Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной Сасскинд Леонард
Теперь за дело взялись осетрологи. При такой светимости звезды планета должна располагаться от неё на расстоянии около ста миллионов миль, чтобы климат планеты был умеренным, а на поверхности существовало достаточно жидкой воды. Это предположение не было настолько точным, как им хотелось бы. Как и любой вероятностный результат, оно могло оказаться и неправильным. Но все же это было лучше, чем полное отсутствие предположения.
Общим между двумя этими ситуациями – существованием жидкой воды и формированием галактик – является то, что одних только антропных (или ихтиотропных) соображений оказывается недостаточно для объяснения или предсказания всего на свете. Это неизбежно, если на Ландшафте оказывается более чем одна долина с пригодными для жизни условиями, а когда ландшафт состоит из 10500 долин, вероятность существования множества пригодных для жизни долин выглядит достаточно высокой. Назовём пригодный для существования жизни вакуум антропно приемлемым. Обычные физика и химия в антропно приемлемой долине могут быть очень похожи на наши. Там могут существовать электроны, ядра, планеты, звёзды, галактики и законы гравитации, почти такие же, как и в нашем мире. Различия могут обнаруживаться лишь в таких вещах, которые интересуют только физиков высоких энергий. Например, в природе существует множество частиц: t-кварк, тау-лептон и другие, – свойства которых вряд ли оказывают какое-то серьёзное влияние на обычный мир. Различия между такими мирами будет очень сложно обнаружить без помощи гигантских ускорителей заряженных частиц. Некоторые из этих вакуумов (включая наш собственный) могут содержать множество новых типов частиц, не оказывающих практически никакого влияния на обычную физику. Есть ли способ объяснить, почему мы живём в каком-то одном конкретном из этих антропно приемлемых вакуумов? Очевидно, что антропный принцип нам в этом не помощник, потому что все подобные вакуумы допускают существование жизни.
Этот вывод вызывает разочарование. Он оставляет теорию открытой для серьёзных обвинений в том, что она не обладает предсказательной силой, к которым учёные особенно чувствительны. Для решения этой проблемы многие космологи пытались дополнить антропный принцип дополнительными вероятностными предположениями. Например, вместо того чтобы спрашивать, почему масса t-кварка имеет конкретное значение, можно попытаться спросить, какова вероятность того, что масса t-кварка находится в определённом диапазоне.
Вот одно из таких предположений. В конце концов мы достаточно хорошо изучим Ландшафт, чтобы вычислить, какое количество долин будут содержать t-кварки с массами в том или ином диапазоне. На некоторые диапазоны масс придётся много долин, на некоторые – мало. Дальше очевидно: значение массы t-кварка, на которое приходится большее количество долин, более вероятно. Но для реализации такой программы исследований нам необходимо знать о Ландшафте гораздо больше, чем мы знаем сегодня. Но давайте поставим себя на место будущих исследователей, имеющих подробную карту Ландшафта, на которую нанесены все возможные вакуумы с любым мыслимым набором свойств. Самым естественным предположением будет, что относительная вероятность двух выбранных значений какой-либо константы будет соответствовать отношению количества вакуумов, в которых константа имеет выбранные значения. Например, если количество вакуумов, в которых масса какой-то частицы имеет значение M1, вдвое больше количества вакуумов, в которых масса этой частицы имеет значение M2, то из этого следует, что вероятность того, что частица имеет массу M1, вдвое выше вероятности, что частица имеет массу M2. Если бы нам повезло, то мы могли бы обнаружить, что определённое значение массы t-кварка соответствует самому большому числу долин. Рассуждая в этом ключе, мы могли бы предположить, что именно такое значение массы и должно быть у t-кварка в нашем мире.
Ни одно единичное предсказание такого рода, основанное на вероятности, не может подтвердить или опровергнуть теорию, но множество успешных статистических прогнозов способно придать нашей уверенности больший вес.
Идея заманчива, но есть серьёзные основания подвергнуть такую логику сомнению. Не забывайте, что Ландшафт – это всего лишь пространство возможностей. Если бы мы были фишиками, то могли бы аналогичным образом размышлять о ландшафте всевозможных планет, рассчитывая найти среди них любые варианты, допускаемые Законами Физики, например планеты, ядро которых состоит из чистого золота. Уравнения физики допускают существование как золотых, так и железных шаров.[110] Следуя такой логике, фишики могли бы прийти к выводу, что вероятность, что их планета имеет железное ядро,[111] точно такая же, как вероятность, что она имеет золотое ядро, но это очевидная ошибка.
В действительно мы хотим знать не количество возможных видов планет, а количество реально существующих планет каждого вида. Для этого нам нужны нечто большее, чем абстрактный подсчёт возможностей. Мы должны знать, как и в каких пропорциях синтезируются железо и золото в термоядерных процессах, происходящих в недрах звёзд.
Железо является наиболее стабильным из всех химических элементов. Среди всех атомных ядер труднее всего выбить протон или нейтрон из ядра железа. Следовательно, процессы термоядерного синтеза, идущие в недрах звёзд, будут приводить к синтезу гелия из водорода, затем лития, бериллия, бора, углерода и более тяжёлых элементов, вплоть до железа. В результате железо окажется наиболее распространённым во Вселенной химическим элементом по отношению к более тяжёлым, к которым относится и золото. Именно поэтому железо относительно дёшево, а золото стоит более тысячи долларов за унцию. Золото значительно более редкий элемент, чем железо. Почти все планеты земной группы должны иметь железное ядро, а не золотое. По сравнению с вероятностью обнаружить планету с железным ядром вероятность обнаружить планету с золотым ядром стремится к нулю. Поэтому нам нужно научиться считать актуальности, а не возможности.
При подсчёте карманных вселенных мы должны руководствоваться той же логикой, которую использовали при подсчёте планет. И тут мы встречаемся с ужасной проблемой вечной инфляции. Из-за своей вечности вечная инфляция, по крайней мере, как мы её понимаем, производит бесконечное количество карманов и, соответственно, бесконечное разнообразие карманных вселенных. Это приводит нас к старой математической проблеме: как сравнить две бесконечности.
Какая из бесконечностей больше и насколько?
Проблема сравнения бесконечных чисел восходит к работам Георга Кантора, который в конце XIX века задался вопросом: как сравнить два множества, каждое из которых содержит бесконечное количество элементов? Для начала разберёмся, как мы сравниваем обычные числа. Представим, что у нас есть куча яблок и куча апельсинов. Очевидный ответ состоит в том, что нужно просто взять и пересчитать количество фруктов в каждой куче, но поскольку мы хотим знать всего лишь, какая куча больше, мы можем воспользоваться более простым способом, который даже не требует от нас умения считать. Выложим яблоки в одну линию, затем выложим рядом с ними апельсины так, чтобы рядом с каждым яблоком лежал апельсин. Если какие-то яблоки остались лишними, значит, яблок больше, чем апельсинов. Если остались лишние апельсины, значит, апельсинов больше, чем яблок. Если каждому яблоку соответствует ровно один апельсин, значит, количества яблок и апельсинов одинаковы.
Кантор утверждал, что то же самое можно проделать и с бесконечными (он назвал их трансфинитными) множествами. Возьмём для примера множество чётных и множество нечётных натуральных чисел. Каждое из них содержит бесконечное количество элементов, но какое из этих бесконечных чисел больше? Запишем элементы этих множеств один под другим и посмотрим, сумеем ли мы расположить их так, чтобы каждому чётному числу соответствовало одно нечётное. Математики называют это взаимно однозначным соответствием.
Обратите внимание, что эти два списка в конечном итоге должны содержать все чётные и все нечётные числа. Кроме того, они в точности совпадут поэлементно, на основании чего Кантор пришёл к выводу, что количество чётных чисел равно количеству нечётных, несмотря на то что оба множества бесконечны.
А что можно сказать про общее количество натуральных чисел? На первый взгляд кажется, что общее количество натуральных чисел вдвое больше, чем количество чётных. Но Кантор категорически не согласился с таким выводом. Множество чётных чисел может быть поставлено во взаимно однозначное соответствие с множеством всех натуральных чисел.
Согласно математической теории бесконечных чисел, которую построил Кантор, количество чётных чисел является точно таким же, как и количество всех натуральных чисел! Более того, множество чисел, кратных 10, – 10, 20, 30, 40 и т. д. – это бесконечное множество точно такого же размера, как и множество натуральных чисел. Натуральные числа, чётные или нечётные числа, числа, которые делятся на десять, – это всё примеры того, что математики называют бесконечными счётными множествами,[112] и все они имеют один и тот же размер.
Давайте проведём с бесконечными числами мысленный эксперимент. Представьте себе бесконечный мешок, в котором лежат все натуральные числа, записанные на клочках бумаги. Сначала тщательно потрясём мешок, чтобы все бумажки как следует перемешались. Теперь засунем в него руку и вытащим одну бумажку. Какова вероятность того, что записанное на бумажке число будет чётным?
Напрашивающийся ответ: 50 процентов. Поскольку половина чисел в мешке чётные, то и вероятность вытащить чётное число должна быть равна одной второй. Но мы не можем проделать такой эксперимент в реальном мире, потому что никто не может сделать бесконечный мешок для натуральных чисел. Для проверки теории мы можем прибегнуть к небольшой хитрости и использовать конечный мешок, содержащий, скажем, первую тысячу натуральных чисел. Если мы повторим эксперимент много раз, то обнаружим, что вероятность вытянуть чётное число действительно близка к одной второй. Затем мы можем провести этот же эксперимент с мешком, в котором находятся первые десять тысяч натуральных чисел. И опять мы обнаружим, что вероятность вытащить чётное число равна одной второй. Проводя эксперимент с первыми 100 000 натуральных чисел, с первым миллионом натуральных чисел, с первым миллиардом и т. д., мы каждый раз будем получать вероятность, равную одной второй. Разумно экстраполировать результат нашего эксперимента на бесконечное количество натуральных чисел и предположить, что вероятность по-прежнему останется равной одной второй.
Но погодите. Мы можем изменить содержимое мешка следующим образом. Положим в первом эксперименте в мешок одну тысячу первых чётных чисел и две тысячи первых нечётных. Теперь нечётных чисел в мешке вдвое больше, чем чётных, и вероятность вытащить чётное число равна одной третьей. Повторим эксперимент с первыми 10 000 чётных и первыми 20 000 нечётных чисел и снова получим вероятность, равную одной третьей. Как и в предыдущем эксперименте, мы можем экстраполировать этот результат на бесконечное количество чисел и прийти к выводу, что искомая вероятность равна одной третьей. На самом деле, изменяя условия эксперимента, мы можем получить любое значение вероятности.
Вечно раздувающаяся Вселенная – это бесконечный мешок, только наполненный не клочками бумажек с числами, а карманными вселенными. Это мешок, в котором любой наперёд заданный вариант вселенной – любая долина Ландшафта – содержится бесконечно счётное количество раз. Не существует очевидного математического способа сравнить количество экземпляров одного вида карманной вселенной с количеством другого и объявить, что один вариант является более вероятным, чем другой. Следствие из этого факта представляется очень тревожным: похоже, что нет способа определить относительную распространённость различных антропно-приемлемых вакуумов.
Проблема меры (мерой в космологии называется относительная частота встречаемости различных вакуумов) сильно беспокоит многих великих космологов, в частности Виленкина и Линде. Она может оказаться ахиллесовой пятой вечной инфляции. С одной стороны, очень трудно понять, как избежать вечной инфляции в какой-нибудь теории, содержащей интересный ландшафт. С другой стороны, не менее трудно понять, как использовать получившуюся теорию для предсказания чего бы то ни было в традиционном научном смысле.
В прошлом физика уже сталкивалась с многочисленными проблемами, связанными с бесконечными числами: с ультрафиолетовой катастрофой, успешно предотвращённой Максом Планком, или с расходимостями в первых вариантах квантовой теории поля. Даже проблемы чёрных дыр, из-за которых спорили Хокинг и ‘т Хоофт, тоже связаны с бесконечностью. Согласно расчётам Хокинга, горизонт чёрной дыры способен безвозвратно поглотить бесконечное количество информации. Всё это были глубокие проблемы трансфинитных или бесконечных чисел. И в каждом случае приходилось находить новые физические принципы, прежде чем мог быть достигнут какой-либо прогресс. В случае Планка это была квантовая механика, а именно открытие Эйнштейном того, что свет состоит из квантов. Бесконечные числа, досаждавшие квантовой теории поля, были побеждены только после открытия Кеннетом Вильсоном принципа перенормировки. История с чёрными дырами продолжается до сих пор, но контуры решения задачи уже намечены в виде голографического принципа. В каждом случае оказывалось, что классические методы расчёта завышали количество степеней свободы, которыми описывается мир.
Я считаю, что проблема меры также потребует новых крупных идей, прежде чем мы сможем понять, как делать предсказания относительно Ландшафта. Если бы меня попросили сделать какие-либо предположения, я бы сказал, что тут должно иметь место что-то типа голографического принципа и что информация, находящаяся за границами нашего горизонта, содержится в реликтовом излучении в нашем собственном кармане. Но если бы я был противником населённого ландшафта, я бы избрал целью моей атаки именно эту концептуальную проблему вечной инфляции.
Помимо проблемы меры имеются ещё и очень серьёзные проблемы, связанные с практическими трудностями в получении предсказаний, которые можно было бы проверить путём эксперимента или наблюдений. Но я думаю, что тут ситуация далеко не безнадёжна. Существует несколько предсказаний, которые могут быть проверены в ближайшем будущем.
Начало инфляции
В главе 5 я объяснил, как на раннем этапе существования Вселенной (который наблюдается в виде реликтового излучения) на финальной стадии инфляции, которая завершала падение с обрыва в нашу долину, была достигнута чрезвычайно высокая однородность распределения вещества. Оставшиеся едва заметные неоднородности стали теми семенами, из которых выросли галактики. Мы наблюдаем комковатую структуру распределения вещества во Вселенной на всех масштабах, от крошечных космических пылинок до занимающих почти полнеба гигантских образований. Космические комки и возмущения, которые мы наблюдаем сейчас, являются ископаемыми остатками различных эпох. Важно помнить о простом правиле: чем больше масштаб неоднородности, тем от более ранней эпохи она осталась.
Если нам очень, очень повезло, то, возможно, самая крупная из наблюдаемых неоднородностей в распределении реликтового излучения несёт информацию о состоянии Вселенной непосредственно перед началом инфляционной фазы, иными словами, о том моменте, когда Вселенная зависла над инфляционным обрывом. Если это так, то самая крупная неоднородность должна быть чуть менее комковатой, чем более мелкие неоднородности, которые возникли, когда инфляция уже продолжалась какое-то время. И похоже, что действительно есть наблюдательные данные, свидетельствующие, что наиболее крупные неоднородности являются более гладкими, чем остальные. Будет совсем смело предположить, что эти самые крупномасштабные неоднородности могут нести информацию о формировании нашего пузыря в эпоху с большей, чем сейчас, космологической постоянной.
Если же нам повезло настолько, что инфляция не продолжалась слишком долго, чтобы уничтожить доказательства первоначальной кривизны пространства, то наш пузырь должен нести следы той эпохи. Если наша карманная вселенная родилась в процессе пузырьковой нуклеации, то её кривизна должна быть отрицательной – сумма углов космического треугольника всегда должна быть 180 градусов.
На сегодняшнем уровне точности наших наблюдений нам пока не удаётся найти никаких свидетельств отрицательной кривизны нашей Вселенной. С одной стороны, если инфляционная фаза продолжалась очень долго, то мы и не обнаружим никакой отрицательной кривизны. Но с другой стороны, если мы обнаружим отрицательную кривизну, то это будет неоспоримым доказательством того, что наша Вселенная родилась в форме крошечного пузырька в вакууме с большей, чем нынешняя, космологической постоянной.
Суперструны в небесах
Мы исчерпали далеко не все наши возможности исследования Вселенной. Возможно ли реально обнаружить суперструны? Очевидно, что они слишком малы для наших экспериментальных методов. Но ведь то же самое можно было сказать и о микроскопических квантовых флуктуациях, происходивших во время инфляционной фазы, однако в главе 5 мы увидели, что расширение Вселенной и гравитация удивительным образом превращают эти микроскопические возмущения во вполне наблюдаемые эффекты, проявляющиеся в неравномерности распределения фона реликтового излучения, и в конце концов именно они приводят к появлению видимых сегодня на небе галактик и звёзд. Сегодня мы наблюдаем последствия микроскопических квантовых флуктуаций в виде гигантского расширяющегося небесного свода, расписанного безумным художником-пуантилистом, и это – поистине невероятный факт, ставший полной неожиданностью для большинства физиков, привыкших воспринимать квантовые эффекты как нечто, присущее исключительно микромиру. Так что, наверное, не следует с порога отвергать мысль о том, что такие мелкие объекты, как суперструны, не способны произвести что-либо подобное, – скажем, превратить небосвод в гигантский холст Джексона Поллока.
Опираясь на работы Тибо Дамура, Александра Виленкина, Джо Полчински и других, теоретики принялись исследовать новые, чрезвычайно захватывающие явления, связанные с инфляционной фазой. Причиной инфляции является энергия вакуума, предшествовавшего нынешнему. Эта энергия никуда не исчезла после того, как Вселенная упала с потенциального обрыва в нашу сегодняшнюю долину Ландшафта, а преобразовалась в более простые формы энергии – в излучение и вещество, из которых состоит наша Вселенная.
Но энергия может существовать и в других формах. Часть энергии могла преобразоваться в потенциальную энергию чрезвычайно запутанного клубка струн, напоминающего моток шерсти, после того как тот попал в лапы коту. Этот клубок может содержать не только обычные струны теории струн, но и D-струны, разработанные Полчински.
Если такой клубок возник в ранней Вселенной, то в процессе последующего расширения он тоже раздуется до огромных масштабов: крошечные микроскопические петли и узелки разрастутся до размеров в сотни миллионов световых лет. Но какая-то часть струн сохранится до настоящего времени, полощась, как гигантские бельевые верёвки на ветру, на просторах Вселенной. Эти струны не будут наблюдаться в оптические или радиотелескопы, но, к счастью, есть ещё один способ их обнаружить. Дамур и Виленкин показали, что такие космические струны будет излучать гравитационные волны (волноподобные возмущения гравитационного поля), которые, возможно, удастся зафиксировать уже в следующем десятилетии.
Обнаружение таких струн среди звёзд стало бы триумфом теории струн.
Изучая эти космические суперструны, если они действительно существуют, мы могли бы очень многое сказать если не обо всём Ландшафте, то, по крайней мере, о нашей ближайшей его окрестности. Полчински с коллегами тщательно изучили условия, при которых клубок струн превращается во вселенскую сеть. Эти условия очень чувствительны к таким вещам, как размерность Ландшафта, наличие бран и потоков в компактифицированных измерениях и т. п. Возможно, вместо того чтобы строить всё более гигантские ускорители элементарных частиц, нужно просто внимательнее присмотреться к звёздному небу над головой?
Высокоэнергетическая физика
Астрономические и космологические наблюдения, вероятно, – дело будущего, а сегодня мы ещё не достигли пределов наших возможностей в лабораторных экспериментах. Самые большие надежды на получение в краткосрочной перспективе новых революционных сведений о Законах Физики всегда возлагались на высокоэнергетическую физику и её ускорители элементарных частиц. Возможно, мы уже приближаемся к пределу наших возможностей, но нет никаких сомнений в том, что мы сумеем раздвинуть границы наших знаний ещё по крайней мере на один порядок. Крупнейший в мире ускоритель и, вероятно, единственный достаточно большой, чтобы добыть для нас много новой информации, находится вблизи Женевы в Швейцария, в CERN’е (Европейский центр ядерных исследований). Он называется Большим адронным коллайдером, или БАК. Изначально он был задуман с целью изучения бозона Хиггса, но он также представляет собой идеальную машину для обнаружения суперсимметричных близнецов элементарных частиц.
В главе 8 я упомянул, что многие физики считают, что суперсимметрия поджидает нас буквально «за углом». Ещё 25 лет назад было выдвинуто предположение, согласно которому наличие суперсимметрии гарантирует, что гигантские квантовые флуктуации вакуума не приведут к возникновению огромной массы бозона Хиггса, которая обрушит Стандартную модель. Возможно, суперсимметрия действительно ждёт нас если не за ближайшим углом, то за следующим. Большинство физиков ожидают, что так оно и есть, по крайней мере такое впечатление создаётся при взгляде на количество публикаций по этой теме.
Но есть ещё одна возможность. Так же как и в ситуации с энергией вакуума (или с космологической постоянной), слишком большая масса бозона Хиггса привела бы к невозможности появления жизни в нашей карманной вселенной. Поэтому, возможно, решением является не суперсимметрия, а апелляция к антропному принципу. Если мир достаточно велик и Ландшафт достаточно разнообразен, то в каких-то отдельных областях Мегаверсума масса бозона Хиггса будет не слишком большой, чтобы предотвратить возможность появления жизни. Как и в случае с космологической постоянной, апелляция к суперсимметрии в этом случае окажется излишней.
Эти два объяснения не обязательно исключают друг друга. Возможно, что условием для того, чтобы масса бозона Хиггса в какой-то долине была мала, является существование рядом с ней, теперь уже буквально «за углом», другой, суперсимметричной долины. Возможно даже, что это условие характерно для всех долин с малой массой бозона Хиггса.
Или наоборот, может оказаться, что подавляющее большинство вакуумов с малой массой бозона Хиггса полностью лишены какой-либо суперсимметрии. Изучение Ландшафта всё ещё находится в зачаточном состоянии, и мы не знаем ответа на этот вопрос. Моё личное предположение состоит в том, что суперсимметрия не нужна, и я упоминал об этом в одной из статей. Но с тех пор я уже дважды поменял своё мнение, и, скорее всего, не в последний раз.
В попытке предсказать относительную вероятность обнаружения и необнаружения суперсимметрии мы снова приходим к проблеме меры. Возможно, мы должны на этом остановиться, но есть сильное искушение попытаться обойти препоны и прорваться вперёд. Такие теоретики, как Майкл Дуглас, Шамит Качру и другие, заняты разработкой методов, позволяющих подсчитать на Ландшафте количество разных мест с различными свойствами. Я имею в виду количество возможностей, а не количество реальных карманных Вселенных. Не имея никакой другой информации, мы могли бы прийти к выводу, что если количество антропно приемлемых вакуумов с нарушенной суперсимметрией намного больше, чем число вакуумов вообще без суперсимметрии, то существование нарушенной суперсимметрии в нашем мире весьма вероятно. Но проблема меры представляет собой ещё одного огромного слона в комнате, который тихо посмеивается над нами.
Несмотря на реальные трудности в проверке гипотезы существования Ландшафта, вечной инфляции и антропного принципа, есть много способов верификации теории. Математическая согласованность может не впечатлять прагматичных экспериментаторов, но не следует её недооценивать. Согласованные теории, объединяющие квантовую механику и общую теорию относительности, пока ещё не созданы, поэтому у теории струн практически нет конкурентов. А если альтернативы нет и при этом теория струн предсказывает существование богатого ландшафта, то населённый ландшафт становится принимаемым по умолчанию – так сказать, «теорией, задающей шаг».
Но отказываться от перспектив более прямой проверки теории, конечно же, преждевременно. Это правда, что теория и эксперимент обычно идут рука об руку, но это не всегда так. Потребовалось более двух десятилетий, прежде чем теория инфляции Алана Гута была подтверждена наблюдениями, а на первых порах почти все признавали его идею интересной, но абсолютно непроверяемой. Я думаю, что даже сам Алан был скептически настроен в отношении перспектив подтверждения своей теории.
В ещё более щекотливом положении оказалась теория Дарвина. Она основывалась на общих наблюдениях над миром живой природы и очень прозорливом предчувствии. Но прямые экспериментальные подтверждения теории эволюции казались совершенно невозможными без наличия машины времени, способной переместить исследователя на миллионы, если не на миллиарды лет. В действительности гениальным биологам и химикам потребовалось около ста лет, чтобы найти способ экспериментальной проверки теории. Иногда теория должна идти впереди, чтобы освещать путь.
Эпилог
Перед самой посадкой в гигантский «Геркулес», который должен был забрать нас с чилийской антарктической станции в Пунта-Аренас, мы с Виктором обнялись на прощание. Всё-таки русские очень эмоциональны и сентиментальны. Виктор был сильно расстроен нашим расставанием. Перед тем как выйти в пургу, я спросил его: «Виктор, находите ли вы Антарктиду красивой?» Он задумался на короткое время, а затем улыбнулся и тихо произнёс: «Да, она как некоторые женщины – красива и жестока». Если бы Виктор спросил, считаю ли я красивой нашу Вселенную и её Законы Физики, я, возможно, ответил бы: «Нет, она не красивая, скорее – симпатичная».
В этой книге я заклеймил красоту, однозначность и элегантность как обманчивые миражи. Законы физики (в том смысле, в каком я определил их в главе 1) ни уникальны, ни элегантны. Мир, или, по крайней мере, наша его часть, представляется гигантской машиной Руба Голдберга. Но должен признаться, что и сам я так же не способен устоять перед очарованием однозначности и элегантности, как и все мои коллеги. Я тоже хочу верить, что главный принцип всех принципов, выходящий за рамки законов любой конкретной карманной вселенной, однозначен, элегантен и удивительно прост. Но результаты, получаемые при применении этого принципа, не обязаны быть элегантными. Квантовая механика, господствующая в микроскопическом мире атомов, очень элегантна, чего нельзя сказать о её подданных. Простые квантово-механические законы приводят к чрезвычайно сложным закономерностям поведения молекул, из которых состоят жидкости, газы и твёрдые тела, порождая как сорняки, так и розы. Мне кажется, я смог бы посчитать основополагающие принципы теории струн элегантными, если бы знал, что они собой представляют.
Я часто шучу, что если лучшими теориями являются те, которые содержат минимальное количество фундаментальных уравнений и постулатов, то теория струн на сегодняшний день является лучшей из всех – никто до сих пор не нашёл ни одного фундаментального уравнения и не сумел сформулировать ни одного постулата! Теория струн даёт все основания считать её очень элегантной математической конструкцией с высочайшей степенью самосогласованности, которой позавидует любая другая физическая теория. Но никто не знает, каковы её фундаментальные принципы. Никто не знает, каковы её основные «строительные блоки».
Строительные блоки – это наиболее простые объекты, из которых построено всё остальное. Для строителя – это кирпичи. Отношение между строительными блоками и составленными из них объектами асимметрично: можно возвести дом из кирпичей, но только пациент психиатрической лечебницы с тяжёлым расстройством восприятия решился бы строить кирпичи из домов.
Основные блоки науки зависят от контекста и состояния наших знаний. В XIX веке строительными блоками материи были атомы, перечисленные в таблице Менделеева. 92 элемента могли образовывать бесконечное разнообразие более сложных объектов, называемых молекулами. Позже было обнаружено, что атомы состоят из более мелких частиц, и они уступили роль строительных блоков электронам, протонам и нейтронам. Природа научила нас ожидать, что большие вещи состоят из меньших. Физик, проникающий всё глубже и глубже в законы природы, ожидает наличия не наблюдаемой текущими методами субструктуры у объектов, считающихся на данном этапе развития науки строительными блоками. Сегодня считается, что обычная материя состоит из кварков и электронов. Как обычные люди, так и учёные часто задают вопрос: «Считаете ли вы, что открытие всё более элементарных кирпичиков будет продолжаться вечно или существует мельчайший строительный блок?» В наши дни этот вопрос часто принимает форму: «Существует ли что-нибудь меньшее, чем планковская длина?» или: «Являются ли струны самыми фундаментальными объектами или они состоят из более мелких частей?».
Возможно, это некорректные вопросы. Методы работы теории струн более тонкие. Если мы сосредоточиваем внимание на каком-то конкретном регионе Ландшафта, то обнаруживаем, что всё здесь построено из определённого набора строительных блоков. Одни регионы Ландшафта могут содержать открытые и замкнутые струны, в других вся материя состоит из D-бран, в третьих элементарные строительные объекты похожи на обычные кванты силовых полей, собранные в струны, браны, чёрные дыры и много чего ещё. По отношению ко всем объектам, выделяемым в класс фундаментальных, другие объекты теории ведут себя как составные в том же смысле, в котором атомы и молекулы состоят из электронов, протонов и нейтронов.
Но по мере нашего перемещения из одного места Ландшафта в другое начинают происходить странные вещи. Строительные блоки меняются ролями с построенными из них объектами. Какой-нибудь конкретный составной объект начинает вести себя всё проще и проще, как если бы он представлял собой элементарный строительный блок. В то же время объект, который до этого был строительным блоком, начинает проявлять поведение, свидетельствующее о наличии сложной внутренней структуры. Ландшафт превращается в фантастический пейзаж, в котором по мере нашего продвижения по нему кирпичи и дома меняются ролями. Всё здесь фундаментально и ничто не фундаментально.
А что же за проблема с основными уравнениями теории? Что мешает взять за основу уравнения движения основных строительных блоков? Вот и ответ: какие блоки взять в качестве фундаментальных? Открытые струны? Закрытые струны? Мембраны? D0-браны? Ответ зависит от региона Ландшафта, который нас в данный момент интересует. А в регионе, который находится между регионами, для которых существуют два различных типа описания, выбор строительных блоков и основных уравнений вообще неоднозначен. Похоже, что мы столкнулись с новым типом математической теории, в которой традиционный подход, состоящий в выводе следствий из основных положений, расползается по швам. Или прав ‘т Хоофт, и настоящие строительные блоки на самом деле спрятаны более глубоко. Пока же следует констатировать, что мы не знаем, как описать все математические конструкции теории струн и какие строительные блоки являются более фундаментальными, а какие – менее.
Пока я ещё надеюсь, что принципы теории струн или то, что стоит за ними, будут обладать элегантностью, простотой и красотой, по которым так изголодались теоретики. Но даже если уравнения и удовлетворят эстетическим критериям физиков, это ещё не означает, что их решения будут простыми и элегантными. Стандартная модель, содержащая 30 непонятно как связанных друг с другом параметров, необъяснимую репликацию поколений частиц, силы, меняющиеся замысловатым образом, настолько сложна, что соответствующая ей теория струн почти наверняка будет иметь сложность и избыточность машины Руба Голдберга.
На мой собственный вкус, элегантность и простота иногда могут быть обнаружены в принципах, которые вообще невозможно записать в виде уравнений. Я не знаю ни одного уравнения, которое было бы более элегантным, чем два принципа, лежащие в основе теории Дарвина: случайные мутации и естественный отбор. Эта книга посвящена такому же мощному и простому принципу. Я считаю, что он заслуживает права называться элегантным, но снова повторю: я не знаю, как записать его в виде уравнения, разве что в виде слогана: «Ландшафт возможностей населён актуальностями Мегаверсума».
И у нас остался последний важнейший вопрос: «Кто или что создало Вселенную и зачем?»
Есть ли в этом какая-то цель? Я не претендую на то, что знаю ответы. Те, кто смотрит на антропный принцип как на свидетельство существования доброжелательного создателя, останутся недовольны последними страницами моей книги. Законы гравитации, квантовой механики и богатый Ландшафт совместно с законом больших чисел – это всё, что нам нужно для объяснения благоприятности законов физики нашей Вселенной.
Но, с другой стороны, ничто из изложенного в этой книге не уменьшает вероятности того, что Вселенную создал некий разумный агент для каких-то своих целей. Экзистенциальный вопрос: «Почему существует нечто, а не ничто?» имеет не больше и не меньше шансов на ответ, чем имел до того, как кто-либо когда-либо что-либо слышал о теории струн. Если существовал момент творения, то он скрыт от наших глаз и телескопов завесой инфляции, предшествовавшей Большому взрыву. Если это был Бог, то он постарался скрыть своё участие в акте творения.
Позвольте мне закончить эту книгу теми же самыми словами Пьера Симона Лапласа, которыми я её начал:
«Я не нуждаюсь в этой гипотезе».
Читать бесплатно другие книги:
