они были бозонными квантовыми ангелами, он был бы все равно не прав.)
Представив такую картину, и соответствующую математику, можно было бы надеяться, в принципе, действительно сделать физические предсказания. Например, можно было бы получить вероятностное распределение, описывающее вероятность обнаружить различные типы четырехмерных вселенных, встроенных в мультивселенную большей размерности. Можно было бы, например, обнаружить, что в большей части таких вселенных, которые имеют небольшую энергию вакуума, также есть три семейства элементарных частиц и четыре различных силы. Или можно было бы определить, что только во вселенных с небольшой энергией вакуума может существовать сила электромагнетизма большой дальности. Любой такой результат может обеспечить достаточно убедительные доказательства того, что вероятностное антропное объяснение энергии пустого пространства — другими словами, обнаружение, что Вселенная, которая выглядит, как наша, с небольшой энергией вакуума, не маловероятна — имеет глубокий физический смысл.
Но математика еще не продвинула нас так далеко, и она может никогда этого не сделать. Однако, несмотря на нашу нынешнюю теоретическую импотенцию, это не означает, что такая возможность на самом деле не реализуется природой.
Тем не менее, физика элементарных частиц тем временем пошла дальше в антропных рассуждениях.
Физики-ядерщики далеко впереди космологов. Космология выдала один совершенно таинственный параметр: энергию пустого пространства, о котором мы не знаем практически ничего. Тем не менее, физика элементарных частиц не понимала гораздо больше вещей намного дольше!
Например, почему существует три поколения элементарных частиц — электроны и их более тяжелые собратья, мюоны и тауоны, или три различных набора кварков, из которых самые низкоэнергетические составляют большую часть материи, которую мы видим на Земле? Почему гравитация настолько слабее других сил в природе, например, электромагнетизма? Почему протон в 2000 раз тяжелее электрона?
Некоторые физики-ядерщики уже до крайности примкнули к антропной идее, возможно потому, что их усилия объяснить эти тайны, исходя из физических причин, до сих пор еще не увенчались успехом. В конце концов, если одна из фундаментальных величин в природе на самом деле является случайностью, обусловленной внешними причинами, то почему не все или почти все другие фундаментальные параметры? Может быть, все загадки физики элементарных частиц можно решить, повторяя одну и ту же мантру: если бы Вселенная была другой, мы бы в ней не могли жить.
Можно задаться вопросом, является ли такое решение тайн природы решением вообще, и что более важно, описывает ли оно науку, как мы ее понимаем. В конце концов, целью науки, и в частности физики, за последние 450 лет было объяснить, почему Вселенная должна быть такой, какой мы ее изучаем, а не почему вообще законы природы могут создавать весьма разные вселенные.
Я попытался объяснить, почему это не совсем так, а именно, почему многие уважаемые ученые обратились к антропному принципу, и почему многие довольно упорно работали, чтобы понять, можем ли мы, основываясь на нем, узнать что-то новое о нашей Вселенной.
Позвольте мне теперь пойти дальше и попытаться объяснить, как существование вечно необнаружимых вселенных — либо удаленных от нас на практически бесконечные расстояния в пространстве, либо прямо у нас под носом, удаленных от нас на микроскопические расстояния в возможных дополнительных измерениях — все же может быть подвергнуто определенного рода эмпирической проверке.
Представьте себе, например, что мы разработали теорию, основанную на объединении, по крайней мере, трех из четырех сил природы в какую-нибудь «теорию великого объединения», объект непрерывного и глубокого интереса к физике элементарных частиц (среди тех, кто не отказался искать фундаментальные теории в четырех измерениях). Такая теория будет делать прогнозы о силах природы, которые мы изучаем, и о многообразии элементарных частиц, которые мы исследуем на наших ускорителях. Если бы такая теория сделала множество предсказаний, которые были бы впоследствии проверены в наших экспериментах, мы бы имели очень серьезное основание подозревать, что в ней есть зерно истины.
Теперь предположим, что эта теория также предсказывает время инфляции в ранней Вселенной и фактически предсказывает, что наша эпоха инфляции является лишь одним из множества таких эпизодов в вечно расширяющейся мультивселенной. Даже если бы мы не могли исследовать существование таких областей вне нашего горизонта непосредственно, то, как я уже говорил ранее, если что-то ходит как утка и крякает как утка… Ну, вы знаете.
Поиск возможного эмпирического обоснования идей, охватывающих дополнительные измерения, более притянут за уши, но не невозможен. Многие яркие молодые теоретики посвящают свою профессиональную карьеру в надежде разработать эту теорию до стадии, где могут появиться некоторые доказательства, даже косвенные, что она верна. Их надежды могут быть несбыточными, но они проголосовали ногами. Возможно, некоторые данные с нового Большого адронного коллайдера под Женевой откроют некоторые тайные окна в эту новую физику.
Так, после столетия замечательного, действительно беспрецедентного прогресса в понимании природы, мы оказались способны исследовать вселенную на масштабах, которые ранее были невообразимы. Мы поняли природу расширения Большого Взрыва с его самых первых микросекунд и обнаружили существование сотен миллиардов новых галактик с сотнями миллиардов новых звезд. Мы обнаружили, что 99 процентов Вселенной на самом деле невидимы для нас, включая темную материю, которая, скорее всего, является какой-то новой формой элементарных частиц, и более того, темную энергию, происхождение которой остается в настоящее время полной загадкой.
И после всего этого, возможно, физика станет «наукой о внешней среде». Фундаментальные константы природы, до сих пор наделяемые особой ролью, могут оказаться просто случайностями окружающих условий. Если мы, ученые, как правило, воспринимаем себя и нашу науку слишком серьезно, может быть, мы также восприняли слишком серьезно нашу Вселенную. Может быть, буквально и метафорически, мы делаем много шума из ничего. По крайней мере, мы можем слишком сильно зависеть от ничего, доминирующего в нашей Вселенной! Может быть, наша Вселенная очень похожа на слезу, затерянную в огромном мультивселенском океане возможностей. Может быть, мы никогда не найдем теорию, которая описывает, почему Вселенная должна быть такой, какая она есть.
А может быть, найдем.
Это, в конце концов, наиболее точная картина, которую я могу нарисовать, реальности как мы ее теперь понимаем. Она основана на работах десятков тысяч упорных мыслителей в течение прошлого века, строительстве машин, одних из самых сложных из когда-либо созданных, и разработке одних из самых красивых, а также самых сложных идей, с которыми человечеству когда-либо приходилось сталкиваться. Это картина, создание которой наилучшим образом подчеркивает лучшее, что может быть в человеке — нашу способность представить себе множество вероятных сценариев существования и смелость их отважно исследовать — не перекладывая ответственность на неясную силу творения или на творца, который, по определению, всегда непостижим. Мы обязаны сделать это ради себя, чтобы извлечь мудрость из этого опыта. В противном случае мы окажем медвежью услугу всем ярким и смелым людям, которые помогли нам достичь нашего современного уровня знаний.
Если мы хотим извлечь философские выводы о нашей собственной жизни, нашей значимости и значимости самой Вселенной, наши выводы должны основываться на эмпирических знаниях. По-настоящему раскрыть наш разум означает заставить наше воображение соответствовать реальным доказательствам, а не наоборот, независимо от того, нравятся ли нам последствия.
Глава 9: Ничто — это нечто
Я не против незнания. Меня оно не пугает.
Исаак Ньютон, возможно, величайший физик всех времен, глубоко изменил наше представление о Вселенной во многих отношениях. Но, пожалуй, самым важным вкладом, который он внес, была демонстрация возможности того, что вся Вселенная объяснима. Своим универсальным законом всемирного тяготения он впервые продемонстрировал, что даже небеса могут подчиняться власти законов природы. Странная, враждебная, угрожающая и, казалось бы, непредсказуемая Вселенная, возможно — совсем другое дело.
Если Вселенной управляют незыблемые законы, мифические боги Древней Греции и Рима были бы бессильны. Не было бы никакой возможности произвольно изменять мир, создавая острые проблемы для человечества. Что применимо к Зевсу, будет также применимо к Богу Израиля. Как могло Солнце стоять на месте в полдень, если Солнце не вращается вокруг Земли, а его движение в небе на самом деле вызвано вращением Земли, которая, если бы вдруг остановилась, вызвала бы на своей поверхности силы, которые уничтожили бы все человеческие постройки вместе с самими людьми?
Конечно, сверхъестественные деяния являются сутью чудес. Они, в конце концов, именно те вещи, которые обходят законы природы. Бог, который может создать законы природы, вероятно, может также обойти их по своему желанию. Хотя, почему он так щедро обходил их тысячи лет назад, до изобретения современных коммуникационных инструментов, которые могли бы это зарегистрировать, а не сегодня — об этом все же стоит задуматься.
В любом случае, даже во Вселенной без каких-либо чудес, столкнувшись в корне простым основополагающим порядком, можно сделать два разных вывода. Один, сделанный самим Ньютоном, и ранее поддержанный Галилеем и многими другими учеными на протяжении многих лет, заключается в том, что такой порядок был создан божественным разумом, ответственным не только за Вселенную, но и за существование нас самих, и что мы, люди, были созданы по его образу (а другие сложные и красивые существа, по-видимому, нет!). Другой вывод заключается в том, что все, что существует — это сами законы. Эти законы сами по себе требуют, чтобы наша Вселенная возникла, развивалась и эволюционировала, а мы — неизбежный побочный продукт этих законов. Законы могут быть вечными, или они также могли возникнуть, опять же, благодаря каким-то еще неизвестным, но, возможно, чисто физическим процессам.
Философы, теологи, а иногда и ученые продолжают спорить об этих возможностях. Мы не знаем наверняка, какие из них действительно описывают нашу Вселенную, и, возможно, никогда не узнаем. Но дело в том, что, как я уже подчеркивал в самом начале этой книги, окончательным арбитром в этом вопросе будет выступать не надежда, желание, откровение или чистое размышление. Это будет, если когда-нибудь будет, исследование природы. Мечта или кошмар, — как сказал Джейкоб Броновский во вступительной цитате в этой книге (и мечты одного человека в этом случае запросто могут быть кошмаром другого), — нужны нам, чтобы испытывать наши переживания, какие они есть, и с открытыми глазами. Вселенная такова, какова она есть, нравится нам это или нет.
И здесь, я думаю,
Поэтому я хочу вернуться к вопросу, который изложил в начале этой книги: почему (why) существует нечто, а не ничто? Очевидно, мы сейчас в лучшем положении, чтобы это исправить, рассмотрев современную научную картину мира, ее историю и ее возможное будущее, а также оперативное описание того, из чего «ничто» может фактически состоять. Как я и упоминал в начале этой книги, этот вопрос тоже был объяснен наукой, как практически все подобные философские вопросы. Вовсе не будучи сформулированными так, чтобы навязать нам необходимость творца, сами значения упомянутых слов настолько изменились, что фраза во многом утратила свое первоначальное значение — обычная ситуация, когда эмпирическое знание проливает новый свет на темные уголки нашего воображения.
В то же время, в науке мы должны быть особенно осторожны с вопросом «why». Когда мы спрашиваем: «why?» мы обычно подразумеваем не «зачем?», а «почему?» или «как?» Если мы можем ответить на последний вопрос, этого, как правило, достаточно для наших целей. Например, мы могли бы спросить: «Зачем (why) Земля оказалась в 93 миллионах миль от Солнца?», — но, что мы на самом деле, вероятно, имеем в виду: «Почему (как получилось, что) Земля оказалась в 93 миллионах миль от Солнца?» То есть, нам интересно, какие физические процессы привели к тому, что Земля оказалась в ее нынешнем положении. «Why» неявно предполагает цель, а когда мы пытаемся понять солнечную систему с научной точки зрения, мы обычно не приписываем ей цель.
Так что я буду считать, что этот вопрос на самом деле означает: «Почему (как получилось, что) существует нечто, а не ничто?» Вопросы «почему?», «как получилось?» на самом деле единственные, на которые мы можем дать окончательные ответы, изучая природу, но поскольку эта фраза звучит довольно непривычно, я надеюсь, вы простите меня, если иногда будет казаться, что я использую более стандартную формулировку, когда на самом деле пытаюсь ответить на более конкретный вопрос «почему?»
Даже здесь, с точки зрения подлинного понимания, этот особый вопрос «почему?» был вытеснен массой более полезных в оперативном плане вопросов, таких как: «Что могло привести к свойствам Вселенной, которые наиболее ярко ее характеризуют в настоящее время?» или, возможно, более важный, «Как мы можем это узнать?».
Здесь я хочу еще раз, как может показаться, потратить время попусту. Вопросы, сформулированные таким образом, позволяют получать новые знания и понимание. Это то, что отличает их от чисто богословских вопросов, которые обычно предполагают заранее известные ответы. Действительно, некоторые богословы требовали, чтобы я представил доказательства, опровергающие предпосылку, что богословие не вносит свой вклад в знания, по крайней мере, в последние пятьсот лет, со времен зарождения науки. До сих пор никто не предоставил контрпримеров. Максимум, что меня когда-либо спрашивали в ответ, было: «Что вы имеете в виду под знаниями?» С гносеологической точки зрения это может быть сложный вопрос, но я утверждаю, что, если бы была лучшая альтернатива, кто-то ее представил бы. Если бы я представил ту же проблему биологам, или психологам, или историкам, или астрономам, никого из них это не привело бы в большое замешательство.
Ответы на подобного рода полезные вопросы подразумевают теоретические предсказания, которые можно проверить с помощью экспериментов, чтобы продвигать наши нынешние знания о Вселенной вперед более непосредственно. Отчасти по этой причине я сосредоточился на таких полезных вопросах до этого момента в этой книге. Тем не менее, вопрос «чего-то из ничего» продолжает оставаться актуальным, и поэтому, вероятно, должен быть рассмотрен.
Работы Ньютона резко сократили возможную сферу божьей деятельности, независимо от того, считаете ли вы разумность неотъемлемым свойством Вселенной. Мало того, что законы Ньютона строго ограничивали свободу действий Бога, они обходились без необходимости различных сверхъестественных вмешательств. Ньютон открыл, что движение планет вокруг Солнца не требует, чтобы их постоянно толкали по пути, а скорее, и очень неинтуитивно, требует, чтобы их тянула сила, действующая в направлении Солнца, вследствие чего отпадает необходимость ангелов, которые, как часто считалось ранее, определяли пути движения планет. Хотя возможность обходиться без специального использования ангелов не оказало большого влияния на готовность людей в них верить (опросы показывают, что в Соединенных Штатах в ангелов верят гораздо больше людей, чем в эволюцию), справедливости ради стоить отметить, что прогресс в науке со времен Ньютона еще более строго ограничил возможности руки Божией, проявлявшуюся в его предполагаемых рукописях.
Мы можем описать эволюцию Вселенной с самых ранних моментов Большого Взрыва, не нуждаясь особо ни в чем, кроме известных физических законов, и мы также описали возможную будущую историю Вселенной. Конечно, есть еще загадки во Вселенной, которые мы не понимаем, но я буду считать, что читатели этой книги не являются приверженцами доказательства существования Бога, основанного на пробелах в знаниях, когда к Богу прибегают всякий раз, когда в наших наблюдениях есть что-то особое, что кажется странным или совершенно непонятным. Даже богословы признают, что такое обращение за помощью не только уменьшает величие их всевышнего существа, но и доводит до его устранения или дальнейшего вытеснения, когда новая работа объясняет или раскрывает загадку.
В этом смысле аргумент «что-то из ничего» действительно пытается сфокусироваться на начальном акте творения и спрашивает, может ли научное объяснение когда-либо быть логически законченным и полностью удовлетворительным при решении этой конкретной проблемы.
Получается, что, учитывая наше нынешнее понимание природы, существуют три различных, отдельных смысла вопроса «чего-то из ничего». Короткий ответ на каждый из них — «вполне вероятное да», и я буду рассматривать каждый по очереди в остальной части этой книги, пытаясь объяснить, почему (why), или, как я только что доказывал, еще лучше, как.
Бритва Оккама предполагает, что, если некоторое событие физически вероятно, нам не нужно прибегать к более экстраординарным его объяснениям. Конечно всемогущее божество, которое каким-то образом существует за пределами нашей Вселенной, или мультивселенной, одновременно управляя тем, что происходит внутри нее, является одним из таких объяснений. Таким образом, оно должно быть последним, а не первым, спасительным объяснением.
Я уже обсуждал в предисловии к этой книге, что просто определить «ничто» как «небытие» недостаточно, чтобы предположить, что физика, и наука в общем, непригодна для решения этого вопроса. Позвольте мне привести здесь дополнительные, более конкретные аргументы. Рассмотрим электрон-позитронную пару, которая спонтанно образуется из пустого пространства вблизи ядра атома и влияет на свойства этого атома в течение короткого времени, пока пара существует. В каком смысле электрон или позитрон существовали до этого? Конечно, по любому здравомыслящему определению они не существовали. Конечно, был потенциал для их существования, но он определяет бытие не более, чем потенциал рождения человека определяется тем, что я несу сперму в яичках поблизости от женщины, у которой овуляция, и мы с ней могли бы спариться. Действительно, лучший ответ, который я когда-либо слышал, на вопрос, на что похоже быть мертвым (то есть, пребывать в небытии) — это представить, как вы себя чувствовали, до того как были зачаты. В любом случае, если бы потенциал существования был бы то же самое, что существование, то я уверен, что к настоящему времени мастурбация была бы такой же больной темой, как аборт сейчас.
Проект «Происхождение» в университете штата Аризона, которым я руковожу, недавно провел семинар по происхождению жизни, и я не могу не рассматривать настоящее обсуждение космологии в этом контексте. Мы еще не в полной мере поняли, как возникла жизнь на Земле. Тем не менее, у нас есть не только правдоподобные химические механизмы, посредством которых это могло быть возможно, но мы также подходим каждый день всё ближе и ближе к конкретным путям, которые могли бы позволить биомолекулам, включая РНК, возникнуть естественным образом. Более того, теория эволюции Дарвина, основанная на естественном отборе, дает убедительно точную картину того, как сложная жизнь возникла на этой планете, независимо от того, какая конкретная химия создала первую точно самовоспроизводящуюся клетку с обменом веществ, который захватывал энергию из окружающей среды. (Наилучшее определение жизни, которое я могу придумать на данный момент.)
Так же, как Дарвин, хотя и неохотно, устранил необходимость божественного вмешательства в эволюцию современного мира, кишащего разнообразной жизнью повсюду на этой планете (хотя он и оставил открытую дверь для возможности того, что Бог помог вдохнуть жизнь в первые формы), наше современное понимание Вселенной, ее прошлого и ее будущего, сделало более правдоподобным, что «нечто» может возникнуть из ничего, без необходимости какого-либо божественного вмешательства. Из-за наблюдений и сопряженных с ними теоретических трудностей, связанных с разработкой деталей, я ожидаю, что мы, возможно, никогда не достигнем в этом отношении большего, чем правдоподобие. Но само правдоподобие, на мой взгляд, является огромным шагом вперед, поскольку мы продолжаем мобилизовать мужество жить полноценной жизнью во Вселенной, которая, скорее всего, появилась, и может исчезнуть, без цели, и, конечно, без нас в своем центре.
Давайте теперь вернемся к одной из самых замечательных особенностей нашей Вселенной: что она настолько близка к плоской, насколько мы можем измерить. Я напоминаю вам об уникальном аспекте плоской Вселенной, по крайней мере, в масштабах, где доминирует материя в виде галактик, и где ньютоновское приближение остается в силе: в плоской Вселенной, и только в плоской Вселенной, в среднем ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта, принимающего участие в расширении, точно равна нулю.
Я подчеркиваю, что это был проверяемый постулат. Не обязательно должно быть так. Для этого не требуется ничего, кроме теоретических спекуляций, основанных на рассмотрении Вселенной, которая могла возникнуть естественным образом из ничего, или, по крайней мере,
Я не могу переоценить ни важность того факта, что, как только в наше рассмотрение природы включается гравитация, больше нельзя считать полную энергию системы произвольной, ни того факта, что есть как положительные, так и отрицательные составляющие этой энергии. Общая гравитационная энергия объектов, разносимых расширением Вселенной, не подлежит произвольному определению, вопросом определения является лишь геометрическая кривизна Вселенной. Это свойство самого пространства, согласно общей теорией относительности, и это свойство пространства определяется энергией, которая в нем содержится.
Я это говорю, потому высказывалось мнение, что заявление о том, что средняя суммарная ньютоновская гравитационная энергия каждой галактики в плоской, расширяющейся Вселенной равна нулю, произвольно, и что любое другое значение было бы так же хорошо, но, что ученые «установили» нулевую точку, чтобы опровергнуть Бога. Во всяком случае, так утверждал Динеш Д'Соуза в дебатах с Кристофером Хитченсом о существовании Бога.
Ничто не может быть дальше от истины. Усилия, предпринятые для определения кривизны Вселенной, были реализованы более полувека назад учеными, которые посвятили свою жизнь выяснению подлинной природы Вселенной, не навязывая свои желания. Даже много лет после того, как были впервые предложены теоретические аргументы, почему Вселенная должна быть плоской, мои наблюдательные коллеги, в 1980-х и даже начале 1990-х, стремились доказать обратное. В конце концов, в науке можно произвести наибольшее впечатление (и часто попасть в наиболее громкие заголовки), не идя со стадом, а выступая против него.
Тем не менее, за этими данными было последнее слово, и последнее слово стало модным. Наша наблюдаемая Вселенная настолько близка к плоской, насколько мы можем измерить. Ньютоновская гравитационная энергия галактик, движущихся вместе с расширением Хаббла,
Теперь я хотел бы пояснить, почему, если наша Вселенная возникла из ничего, плоская Вселенная, Вселенная с нулевой суммарной ньютоновской гравитационной энергией каждого объекта — это именно то, что мы должны ожидать. Аргумент немного более утонченный — тоньше, чем я мог описать в моих популярных лекциях на эту тему — так что я счастлив, что здесь есть место, чтобы попытаться тщательно его изложить.
Во-первых, я хочу, чтобы вы поняли, какого рода «ничто» я обсуждаю в данный момент. Это самый простой вариант ничего, а именно пустое пространство. На данный момент я буду считать, что существует пространство, внутри которого нет абсолютно ничего, и в котором при этом существуют законы физики. Опять же, я понимаю это в модифицированной версии небытия, потому что тем, кто желает постоянно находить этому слову новое определение, дабы ни одно научное определение не нашло себе применения, эта версия «ничего» не подойдет. Тем не менее, я подозреваю, что, во времена Платона и Фомы Аквинского, когда они размышляли, почему было нечто, а не ничто, пустое пространство с ничем внутри было, вероятно, хорошим приближением того, о чем они думали.
Как мы видели в Главе 6, Алан Гут пояснил, как именно мы можем получить что-то из подобного рода ничего — совершенно бесплатный обед. Пустое пространство может иметь связанную с ним ненулевую энергию, даже в отсутствие какой-либо материи или излучения. Общая теория относительности говорит нам, что пространство будет расширяться в геометрической прогрессии, так что поначалу даже самая крошечная область вполне могла быстро достигнуть размера, достаточно большого, чтобы содержать всю нашу видимую Вселенную сегодня.
Как я указывал в этой главе, во время такого быстрого расширения область, которая в конечном итоге будет охватывать нашу Вселенную, будет становиться все более плоской, точно так же как энергия, содержащаяся в пустом пространстве, растет с ростом Вселенной. Это явление происходит без всяких фокус-покусов или чудесного вмешательства. Оно возможно потому, что гравитационное «давление», связанное с такой энергией пустого пространства, фактически отрицательно. Это «отрицательное давление» означает, что, когда Вселенная расширяется, расширение сбрасывает энергию в пространство, а не наоборот.
Согласно этой картине, когда заканчивается инфляция, энергия, запасенная в пустом пространстве, превращается в энергию реальных частиц и излучения, тем самым создавая прослеживаемое начало нашего нынешнего расширения Большого Взрыва. Я говорю прослеживаемое начало, потому что инфляция фактически стирает всякую память о состоянии Вселенной до ее возникновения. Все сложности и неровности на изначально больших масштабах (если изначальная вселенная, или метавселенная, была большой, даже бесконечно большой) сегодня сглаживаются и/или уносятся так далеко за пределы нашего горизонта, что после того, как произойдет достаточное инфляционное расширение, мы всегда будем видеть почти однородную Вселенную.
Поделиться книгой: