Высший замысел. Взгляд астрофизика на сотворение мира Хокинг Стивен

На этих диаграммах представлены некоторые из путей, возможных для того, чтобы два электрона рассеяли друг друга с помощью электромагнитной силы; прямые линии на них соответствуют путям электронов, а волнистые — путям фотонов. Считается, что время идет снизу вверх, а точки соединения линий соответствуют излучению или поглощению фотонов электроном. На диаграмме А изображено, как два электрона, сближаясь друг с другом, обмениваются фотоном, а затем каждый продолжает свой путь. Это простейший вариант электромагнитного взаимодействия между двумя электронами, но мы должны рассмотреть все возможные истории. Обратимся к диаграмме В. На ней тоже изображены две сходящиеся линии (сближающиеся электроны) и две расходящиеся (разлетающиеся электроны), но на этой диаграмме, прежде чем разлететься в стороны, электроны обменялись двумя фотонами. Приведенные здесь диаграммы иллюстрируют лишь несколько возможностей, на самом же деле имеется бесконечное количество диаграмм, для которых требуется выполнить математические вычисления.

Диаграммы Фейнмана не только наглядный способ изображения и классификации возможных вариантов взаимодействия электронов. У них имеются правила, позволяющие по линиям и вершинам на каждой диаграмме прочитать их математическое выражение. Скажем, вероятность того, что сходящиеся электроны с данным первоначальным импульсом в итоге разлетятся каждый со своим конечным импульсом, получается суммированием результатов, определенных по каждой из диаграмм Фейнмана. Это довольно трудоемкий процесс, поскольку, как мы уже сказали, этих диаграмм бесконечное множество. Более того, хотя сходящимся и расходящимся электронам присвоены определенные энергия и импульс, частицы в замкнутых контурах внутри диаграммы могут иметь любую энергию и любой импульс. Это важно, так как при вычислении фейнмановской суммы нужно суммировать не только по всем диаграммам, но также и по всем значениям энергии и импульса.

Диаграммы Фейнмана оказывают физикам огромную помощь в наглядном представлении и расчете вероятностей процессов, описываемых КЭД. Но они не могут исправить один из важных недочетов теории: когда вы суммируете вклады от бесконечного множества различных историй, вы получаете бесконечный результат. (Если последовательные элементы в бесконечной сумме убывают достаточно быстро, то сумма может оказаться конечной, но этого, к сожалению, здесь не происходит.) В частности, при сложении диаграмм Фейнмана решение словно бы предполагает, что электрон имеет бесконечную массу и заряд. Это абсурд, так как мы можем измерить массу и заряд и увидеть, что они конечны. Чтобы оперировать с этими бесконечностями, была разработана процедура, названная перенормировкой.

Процесс перенормировки включает в себя вычитание величин, считающихся равными бесконечности и отрицательными, так, чтобы при тщательном математическом расчете сумма отрицательных бесконечных значений и положительных бесконечных значений, которые появляются в теории, почти уравновешивалась, исключая небольшой остаток — конечные наблюдаемые значения массы и заряда. Подобные манипуляции могут показаться чем-то таким, за что на школьном экзамене по математике вам поставили бы неудовлетворительную оценку. И действительно, перенормировка выглядит, с математической точки зрения, сомнительным действием. Одним из последствий является то, что полученные таким методом значения массы и заряда электрона могут оказаться любым конечным числом. Преимущество этого состоит в том, что физики могут подобрать отрицательные бесконечности так, чтобы получить правильный ответ, но неудобство в том, что из-за этого теория не может предсказать массу и заряд электрона. Но когда мы таким путем установили массу и заряд электрона, то можем при помощи КЭД сделать много иных, очень точных, предсказаний, прекрасно согласующихся с наблюдениями, поэтому перенормировка является одной из важнейших составляющих КЭД. Среди первых удач в области КЭД было, например, точное предсказание так называемого лэмбовского сдвига — небольшого изменения в энергии одного из состояний атома водорода, которое было открыто в 1947 году.

Диаграммы Фейнмана. Ричард Фейнман ездил на примечательном автофургоне, разрисованном диаграммами, названными его именем. Эти изображения были сделаны как иллюстрация обсуждавшихся выше диаграмм. Фейнман умер в 1988 году, но фургон все еще цел — он хранится неподалеку от Калифорнийского технологического института, в Южной Калифорнии.

Успех перенормировки в КЭД способствовал попыткам поиска квантовополевых теорий для остальных трех фундаментальных взаимодействий (сил) в природе. Но деление природных сил на четыре класса искусственно и, вероятно, явилось следствием недостатка наших знаний о них. Поэтому ученые стали искать так называемую теорию всего, которая объединила бы все четыре класса в единый закон, сочетающийся с квантовой теорией. Для физики это своего рода Священный Грааль — легендарная чаша, олицетворяющая заветную цель.

Одно из указаний на то, что объединение — это правильный подход, пришло из теории слабого ядерного взаимодействия. Квантовая теория поля, описывая слабое ядерное взаимодействие как таковое, не может быть перенормирована; то есть она имеет бесконечности, которые не могут быть уравновешены вычитанием конечного числа величин, таких как масса и заряд. Однако в 1967 году пакистанский физик Абдус Салам (1926–1996) и американский физик Стивен Вайнберг (род. 1933) независимо друг от друга предложили теорию, в которой электромагнетизм был объединен со слабым ядерным взаимодействием, и обнаружилось, что это объединение преодолевает проблему бесконечностей. Объединенную силу назвали электрослабой силой. Ее теория может быть перенормирована, и по этой теории были предсказаны три новые частицы, получившие обозначения W+, W- и Z0. Свидетельство существования Z0 было найдено в 1973 году учеными из Европейской организации по ядерным исследованиям (СЕКИ) в Женеве. В 1979 году Саламу и Вайнбергу была присуждена Нобелевская премия[3], хотя непосредственных наблюдений частиц W и Z не имелось вплоть до 1983 года.

Сильное ядерное взаимодействие может быть самостоятельно перенормировано в теории, которая называется квантовой хромодинамикой (КХД). Согласно КХД, протон, нейтрон и многие другие элементарные частицы материи состоят из кварков. Кварки обладают специфическим свойством, которое физикам пришлось назвать цветом. От этого и возник термин «хромодинамика», хотя цвет кварков просто удобное обозначение, не имеющее никакого отношения к видимому цвету. Кварки бывают трех так называемых цветов: красного, зеленого и синего. Кроме того, каждый кварк имеет соответствующую ему античастицу, а цвета этих частиц называются антикрасный, антизеленый и антисиний. Идея состоит в том, что только бесцветные сочетания могут существовать как свободные частицы. Есть два пути получить такие «бесцветные» сочетания кварков. Цвет и его антицвет уничтожают друг друга, так что кварк и антикварк образуют бесцветную пару — нестабильную частицу мезон. То же происходит, когда смешиваются три цвета (или антицвета), приводя в результате к отсутствию цвета. Три кварка, по одному каждого цвета, образуют стабильную частицу барион, примерами которого служат протон и нейтрон (а три антикварка образуют античастицу для бариона). Протоны и нейтроны — это барионы, составляющие ядро атома и основу всей обычной материи во Вселенной.

Барионы и мезоны. Считается, что барионы и мезоны состоят из кварков, связанных вместе сильным ядерным взаимодействием. Когда такие частицы сталкиваются, они могут обмениваться кварками, но наблюдать отдельные кварки невозможно.

КХД также обладает свойством, которое называют асимптотической свободой. Этого свойства мы коснулись в главе 3, хотя и не употребляли данного термина. Асимптотическая свобода означает, что сильные ядерные взаимодействия между кварками малы в тех случаях, когда кварки плотно прижаты друг к другу, но они возрастают, если кварки попытаться разъединить, — тогда они ведут себя так, будто связаны резиновой лентой. Асимптотическая свобода объясняет, почему мы не можем видеть отдельные кварки в природе и не могли получить их в лаборатории. И все же, хотя и нет возможности наблюдать отдельные кварки, мы принимаем эту модель, поскольку она очень хорошо объясняет поведение протонов, нейтронов и других частиц материи.

В 1970-е годы, после объединения слабого ядерного и электромагнитного взаимодействий, физики стали искать способ, как включить в эту теорию и сильное ядерное взаимодействие. Существует несколько так называемых теорий Великого объединения (ТВО), которые объединяют сильное взаимодействие со слабым и с электромагнитным, но в большинстве своем они предсказывают, что протоны — то, из чего мы созданы, — должны распадаться в среднем примерно через 1032 лет. Это очень долгое время жизни, учитывая, что возраст Вселенной всего около 1010 лет. Но в квантовой физике, если мы говорим, что средняя продолжительность жизни частицы равна 1032 лет, то не имеем в виду, что большинство частиц живет примерно 1032 лет: одни из них — чуть больше, другие — чуть меньше. Мы только хотим сказать, что ежегодно каждая частица может разрушиться с вероятностью один шанс из 1032. Это значит, что если вы наблюдаете за емкостью, в которой находится 1032 протонов на протяжении всего нескольких лет, то должны увидеть, как распадется несколько протонов. Изготовить такую емкость не так уж трудно, поскольку 1032 протонов содержится всего в тысяче тонн воды. Ученые провели такие эксперименты. Оказалось, что выявить распады протонов и выделить их среди похожих событий, которые вызваны космическими лучами, непрерывно льющимися на нас из космоса, — дело непростое. Чтобы минимизировать помехи, эксперименты проводились глубоко под землей, например в шахте горнометаллургической компании «Камиока» в Японии, на глубине 3281 фут под горой, что в определенной степени давало защиту от космических лучей. В результате наблюдений, проведенных в 2009 году, исследователи пришли к выводу: если протоны вообще распадаются, то время их жизни превышает 1034 лет, что стало плохой новостью для теорий Великого объединения.

Поскольку с помощью других экспериментов также не удалось обнаружить свидетельств в поддержку ТВО, большинство физиков стало придерживаться особой теории, которую назвали Стандартной моделью. Она включает в себя единую теорию электрослабых взаимодействий и КХД в качестве теории сильных взаимодействий. Но в Стандартной модели электрослабые и сильные взаимодействия действуют раздельно и по-настоящему не объединены. Стандартная модель оказалась весьма удачной, она согласуется со всеми имеющимися наблюдениями, но в конечном счете она неудовлетворительна, так как не только не объединяет электрослабые и сильные взаимодействия, но и не охватывает гравитацию.

Может оказаться трудным объединить в одну теорию сильное взаимодействие с электромагнитным и слабым взаимодействиями, но эти проблемы ничто по сравнению с проблемой присоединения гравитационного воздействия к трем другим или даже с созданием отдельной квантовой теории гравитации.

Причина, по которой оказалось так трудно создать квантовую теорию гравитации, имеет нечто общее с принципом неопределенности Гейзенберга, рассмотренным нами в главе 4. Это не очевидно, но оказалось, что, согласно этому принципу, величина поля и скорость его изменения играют ту же роль, что и положение и скорость частицы, то есть чем точнее определено одно, тем менее точно может быть определено другое. Важное следствие из этого заключается в том, что такого образования, как пустое пространство, нет. Это потому, что пустое пространство подразумевает, что оба значения — величина поля и скорость его изменения — строго равны нулю (в противном случае пространство не было бы пустым). А поскольку принцип неопределенности не позволяет ни полю, ни скорости его изменения обладать точным значением, то пространство никогда не бывает пустым. Оно может находиться в состоянии минимальной энергии, которое называется вакуумом, но это состояние подвержено так называемому квантовому дрожанию, или вакуумным флуктуациям, когда частицы и поля то появляются, то исчезают.

«Боюсь, что даже поместив все это в одну рамку, мы не получили единой теории».

Вакуумные флуктуации можно рассматривать как пары частиц, которые в какое-то время появляются вместе, разлетаются, потом соединяются и аннигилируют. На диаграммах Фейнмана они изображаются замкнутыми контурами. Эти частицы называются виртуальными. В отличие от реальных виртуальные частицы нельзя непосредственно наблюдать с помощью детектора частиц. Однако можно измерить их косвенные проявления, такие как небольшие изменения энергии электронных орбит, и эти измерения с высокой степенью точности согласуются с теоретическими предсказаниями. Проблема в том, что у виртуальных частиц есть энергия, а поскольку виртуальных пар бесконечное множество, то они могут обладать бесконечным количеством энергии. В соответствии с общей теорией относительности это означает, что они могут искривить Вселенную до бесконечно малого размера, чего на самом деле не происходит.

Эти проклятые бесконечности напоминают ту же проблему, что и в теориях сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, кроме тех случаев, в которых перенормировка приводит к устранению бесконечностей. Но замкнутые контуры на диаграммах Фейнмана для гравитации порождают такие бесконечности, которые не могут быть поглощены перенормировкой, поскольку в общей теории относительности нет достаточного числа перенормируемых параметров, чтобы удалить из теории все квантовые бесконечности. В результате мы остались с теорией гравитации, которая предсказывает, что определенные величины, такие как кривизна пространства-времени, являются бесконечными, что никоим образом не вписывается в пригодную для жизни Вселенную. Это означает, что единственная возможность получить практичную теорию — это каким-то образом избавиться от бесконечностей, не прибегая к перенормировке.

В 1976 году было найдено возможное решение этой проблемы. Оно называется теорией супергравитации. Слово «супер» было добавлено вовсе не из-за надежд физиков на то, что было бы «супер», если бы эта теория квантовой гравитации действительно оказалась работающей. «Супер» в данном случае относится к типу симметрии, присущему этой теории и называемому суперсимметрией.

В физике говорят, что система обладает симметрией, если на ее свойства не влияет определенная трансформация, такая, скажем, как вращение в пространстве или получение ее зеркального отображения. Например, если вы перевернете бублик, он все равно будет выглядеть точно таким же (если только с одной стороны он не покрыт шоколадом — в этом случае его лучше просто съесть). Суперсимметрия — это более тонкий вид симметрии, ее нельзя связать с трансформацией в обычном пространстве. Одно из важных значений суперсимметрии состоит в том, что силовые частицы и материальные частицы, а следовательно, сила и материя на самом деле всего лишь две грани одного и того же явления. Практически это означает, что каждая материальная частица, такая как кварк, должна иметь парную силовую частицу, а каждая силовая частица, такая как фотон, должна иметь парную материальную частицу. Здесь есть возможность для решения проблемы бесконечностей, так как оказывается, что бесконечности от замкнутых контуров силовых частиц положительны, а бесконечности от замкнутых контуров материальных частиц отрицательны, а значит, бесконечности, возникающие из силовых частиц и из парных им материальных частиц, имеют тенденцию взаимно уничтожаться. К сожалению, расчеты, необходимые, чтобы выяснить, останутся ли в супергравитации бесконечности, избежавшие уничтожения, оказались столь длинными и сложными, а кроме того, подверженными столь большим возможностям возникновения ошибок, что никто не решился за них взяться. Тем не менее большинство физиков поверили, что супергравитация была, вероятно, правильным ответом на проблему объединения гравитации в единую теорию с другими видами фундаментальных взаимодействий.

Вы могли подумать, что обоснованность суперсимметрии было бы легко проверить — стоит только понаблюдать за свойствами существующих частиц и увидеть, объединяются ли они в пары. Таких парных частиц не наблюдалось. Но физики провели множество расчетов, которые показывают, что частицы, парные тем, которые наблюдаются, должны быть массивнее протона в тысячу раз, если не больше. На сегодняшний день слишком трудно обнаружить такие частицы экспериментальным путем, но есть надежда, что они все-таки будут получены на крупнейшем в мире ускорителе заряженных частиц — Большом адронном коллайдере, расположенном близ Женевы, на территории Швейцарии и Франции.

Концепция суперсимметрии явилась основой для создания теории супергравитации, но первоначально эта концепция возникла на несколько лет раньше у теоретиков, занимавшихся новой теорией, названной теорией струн. Согласно теории струн, частицы представляют собой не точки, а вибрирующие отрезки, имеющие длину, но не имеющие высоты и ширины — что-то вроде бесконечно тонких отрезков струны. Теории струн тоже приводят к бесконечностям, но считается, что в правильной версии эти бесконечности уничтожатся. Эти теории имеют другое необычное свойство: они применимы только для десятимерного пространства-времени, но не для обычного четырехмерного. Десять измерений — это может звучать заманчиво для ученых, но если в таком пространстве вы забудете, где припарковали свою машину, у вас будут серьезные затруднения. Если эти дополнительные измерения действительно существуют, то почему же мы их не замечаем? Согласно теории струн, они искривлены в пространстве очень малого размера. Чтобы ощутить это, представьте себе двухмерную плоскость. Мы называем ее двухмерной, потому что для определения точки на ней требуется лишь два числа (например, горизонтальная и вертикальная координаты). Другое двухмерное пространство — поверхность соломинки. Чтобы определить положение точки в этом пространстве, нужно знать, где находится эта точка по длине соломинки и где — по ее окружности. Но если соломинка очень тонкая, вы получите весьма хорошее приблизительное положение, используя только координату вдоль длины соломинки, так что можно будет пренебречь измерением по окружности. Если же соломинка имеет диаметр в одну миллионную миллионной миллионной миллионной миллионной дюйма, то вы вообще не заметите ее размера по окружности. Так выглядят дополнительные измерения в представлении «струнных» теоретиков — сильно искривленными в столь малом масштабе, что не видны нам. В теории струн дополнительные измерения свернуты в так называемое внутреннее пространство, что отличается от трехмерного пространства, с которым мы имеем дело в повседневной жизни. Как мы увидим далее, эти внутренние состояния имеют важное физическое значение, а вовсе не представляют собой всего лишь скрытые измерения, так сказать, заметенные под ковер.

Кроме вопроса об измерениях теория струн отягощена еще одним затруднением: появилось по меньшей мере пять разных теорий и миллионы способов того, как эти дополнительные измерения могут быть свернуты, что вызвало большие затруднения у ее защитников, утверждавших, что теория струн — единственная, которая может называться теорией всего. Позднее, примерно в 1994 году, ученые начали открывать двойственности: оказалось, что различные теории струн и различные способы сворачивания дополнительных измерений — это лишь разные способы описания одних и тех же явлений в четырехмерном пространстве. Более того, обнаружилось, что теория супергравитации подобным же образом связана с другими теориями. И приверженцы теории струн теперь согласны с тем, что пять различных теорий струн и теория супергравитации — это лишь разные предпосылки к более фундаментальной теории, но каждая из них применима к той или иной ситуации.

Соломинки и линии. Соломинка на картинке двухмерна, но если ее диаметр довольно маленький или если смотреть издали, она кажется одномерной, как линия.

О том, что эта более фундаментальная теория называется М-теорией, мы уже упоминали. Похоже, никто не знает, что означает «М». Это может быть master (лучший), miracle или mystery (тайна). А похоже, что и все три слова сразу. Ученые по-прежнему стараются разгадать природу М-теории, но это может оказаться и недостижимым. Возможно, что характерная для физиков надежда обрести единую теорию природы окажется тщетной и единой формулировки не существует. А возможно, для описания Вселенной в разных ситуациях придется применять разные теории. Каждая теория может иметь собственную версию реальности, но, согласно моделезависимому реализму, это приемлемо, только если в местах взаимного перекрытия разные теории всегда дают одни и те же прогнозы, то есть можно пользоваться любой из них.

Независимо от того, существует ли М-теория как единое представление или как система разных теорий, нам известны некоторые из ее свойств. Во-первых, в ней имеется одиннадцать, а не десять пространственно-временных измерений.

Сторонники теории струн давно подозревали, что предсказание десяти измерений придется уточнить, и недавние работы показали, что одно измерение действительно было пропущено. Также М-теория может рассматривать не только вибрирующие струны, но и точечные частицы, двухмерные мембраны, трехмерные капли и другие объекты, которые трудно изобразить и которые требуют еще больше — до девяти — пространственных измерений. Такие объекты называются р-бранами (р-мерная мембрана), где «р» может принимать значения от 0 до 9.

А как же огромное число способов, с помощью которых можно свернуть крошечные измерения? В М-теории эти дополнительные пространственные измерения не могут быть свернуты как угодно. Математика этой теории ограничивает способы сворачивания измерений внутреннего пространства. Точная форма внутреннего пространства определяет и значения физических констант, таких как заряд электрона, и природу взаимодействий между элементарными частицами. Иными словами, она определяет очевидные законы природы. Мы говорим «очевидные», поскольку речь идет о законах, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной, — это законы четырех сил (фундаментальных взаимодействий) и такие параметры, как масса и заряд, характеризующие свойства элементарных частиц.

Но законы М-теории более фундаментальны, поэтому они допускают существование различных вселенных с различными очевидными законами в зависимости от того, как у них свернуто внутреннее пространство. М-теория содержит такие решения, согласно которым допустимо существование множества различных внутренних пространств; их возможное число может доходить до 10500. Это означает, что, в соответствии с М-теорией, могут существовать 10500 вселенных, у каждой из которых свои законы. Чтобы ощутить, насколько это много, представьте, что если бы кто-то задался целью проанализировать законы, предсказанные для этих вселенных, затрачивая всего одну миллисекунду на каждую из них, и приступил бы к работе в момент Большого взрыва, то к настоящему времени он изучил бы лишь 1020 из них. И это без всяких перерывов на кофе!

Столетия назад Ньютон показал, что математические уравнения могут дать поразительно точное описание того, как взаимодействуют объекты — хоть на Земле, хоть на небесах. Ученые пришли к убеждению, что будущее всей Вселенной можно увидеть, если только иметь надлежащую теорию и достаточные вычислительные возможности. Потом появились квантовая неопределенность, искривленное пространство, кварки, струны и дополнительные измерения, а как итог всего этого — 10500 вселенных, каждая со своими законами, и лишь одна из них та Вселенная, которая известна нам. Вероятно, придется распрощаться с первоначальной надеждой физиков создать единую теорию, объясняющую очевидные законы нашей Вселенной как единственно возможное следствие нескольких простых допущений. Где же тогда оказываемся мы? Если М-теория допускает наличие 10500 наборов очевидных законов, то как же мы угодили именно в ту Вселенную, где действуют законы, которые очевидны для нас? И как быть со всеми остальными возможными мирами?

6. Выбирая нашу вселенную

В мифологии народа бушонго, живущего в Центральной Африке, говорится, что изначально существовали только темнота, вода и великий бог Бумба. Однажды Бумбу из-за боли в животе стошнило, и он изверг солнце. Через некоторое время солнце высушило часть воды, в результате чего возникла суша. Но живот у Бумбы все еще болел, и его продолжало тошнить. Так появились луна, звезды, затем некоторые животные: леопард, крокодил, черепаха — и наконец человек. Племена майя на территории Мексики в Центральной Америке описывают похожую картину, предшествующую сотворению мира: существовали только море, небо и Творец. В одной из легенд майя Творец, несчастный оттого, что некому было прославлять его, создал землю, горы, деревья и большинство животных. Но животные не умели разговаривать, и тогда он решил создать людей. Сначала он сделал их из грязи и земли, но они говорили всякую ерунду. Оставив их разваливаться, он предпринял вторую попытку, на этот раз вырезав людей из дерева. Но эти люди получились тупыми. Он решил уничтожить их, но они сбежали в лес, получив по пути повреждения, которые немного изменили их, превратив в существа, называемые сегодня обезьянами. После этого фиаско Творец нашел, наконец, подходящий состав и создал первых людей из белых и желтых зерен кукурузы. Сегодня из кукурузы мы делаем этиловый спирт, но так и не можем потягаться с достижением Творца, создавшего людей, которые этот спирт пьют.

Подобные мифы о сотворении мира пытались ответить на вопросы, которые и мы задаем в этой книге: почему существует Вселенная и почему она такая, как есть. Наша способность обращаться к этим вопросам постоянно возрастала в течение столетий со времен древних греков, а особенно сильно выросла за прошлое столетие. И теперь, вооруженные знаниями из предыдущих глав, мы готовы предложить возможный ответ на эти вопросы.

Даже в древние времена могло быть очевидным, что либо Вселенная совсем недавнее творение, либо люди существовали на протяжении лишь очень краткого периода космической истории. Поскольку знания и техника людей развивались весьма быстро, то если бы люди существовали миллионы лет, человечество в своем развитии ушло бы гораздо дальше.

Согласно Ветхому Завету, Бог создал Адама и Еву всего через шесть дней после сотворения мира. Епископ Ашшер, Примас всей Ирландии с 1625 по 1656 год, определил начало мира более точно: в 9 часов утра 27 октября 4004 года до н. э. Мы придерживаемся другого мнения: люди появились сравнительно недавно, но сама Вселенная зародилась много раньше — около 13,7 миллиарда лет назад.

Первое действительно научное свидетельство того, что Вселенная имела начало, появилось в 1920-х годах. Как мы уже говорили в главе 3, в то время большинство ученых полагали, что Вселенная статична и существовала всегда. Свидетельство обратного было косвенным, основанным на наблюдениях американского астронома Эдвина Хаббла, которые он выполнил на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон, расположенной на холмах над Пасаденой в Калифорнии. Проанализировав спектры света, приходящего от далеких галактик, Хаббл определил, что почти все галактики удаляются от нас, и чем дальше они находятся, тем быстрее удаляются. В 1929 году он опубликовал закон об отношении скорости их удаления к расстоянию от нас и сделал вывод, что Вселенная расширяется. Если это так, то в прошлом Вселенная должна была быть меньше. Действительно, если экстраполировать процесс в далекое прошлое, то вся материя и энергия во Вселенной должны были быть сконцентрированы в совсем крошечном объеме с невообразимой плотностью и температурой. Если же мы заглянем в прошлое достаточно далеко, то обнаружим, что должен быть тот момент, с которого все началось, — сегодня мы называем это событие Большим взрывом.

Представление о том, как Вселенная расширяется, имеет некоторую тонкость. Например, мы не имеем в виду, что Вселенная расширяется таким образом, как, скажем, кто-то может расширить свой дом, снося стену и пристраивая новую комнату на месте, где раньше стоял величественный дуб. Пространство, скорее, растягивается — расстояния между любыми двумя точками внутри Вселенной постоянно увеличиваются.

Такое представление возникло в 1930-х годах в обстановке больших противоречий, но одним из наиболее удачных способов для иллюстрации процесса расширения Вселенной до сих пор является метафора, предложенная в 1931 году английским астрономом Артуром Эддингтоном (1882–1944) из Кембриджского университета. Он уподобил Вселенную поверхности надуваемого резинового шарика, а все галактики — точкам на этой поверхности. Эта картина ясно показывает, почему дальние галактики удаляются быстрее, чем ближние. Например, если радиус шара увеличивается вдвое каждый час, то и расстояние между двумя галактиками на шаре будет каждый час удваиваться.

Если в какое-то время две галактики находятся в одном дюйме друг от друга, то через час они окажутся в двух дюймах друг от друга, то есть они будут выглядеть удаляющимися одна от другой со скоростью один дюйм в час. Но если начальное расстояние между ними было два дюйма, то час спустя между ними будет уже четыре дюйма, — следовательно, скорость их взаимного удаления будет равна двум дюймам в час. Это как раз то, что и обнаружил Хаббл: чем галактика дальше, тем быстрее она от нас удаляется.

Важно понимать, что расширение пространства не влияет на размер материальных объектов, таких как галактики, звезды, яблоки, атомы и другие тела, удерживаемые вместе той или иной силой. Например, если мы обведем в круг группу галактик на шаре, этот круг не будет расширяться вместе с шаром. Поскольку галактики удерживаются гравитационными силами, при увеличении шара нарисованный нами круг и галактики внутри него будут сохранять свои размеры и очертания. Это нужно учитывать, потому что мы можем выявить расширение, только если наши измерительные инструменты имеют фиксированные размеры. Если бы все свободно расширялось, то мы сами, наша измерительная рулетка и наши лаборатории расширялись бы пропорционально расширению пространства, и мы бы не заметили никакой разницы.

Для Эйнштейна утверждение о расширении Вселенной оказалось новостью. Но предположение о возможности того, что галактики удаляются друг от друга, было высказано им на теоретических предпосылках еще за несколько лет до статей Хаббла. В 1922 году российский физик и математик Александр Фридман (1888–1925) рассмотрел, что должно произойти в модельной Вселенной, основанной на двух допущениях, значительно упрощающих математические расчеты: что Вселенная выглядит одинаково в любом направлении и что она выглядит так из любой точки наблюдения. Сейчас мы знаем, что первое допущение Фридмана не совсем верно — к счастью, Вселенная не везде одинакова! Если мы посмотрим в одну сторону, то можем увидеть Солнце, в другую — Луну или стаю мигрирующих летучих мышей. Но Вселенная выглядит примерно одинаковой в любом направлении, если рассматривать ее в гораздо более крупном масштабе — даже крупнее, чем расстояния между галактиками. Это что-то вроде взгляда на лес с высоты птичьего полета. Если вы достаточно близко, то можете увидеть отдельные листья или хотя бы деревья и промежутки между ними. Но если вы так высоко, что большим пальцем можете заслонить квадратную милю леса, то деревья сольются в единое зеленое пятно. И в таком масштабе мы бы сказали, что лес однороден.

Вселенная в виде воздушного шарика. Удаление других галактик от нас можно представить, вообразив, что весь космос распластался по поверхности постоянно раздувающегося гигантского воздушного шарика.

Основываясь на своих допущениях, Фридман смог найти решение уравнений Эйнштейна, при котором Вселенная расширялась именно так, как вскоре предстояло обнаружить Хабблу. В частности, в модели Фридмана Вселенная начинается с нулевого размера и расширяется до тех пор, пока гравитационное притяжение не остановит это расширение и в конечном счете не приведет ее к сжатию внутрь самой себя. (Как оказалось, есть два других типа решений уравнений Эйнштейна, тоже удовлетворяющих допущениям модели Фридмана: одно — соответствующее Вселенной, в которой расширение продолжается вечно, хотя и с небольшим замедлением, а другое — для Вселенной, в которой скорость расширения постоянно замедляется, стремясь к нулю, но никогда его не достигая.) Фридман умер через несколько лет после публикации своей работы, и его идеи оставались почти неизвестными вплоть до периода, последовавшего за открытием Хаббла. Но в 1927 году бельгийский профессор астрофизики, римско-католический священник Жорж Леметр (1894–1966) предложил похожую идею: если проследить историю мира назад, в прошлое, то Вселенная будет становиться все меньше и меньше, пока не наступит событие, приведшее к ее творению, — то, что мы сегодня называем Большим взрывом.

Сценарий с Большим взрывом нравится далеко не всем. И даже сам термин «Большой взрыв» придумал в 1949 году кембриджский астрофизик Фред Хойл (1915–2001), который считал, что Вселенная расширялась всегда, и использовал новый термин как иронический. Первые непосредственные наблюдения, подтверждающие эту идею, появились только в 1965 году, после обнаружения слабого микроволнового фонового излучения, исходившего от всего космоса. Это космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ, или реликтовое излучение) такое же, как в вашей микроволновке, но мощность его гораздо меньше. Вы можете наблюдать КМФИ, настроив телевизор на неработающий канал, — несколько процентов от увиденного на экране «снега» будет вызвано этим излучением. КМФИ было открыто случайно двумя американскими учеными из корпорации «Белл Лабз», пытавшимися устранить шум от своей микроволновой антенны. Сначала они думали, что этот шум вызван статическим электричеством, источником которого могли быть кучи птичьего помета — от голубей, ночевавших внутри антенны, имеющей вид огромного раструба. Но оказалась, что у их проблемы более интересное происхождение: КМФИ — это излучение, оставшееся после очень горячей и плотной ранней Вселенной, которая существовала вскоре после Большого взрыва. По мере расширения она остывала, пока излучение не превратилось в тот слабый остаток, который мы наблюдаем сегодня. В настоящее время эти микроволны смогут разогреть вашу пищу только до — 270 °C, что лишь на три градуса выше абсолютного нуля и не очень подходит для приготовления попкорна.

Астрономы обнаружили также и другие свидетельства, подтверждающие связь Большого взрыва с горячей и крохотной ранней Вселенной. Так, примерно в течение одной минуты после взрыва температура Вселенной была выше, чем в центре типичной звезды. В это время вся Вселенная работала как термоядерный реактор. Реакции прекратились, когда Вселенная достаточно расширилась и остыла, но, согласно теории, к этому времени она должна была состоять в основном из водорода и на 23 % из гелия, с небольшой примесью лития и бериллия (все более тяжелые элементы появились позже внутри звезд). Расчеты хорошо согласуются с теми количествами гелия, водорода, лития и бериллия, которые мы наблюдаем.

Измерения содержания гелия и КМФИ стали убедительными свидетельствами в пользу сценария Большого взрыва как правдоподобного описания ранней Вселенной. Но не нужно воспринимать Большой взрыв буквально, то есть думать, что теория Эйнштейна дает истинную картину происхождения Вселенной. Потому что общая теория относительности предсказывает лишь, что должна была иметься точка во времени, когда температура, плотность и кривизна Вселенной были бесконечны, — ситуация, которую математики называют сингулярностью. Для физиков это означает, что в этой точке теория Эйнштейна перестает действовать и потому не может быть использована для предсказания того, как Вселенная началась. Эта теория пригодна только для рассмотрения последующего развития мира. Поэтому, хотя мы можем пользоваться уравнениями общей теории относительности и нашими наблюдениями неба, чтобы узнать, какой была Вселенная в ее раннем возрасте, было бы неверным распространять сценарий Большого взрыва на весь путь, вплоть до самого начала.

К вопросу о происхождении Вселенной мы вскоре вернемся, но прежде несколько слов о первой фазе ее расширения. Физики называют ее инфляцией. Если вы не живете в Зимбабве, где денежная инфляция недавно превысила 200 000 000 процентов, то этот термин не должен вас шокировать. Но даже по самым осторожным оценкам во время той космологической инфляции Вселенная расширилась в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз за 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 долю секунды. Это как если бы монетка диаметром 1 см мгновенно стала в десять миллионов раз шире нашей Галактики — Млечного Пути. Такое явление может показаться нарушением теории относительности, которая гласит, что скорость света не может быть превышена ничем, но это ограничение скорости неприменимо к расширению самого пространства.

Впервые предположение, что такой эпизод инфляции мог произойти, было выдвинуто в 1980 году на основе рассуждений, выходящих за рамки общей теории относительности Эйнштейна и с учетом аспектов квантовой теории. Поскольку у нас нет полной квантовой теории гравитации, детали все еще прорабатываются, и физики не имеют полной уверенности в том, как именно происходила инфляция. Но согласно теории, расширение, вызванное инфляцией, не было бы полностью однородным, как предсказано традиционной моделью Большого взрыва. Такие неоднородности привели бы к крошечным различиям в температуре КМФИ в различных направлениях. Эти отклонения слишком малы, поэтому их невозможно было заметить с помощью тех приборов, которыми пользовались в 1960-е годы. Впервые их обнаружили в 1992 году спутником СОВЕ, запущенным NASA, а позднее они были измерены пришедшим ему на смену в 2001 году спутником WMAP. В результате этого теперь мы уверены, что инфляция действительно была.

Хотя крохотные отклонения в КМФИ представляют собой доказательство инфляции, но, как ни странно, одна из причин того, что инфляция является важной концепцией, — это почти полная однородность температуры КМФИ. Если вы нагреете одну часть объекта до температуры более высокой, чем его окружение, и подождете, то горячее пятно будет охлаждаться, а окружение нагреваться, пока температура не уравняется. Таким образом, можно ожидать, что в конце концов Вселенная примет однородную температуру. Но этот процесс требует времени, и если бы не произошло инфляции, то в истории Вселенной не хватило бы времени, чтобы нагреть расположенные далеко друг от друга области до равной температуры, учитывая, что скорость такой передачи тепла ограничена скоростью света. Период очень быстрого расширения (гораздо быстрее скорости света) устраняет эту трудность, так как тогда имелось бы достаточно времени, чтобы произошло выравнивание температуры в пределах весьма крошечной доинфляционной ранней Вселенной.

Инфляция объясняет природу взрыва при Большом взрыве, по крайней мере в том смысле, почему расширение, коим он является, было гораздо интенсивнее, чем расширение, предсказанное традиционной теорией Большого взрыва с точки зрения общей теории относительности для того временного интервала, в котором произошла инфляция. Проблема в том, что, для того чтобы наши теоретические модели инфляции работали, начальное состояние Вселенной должно было быть установлено весьма специфическим путем, который почти невероятен. Так что традиционная теория инфляции решает одни вопросы, но ставит другие, а именно: необходимость весьма специфического начального состояния. Этот вопрос нулевого времени не устранен в теории создания Вселенной, которую мы сейчас опишем.

Поскольку мы не можем описать сотворение мира при помощи общей теории относительности Эйнштейна, то, если мы хотим описать происхождение Вселенной, общую теорию относительности надо заменить более полной теорией. Можно ожидать, что более полная теория все равно необходима, даже если бы общая теория относительности не рухнула, поскольку она не учитывает мелкомасштабные структуры материи, подчиняющиеся квантовой теории. В главе 4 мы упоминали, что для большинства практических нужд квантовая теория не имеет существенного значения при исследовании крупномасштабной структуры Вселенной, поскольку эта теория применяется для описания природы на микроуровнях. Но если вернуться в чрезвычайно далекое прошлое, то обнаружится, что размер Вселенной выражается в так называемых планковских единицах, применяющихся для сверхмалых величин. Поперечник Вселенной в то время составлял бы одну миллиардную триллионной триллионной доли сантиметра, а в этом масштабе квантовую теорию необходимо принимать во внимание. И хотя у нас еще нет полной квантовой теории гравитации, мы знаем, что начало Вселенной было квантовым событием. В результате, когда мы объединили квантовую теорию с общей теорией относительности (по крайней мере, временно), чтобы получить теорию инфляции, и хотим вернуться еще дальше, чтобы понять происхождение Вселенной, мы должны объединить все наши знания по общей теории относительности с квантовой теорией.

Искривление пространства. Материя и энергия искривляют пространство, изменяя траектории движения объектов.

Чтобы разобраться, как это работает, нам нужно понять принцип, по которому гравитация искривляет пространство и время. Наглядно изобразить искривление пространства проще, чем искривление времени. Представьте себе, что поверхность бильярдного стола — это Вселенная. Такая поверхность представляет собой плоское пространство, по крайней мере когда мы примем во внимание только два измерения. Если вы покатите по столу шар, он будет двигаться по прямой. Но если стол будет где-то искривлен или на нем будет впадина (как показано на иллюстрации), то траектория движения шара отклонится от прямой.

Можно легко заметить, как в этом примере искривляется бильярдный стол, потому что он изгибается внутрь или наружу в третьем измерении, которое мы можем видеть. Представить искривление пространства-времени в нашей Вселенной труднее, поскольку мы не можем выйти из нашего собственного пространства-времени, чтобы увидеть это искривление со стороны. Но искривление может быть выявлено, даже если вы и не в состоянии оказаться снаружи и взглянуть на него в масштабе более крупного пространства. Его можно обнаружить изнутри того же самого пространства. Представьте себе микроскопического муравья, для которого пространство ограничено поверхностью стола. Далее не имея возможности покинуть стол, муравей может выявить искривление путем точного определения расстояний. Например, длина окружности в плоском пространстве всегда чуть больше, чем троекратная длина его диаметра (точная величина получается умножением диаметра на л). Но если муравей пойдет напрямик с одной стороны окружности, очерчивающей впадину на столе (см. ил., с. 151), на другую ее сторону, то он обнаружит, что расстояние до дальнего края больше, чем ожидаемая одна треть длины окружности. В случае же, если впадина достаточно глубока, муравей может даже обнаружить, что путь вокруг короче, чем напрямик. То же самое справедливо и относительно искривления пространства в нашей Вселенной: это искривление вытягивает или сжимает расстояния между точками пространства, изменяя его геометрию или форму так, что это можно измерить изнутри Вселенной. Искривление времени растягивает или сжимает интервалы времени аналогичным образом.

Вооружившись этими идеями, давайте вернемся к вопросу о том, как начиналась Вселенная. Мы можем говорить о пространстве и времени раздельно (как мы уже и поступали в этом обсуждении), когда рассматриваем ситуации с низкими скоростями и слабой гравитацией. Вообще же время и пространство могут оказаться тесно переплетенными, и потому процессы их растягивания и сжатия тоже в какой-то степени смешиваются. Это смешивание играло важную роль в ранней Вселенной и является ключом к пониманию начала времени.

Искривление пространства-времени. Материя и энергия искривляют время, из-за чего временное измерение переплетается с пространственным.

Вопрос о начале времени отчасти напоминает вопрос о крае мира. Когда люди представляли себе мир плоским, они задумывались, не выльется ли море через край. Это было проверено на опыте, и оказалось, что можно обойти мир вокруг и никуда не упасть. Вопрос о том, что же происходит на краю мира, решился, когда люди поняли, что мир представляет собой не плоскость, а искривленную поверхность. Время, однако, выглядело похожим на образцовый железнодорожный путь. Если бы у него было начало, то должен был бы иметься некто (то есть Бог), кто запустил бы движение поездов. Хотя общая теория относительности Эйнштейна объединила время и пространство в виде пространства-времени и включила в рассмотрение определенное смешивание пространства и времени, время по-прежнему отличается от пространства и либо имеет начало и конец, либо длится вечно. Однако как только мы добавляем эффекты квантовой теории к теории относительности, в предельных случаях искривление может оказаться столь существенным, что время поведет себя как другое пространственное измерение.

В ранней Вселенной — когда она была столь малой, что ею могли управлять как общая теория относительности, так и квантовая теория, — фактически имелось четыре измерения в пространстве и ни одного во времени. Это означает, что когда мы говорим о начале Вселенной, то касаемся тонкого вопроса: ведь когда мы смотрим назад, на самую раннюю Вселенную, то времени в нашем обычном понимании там не существовало! Мы должны признать, что наши привычные представления о пространстве и времени неприменимы к самой ранней Вселенной. Это за пределами нашего обычного понимания, но не за пределами нашего воображения или нашей математики. Если в ранней Вселенной все четыре измерения вели себя как пространственные, то что же происходит с началом времени?

Осознание того, что время может вести себя как еще одно направление в пространстве, дает возможность избавиться от той проблемы, что у времени должно быть начало, подобно тому как мы избавились от представления о крае мира. Предположим, что начало Вселенной — это нечто вроде Южного полюса Земли, а градусы широты играют роль времени. Окружности с постоянной широтой (на географической карте они называются параллелями) будут изображать размер Вселенной. По мере движения от Южного полюса на север эти окружности расширяются. Вселенная началась как точка на Южном полюсе, но Южный полюс мало чем отличается от любой другой точки. Спрашивать, что было до начала Вселенной, станет бессмысленно, потому что южнее Южного полюса ничего нет. В этом примере пространство-время не имеет границы — на Южном полюсе законы природы такие же, как и в других местах. Аналогично этому, когда общую теорию относительности объединяют с квантовой теорией, вопрос о том, что произошло до начала Вселенной, выглядит бессмысленным. Это представление о том, что истории Вселенной должны иметь вид замкнутых поверхностей без границ, называется условием безграничности.

В течение столетий многие, включая Аристотеля, чтобы избежать вопроса, как возникла Вселенная, полагали, что она должна была существовать всегда. Другие считали, что Вселенная имела начало, и использовали это как аргумент для доказательства бытия Бога. Понимание того, что время ведет себя подобно пространству, дает новую альтернативу. Это развеивает вековое возражение по поводу того, что Вселенная имела начало, но также означает, что началом Вселенной управляли научные законы и не было нужды в том, чтобы ее привел в движение некий Бог.

Если происхождение Вселенной было квантовым событием, оно должно точно описываться фейнмановской суммой историй. Однако непросто применить квантовую теорию ко всей Вселенной, где наблюдатели — часть наблюдаемой системы. В главе 4 мы видели, как частицы материи, пролетевшие через двухщелевую преграду, создали интерференционный узор, подобно волнам на воде. Фейнман объяснил это тем, что частица не имеет единственной истории, то есть, двигаясь из начальной точки А в конечную точку В, она следует не по одной определенной траектории, а одновременно по всем возможным траекториям, соединяющим эти точки. С такой позиции интерференция не удивительна, потому что частица, например, может проходить одновременно через обе щели и интерферировать сама с собой, без взаимодействия с другими частицами. Применительно к движению частицы метод Фейнмана говорит нам, что для вычисления вероятности попадания частицы в любую конечную точку нужно рассмотреть все возможные истории, по которым частица могла проследовать из начальной точки в конечную. Методы Фейнмана можно использовать, чтобы рассчитать квантовые вероятности для наблюдений Вселенной. Если их применить к Вселенной в целом, то не может быть никакой точки А, поэтому мы сложим все истории, которые удовлетворяют условию безграничности и заканчиваются во Вселенной, наблюдаемой нами сегодня.

В таком понимании Вселенная появилась самопроизвольно и начала развиваться всеми возможными путями. Большинство из них относится к другим вселенным. Хотя некоторые из тех вселенных похожи на нашу, большинство из них сильно отличаются от нее, причем отличаются не только в деталях (таких, например, как действительно ли Элвис Пресли умер молодым или подают ли морковь на десерт), главное — они отличаются даже своими очевидными законами природы. В действительности существует множество вселенных с множеством различных наборов физических законов. Кое-кто делает великую загадку из этой идеи, которую иногда называют концепцией мультивселенной, но это всего лишь иные выражения фейнмановской суммы по всем историям.

Чтобы представить себе это, изменим предложенную Эддингтоном аналогию с надувным шариком и вместо этого представим расширяющуюся Вселенную в виде поверхности пузыря. Наша картина самопроизвольного квантового возникновения Вселенной будет тогда немного напоминать появление пузырьков пара в кипящей воде. Множество крошечных пузырьков появляется, а потом снова исчезает. Они подобны мини-вселенным, которые расширяются, но тут же лопаются, будучи все еще микроскопического размера. Эти пузырьки представляют собой возможные альтернативные вселенные, но они не вызывают большого интереса, так как их жизнь слишком коротка, чтобы дать развиться галактикам и звездам, не говоря уж о разумной жизни. Однако некоторые пузырьки вырастают до столь крупных размеров, что уже не лопаются. Они будут продолжать расширяться со всё возрастающей скоростью и образуют пузырьки пара, которые мы можем видеть. Такие пузырьки соответствуют вселенным, начинающим расширение при постоянно растущей скорости, — иными словами, вселенным в состоянии инфляции.

Мультивселенная. Квантовые флуктуации ведут к появлению крохотных вселенных из ничего. Некоторые из них достигают критического размера, затем, благодаря инфляции, расширяются, формируя галактики, звезды и — по крайней мере в одном случае — существ вроде нас.

Как мы уже говорили, вызванное инфляцией расширение вселенных не совсем однородно. В сумме по историям есть лишь одна полностью однородная и регулярная история, и она будет иметь наибольшую вероятность. Но и многие другие, лишь слегка неоднородные, будут иметь почти такие же вероятности. Вот почему инфляция предсказывает, что ранняя Вселенная, скорее всего, была слегка неоднородной, что соответствует тем небольшим различиям в интенсивности, которые были обнаружены у космического микроволнового фонового излучения (КМФИ). С неоднородностями в ранней Вселенной нам повезло. Почему же повезло? Да потому что однородность хороша, если вы не хотите, чтобы сливки отделились от молока, но однородная вселенная — скучная вселенная. Неоднородности в ранней Вселенной важны потому, что если некоторые области имеют чуть большую плотность, чем остальные, то гравитационное притяжение избыточной плотности замедлит расширение этой области по сравнению с окружающими. Поскольку сила гравитации медленно стягивает материю, это в конечном счете может привести к коллапсу и образованию галактик и звезд, что повлечет за собой появление планет и по крайней мере в одном случае — людей. Поэтому посмотрите внимательно на карту неба в микроволновом диапазоне. Это проектный чертеж всех структур во Вселенной. Мы являемся продуктом квантовых флуктуаций в очень ранней Вселенной. Верующий человек мог бы сказать об этом: Бог действительно играет в кости со Вселенной.

Эта идея приводит к представлению о Вселенной, которое глубоко отличается от традиционной концепции и требует изменения нашего подхода к истории Вселенной. Чтобы делать прогнозы в космологии, нам нужно рассчитать вероятности различных состояний Вселенной в настоящее время. В физике обычно выдвигают предположение о некотором начальном состоянии системы, а затем рассматривают ее развитие во времени, используя соответствующие математические уравнения. Учитывая данные о состоянии системы в какое-то время, можно пытаться вычислить вероятность того, что система будет в каком-то другом состоянии в более позднем времени. В космологии обычно предполагают, что у Вселенной одна определенная история. Используя законы физики, можно рассчитать, как эта история развивается во времени. В космологии такой подход называется «снизу вверх». Но поскольку мы должны принимать во внимание квантовую природу Вселенной, выражаемую фейнмановской суммой по историям, то амплитуда вероятности того, что Вселенная сейчас находится в определенном состоянии, получается суммированием вкладов от всех историй, которые удовлетворяют условию безграничности и приводят к рассматриваемому (исходному) состоянию. Иными словами, в космологии не нужно прослеживать историю Вселенной «снизу вверх», поскольку это предполагает существование единственной истории с четко определенными исходной точкой и развитием. Вместо этого нужно проследить истории «сверху вниз», перемещаясь назад от настоящего времени. Некоторые истории будут более вероятны, чем другие, а в их сумме, как правило, будет преобладать единственная история, которая начинается с возникновения Вселенной и заканчивается в рассматриваемом состоянии. Но возможны и другие истории, которые привели бы к тому, что в настоящее время у Вселенной могли бы иметься иные состояния. Из этого проистекает совершенно другой взгляд на космологию и на отношение между причиной и следствием. Истории, включенные в фейнмановскую сумму, не имеют независимого существования, они зависят от того, что измеряется. Скорее мы создаем историю Вселенной своим наблюдением, чем ее история создает нас.

Микроволновый фон. Эта карта неба создана в 2010 году по данным, собранным спутником WMAP за семь лет. Различными цветами показаны флуктуации температуры, имевшие место 13,7 миллиарда лет назад. Амплитуда температурных различий составляет менее одной тысячной градуса Цельсия, и все же они стали теми семенами, из которых выросли галактики. (Карта: NASA и научная группа проекта WMAP)

То, что Вселенная не имеет единственной независимой от наблюдателя истории, может показаться несовместимым с определенными известными нам фактами. Возможна какая-нибудь история Вселенной, в которой Луна сделана из сыра рокфор. Но по нашим наблюдениям Луна сделана не из сыра, и это плохая новость для мышей. Значит, истории, в которых Луна сделана из сыра, не имеют значения для нынешнего состояния нашей Вселенной, хотя они могут иметь значение для других вселенных. Все это похоже на научную фантастику, но это вовсе не фантастика.

Важное значение космологического подхода «сверху вниз» состоит в том, что очевидные законы природы зависят от истории Вселенной. Многие ученые полагают, что существует единая теория, объясняющая эти законы, а также и физические константы природы, такие как масса электрона или размерность пространства-времени. Но при подходе «сверху вниз» требуется, чтобы очевидные законы природы были различны для различных историй.

Рассмотрим наблюдаемую размерность Вселенной. Согласно М-теории, у пространства-времени имеется десять пространственных измерений и одно временное. Идея состоит в том, что семь пространственных измерений свернуты столь сильно, что мы не замечаем их и пребываем в иллюзии, что существует только три оставшихся большими измерения, с которыми мы знакомы. Один из главных нерешенных вопросов в М-теории — почему в нашей Вселенной нет других больших измерений и почему измерения свертываются?

Многие хотели бы полагать, что есть некий механизм, заставляющий все пространственные измерения, кроме трех, самопроизвольно свертываться. Иной вариант состоит в том, что все измерения могли быть с самого начала свернуты, но по какой-то причине три пространственных измерения развернулись, а остальные нет. Однако представляется, что нет динамической причины для того, чтобы Вселенная зародилась четырехмерной. Космология «сверху вниз» предсказывает, что число больших пространственных измерений никаким законом физики не устанавливается. Для каждого числа больших пространственных измерений — от нуля до десяти — будет своя квантовая амплитуда вероятности. Фейнмановская сумма учитывает их все, для каждой возможной истории Вселенной, но тот наблюдаемый факт, что у нашей Вселенной имеется три больших пространственных измерения, выделяет подкласс историй, имеющих такие свойства, которые можно наблюдать. Иными словами, квантовая вероятность того, что Вселенная имеет иные пространственные измерения, кроме трех больших, не важна, так как мы уже определили ее размерность и установили, что находимся во Вселенной с тремя большими пространственными измерениями. Поэтому, пока амплитуда вероятности для трех больших пространственных измерений не равна точно нулю, не важно, насколько она мала по сравнению с амплитудой вероятности другого числа измерений. Это все равно что спрашивать об амплитуде вероятности того, что нынешний Папа Римский китаец. Мы знаем, что он немец, хотя вероятность того, что он китаец, выше, поскольку китайцев больше, чем немцев[4]. Точно так же мы знаем, что у нашей Вселенной три больших пространственных измерения, и поэтому, даже если другое число больших пространственных измерений может иметь большую амплитуду вероятности, нас интересуют только те истории, которые связаны с тремя измерениями.

А как же свернутые измерения? Вспомним, что в М-теории точная форма оставшихся свернутых измерений — внутреннее пространство — определяет как значения физических величин вроде заряда электрона, так и природу взаимодействия между элементарными частицами, то есть природные силы (они называются фундаментальными взаимодействиями в природе). Все это было бы прекрасно, если бы М-теория позволяла измерениям свертываться только в одну форму или хотя бы в несколько, из которых все, кроме одной, можно было бы каким-то образом исключить и остаться только с одной формой, приемлемой для очевидных законов природы. Но существуют амплитуды вероятности для, возможно, 10500 различных внутренних пространств, и в каждом случае дело сводится к своим собственным законам и величинам для физических констант.

Если строить историю Вселенной «снизу вверх», то нет причины, по которой Вселенная должна прийти к такому внутреннему пространству для взаимодействия частиц, какое мы наблюдаем сегодня, — к Стандартной модели (взаимодействия элементарных частиц). Но если строить ее «сверху вниз», то мы считаем, что существует множество вселенных со всеми возможными внутренними пространствами. В некоторых вселенных электроны весят как мяч для гольфа, а сила гравитации сильнее магнетизма. К нашей Вселенной применима Стандартная модель со всеми ее параметрами. Можно рассчитать амплитуду вероятности для внутреннего пространства, приводящую к Стандартной модели на основе условия безграничности. Как и в случае с вероятностью существования вселенной с тремя большими пространственными измерениями, не важно, насколько мала эта амплитуда по сравнению с другими, ведь мы уже заметили, что Стандартная модель описывает нашу Вселенную.

Теорию, о которой мы рассказываем в этой главе, можно проверить. Ранее уже говорилось, что относительные амплитуды вероятности не имеют значения для радикально различающихся вселенных, например таких, у которых другое число больших пространственных измерений. Однако относительные амплитуды вероятности для соседних (то есть похожих) вселенных важны. Условие безграничности предполагает, что амплитуда вероятности наиболее велика для тех историй, в которых вселенная начинается абсолютно однородной. Для более неоднородных вселенных амплитуда уменьшается. Это означает, что ранняя вселенная была почти равномерной, но с небольшими неоднородностями. Мы уже отмечали, что эти неоднородности можно наблюдать как небольшие отклонения от фоновой величины микроволнового излучения, приходящего с различных направлений неба. Было обнаружено, что эти отклонения точно согласуются с общими требованиями инфляционной теории.

Однако нужны более точные измерения, чтобы полностью обособить теорию «сверху вниз» от других и либо подтвердить ее, либо от нее отказаться. Мы надеемся, что такие измерения в будущем смогут провести со спутников.

Сотни лет назад люди думали, что Земля уникальна и расположена в центре Вселенной. Сегодня мы знаем, что только в нашей Галактике сотни миллиардов звезд и у многих из них имеются планетные системы. Кроме нашей есть еще сотни миллиардов галактик. Выводы, описанные в этой главе, указывают, что сама наша Вселенная только одна из многих и что действующие в ней очевидные законы не являются определенными раз и навсегда. Это должно разочаровать тех, кто надеялся, что окончательная теория, теория всего, определит природу обычной физики. Мы не можем предсказать дискретные особенности, такие как число больших пространственных измерений или внутреннее пространство, которые определяют наблюдаемые нами физические величины, например массу и заряд электрона и других элементарных частиц. Мы скорее используем эти числа, чтобы выяснить, какие истории вошли в фейнмановскую сумму.

Похоже, мы находимся в критической точке в истории науки, и нам следует изменить наше понимание целей и того, что делает физическую теорию приемлемой. Кажется, что фундаментальные числа и даже форма очевидных законов природы не вызваны логикой или физическими принципами. Параметры могут принять разные значения, а законы — любую форму, которая приводит к внутренне непротиворечивой математической теории, и в иных вселенных они действительно принимают другие значения и другие формы. Это может противоречить нашему привычному стремлению казаться чем-то особенным или желанию открыть четкий набор всех законов физики, но природа, пожалуй, устроена именно таким образом.

Похоже, что существует великое разнообразие возможных типов вселенных. Как мы увидим в следующей главе, вселенных, в которых может быть жизнь, подобная нашей, очень мало. Мы живем в одной из тех, где жизнь возможна, но если бы наша Вселенная была хоть чуточку иной, то существа, подобные нам, не могли бы в ней жить.

Какой же вывод нужно сделать из «точной настройки» нашей Вселенной? Служит ли это доказательством того, что она была спроектирована благожелательным создателем? Или наука предлагает другое объяснение?

7. Кажущееся чудо

Китайская легенда повествует о времени в период династии Ся (ок. 2205 — ок. 1782 до н. э.), когда мир вокруг нашей планеты внезапно преобразился. На небе появилось десять солнц. Люди на земле сильно страдали от жары, потому император повелел знаменитому лучнику сбить стрелами лишние светила. Лучник был вознагражден снадобьем, которое могло сделать его бессмертным, но жена похитила у него этот эликсир жизни, за что была отправлена в изгнание на луну.

Китайцы справедливо полагали, что Солнечная система, в которой десять светил, неблагоприятна для человеческой жизни. Сегодня мы знаем, что, несмотря на прекрасные условия для загара, жизнь, вероятно, никогда не получила бы развития ни в одной из систем с несколькими солнцами. Причины этого были бы не столь простыми, как испепеляющая жара, о которой говорится в китайской легенде. Правда, планеты, которые вращаются сразу вокруг нескольких звезд, могут обладать нормальной температурой, по крайней мере какое-то время. Но равномерный обогрев в течение длительного времени, необходимый для жизни, был бы маловероятен. Чтобы понять, почему это так, рассмотрим, что происходит с простейшей из многозвездных систем, которая состоит из двух звезд и называется двойной звездой. Примерно половина всех звезд на небе входит именно в такие образования. Но даже в этих простейших системах двойных звезд могут существовать лишь определенные типы стабильных планетных орбит, вид которых показан на иллюстрации выше. На каждой из этих орбит, вероятно, имеются участки, на которых планета становится слишком горячей или слишком холодной, для того чтобы на ней могла поддерживаться жизнь. В системах, где звезд больше, ситуация еще хуже.

Планетные орбиты вокруг двойных звезд. На планетах в двойных звездных системах условия для жизни, вероятно, неподходящие: в какие-то сезоны там слишком жарко, а в какие-то — слишком холодно.

Условия в нашей Солнечной системе другие, удачные, без них сложные формы жизни не могли бы развиться. Например, в соответствии с законами Ньютона орбиты планет могут быть либо кругами, либо эллипсами. Эллипс — это сплюснутая окружность, он более широкий, чем окружность, по одной оси и более узкий — по другой. Степень сплюснутости эллипса описывается так называемым эксцентриситетом — числом от нуля до единицы. Эксцентриситет, близкий к нулю, означает фигуру, близкую к окружности, а эксцентриситет, близкий к единице, — очень сплюснутую фигуру. Кеплер был огорчен, обнаружив, что планеты движутся не по идеальным окружностям, но орбита Земли имеет эксцентриситет около двух процентов, то есть представляет собой почти окружность. Как оказалось, это большое везение.

Эксцентриситеты. Эксцентриситет — это показатель того, насколько эллипс близок к окружности. Круговые орбиты благоприятны для жизни, а сильно вытянутые орбиты приводят к большим сезонным колебаниям температуры.

Сезонные особенности погоды на Земле определяются в основном наклоном оси вращения Земли к плоскости ее орбиты вокруг Солнца. Например, когда в Северном полушарии зима, то Северный полюс наклонен в сторону, противоположную Солнцу. То, что Земля в это время находится на минимальном расстоянии от Солнца — всего в 91,5 миллиона миль, в отличие примерно от 94,5 миллиона миль в начале июля, — оказывает совсем незначительное влияние на температуру по сравнению с влиянием наклона оси. Но на планетах с большим эксцентриситетом орбиты изменение расстояния от Солнца играет гораздо большую роль. Например, на Меркурии, эксцентриситет орбиты которого 20 %, температура более чем на 200 градусов по Фаренгейту выше в тот период, когда планета ближе всего к Солнцу (в перигелии), чем когда она удалена на максимальное расстояние от Солнца (в афелии). Если бы эксцентриситет земной орбиты был около единицы, наши океаны закипали бы при достижении Землей ближайшей к Солнцу точки и замерзали бы при нашем удалении на максимальное расстояние, что делало бы и зимние, и летние отпуска не очень приятными. Орбиты с большими эксцентриситетами не способствуют жизни, поэтому нам повезло оказаться на планете, у которой эксцентриситет орбиты близок к нулю.

Нам также повезло с отношением массы нашего Солнца к расстоянию от него до Земли, поскольку масса звезды определяет количество отдаваемой ею энергии. У самых больших звезд масса примерно в сто раз больше, чем у нашего Солнца, а у самых маленьких — примерно в сто раз меньше. И все же при данном расстоянии от Солнца до Земли, окажись масса Солнца на 20 % меньше или больше, на Земле было бы соответственно или холоднее, чем сейчас на Марсе, или жарче, чем сейчас на Венере.

Обычно для любой звезды ученые определяют так называемую «зону обитания» — узкую область вокруг звезды, где температура допускает существование воды в жидком состоянии. Эту пригодную для жизни зону иногда называют зоной Златовласки, так как требование о наличии жидкой воды означает, что для развития разумной жизни необходимо, чтобы температуры на планете были, говоря словами Златовласки, «в самый раз»[5]. В нашей Солнечной системе зона обитания просто крошечная (см. ил. выше). К счастью для тех, кто относится к формам разумной жизни, Земля попала в ее пределы!

Зона Златовласки. Если бы Златовласка делала выбор между планетами, она бы обнаружила, что для жизни пригодны только те, которые находятся в зеленой зоне. Желтая звезда изображает наше Солнце. Более светлые звезды крупнее его и горячее, более красные — меньше и холоднее. Планеты, расположенные к своим солнцам ближе, чем зеленая зона, слишком горячие для жизни, а планеты по другую сторону зеленой зоны — слишком холодные. Чем холоднее звезда, тем меньше пригодна для жизни зона.

Ньютон полагал, что наша странным образом пригодная для жизни Солнечная система «не возникла из хаоса всего лишь по законам природы». Он утверждал, что порядок во Вселенной был «первоначально создан Богом и сохранен им по сей день в том же состоянии и форме». Легко понять, почему можно было так подумать. Множество невероятных случайностей, которые совпали, сделав возможным наше существование и благоприятное для нас устройство мира, действительно вызывали бы недоумение, если бы наша Солнечная система была единственной в своем роде во Вселенной. Но в 1992 году произошло первое достоверное наблюдение планеты, вращающейся вокруг другой звезды. Теперь известно о сотнях таких планет, и мало кто сомневается, что среди миллиардов звезд в нашей Вселенной их бесчисленное множество. Это делает совпадение условий на нашей планете — единственное солнце, удачное сочетание его массы с расстоянием от него до Земли — намного менее любопытным и намного менее убедительным в качестве свидетельства тщательного проектирования Земли с тем лишь, чтобы угодить нам, человеческим существам. Есть планеты разных типов, а некоторые — по крайней мере одна — оказались пригодны для жизни, и когда существа на пригодной для жизни планете изучают окружающий их мир, они непременно обнаружат, что их планета соответствует тем условиям, которые необходимы для их существования.

Последнее утверждение можно превратить в научный принцип: само наше существование диктует правила, определяющие, откуда и когда мы можем наблюдать Вселенную. То есть сам факт нашего существования ограничивает характеристики окружения, в котором мы находимся. Этот принцип называют слабым антропным принципом. (Вскоре мы увидим, почему добавлено прилагательное «слабый».) Вместо «антропный принцип» лучше было бы говорить «принцип отбора», поскольку он связан с тем, как наше собственное знание о нашем существовании диктует правила, которые выбирают из всех возможных окружающих условий только те, которые позволяют существование жизни.

Хоть это и звучит несколько философски, слабый антропный принцип можно использовать для научных предсказаний (например, относительно возраста Вселенной). Как мы вскоре увидим, чтобы было возможно наше существование, Вселенная должна содержать такие химические элементы, как углерод, который образуется из более легких элементов внутри звезд. Потом углерод должен был рассеяться в пространстве взрывом сверхновой звезды и в конечном счете сконденсироваться как часть планеты при рождении новой солнечной системы. В 1961 году американский физик Роберт Дикке (1916–1997) дал обоснование того, что этот процесс занимает около 10 миллиардов лет, так что наше присутствие здесь означает, что Вселенная должна быть по меньшей мере такого возраста. С другой стороны, возраст Вселенной не может быть намного больше чем 10 миллиардов лет, поскольку в далеком будущем все топливо для звезд израсходуется, а нам для поддержания жизни требуются горячие звезды. Следовательно, Вселенной должно быть около 10 миллиардов лет. Это прогноз не очень точный, но верный, ведь согласно последним данным, Большой взрыв произошел примерно 13,7 миллиарда лет назад.

Как и в случае с определением возраста Вселенной, антропные предсказания обычно дают лишь диапазон значений для каждого физического параметра, но не указывают точной величины. Это потому, что наше существование часто зависит от параметров, не слишком сильно отличающихся от тех значений, которые обычно наблюдаются, хотя для какого-либо физического параметра может и не требоваться очень точного значения. К тому же мы надеемся, что нынешние условия в нашем мире типичны в пределах диапазона, допустимого с антропной точки зрения. Например, если лишь умеренные эксцентриситеты орбит — скажем, от 0 до 0,5 — позволяют существование жизни, то эксцентриситет 0,1 не должен удивлять нас, так как вполне вероятно, что орбиты весьма значительной части планет во Вселенной обладают столь же малым эксцентриситетом. Но если бы оказалось, что Земля движется по почти идеальной окружности с эксцентриситетом, скажем, 0,000 000 000 01, это сделало бы ее действительно совершенно особой планетой, и мы были бы вынуждены пытаться объяснить, почему мы оказались в таком аномальном месте. Эту идею (о том, что ни Земля, ни люди на ней не являются чем-то особенным во Вселенной. — Науч. ред.) иногда называют принципом заурядности.

Удачные совпадения, связанные с формой планетных орбит, массой Солнца и т. д., называются совпадениями внешней среды, поскольку они проистекают из интуитивной прозорливости окружающего нас мира, а не из счастливой случайности, связанной с фундаментальными законами природы. Возраст Вселенной тоже фактор, относящийся к внешней среде, поскольку в истории Вселенной было более раннее и будет более позднее время, но мы должны жить в нынешнюю эру, поскольку это единственная эра, способствующая жизни. Совпадения внешней среды легко понять, так как место нашего обитания лишь одно среди многих, имеющихся во Вселенной, и мы, очевидно, должны существовать в таком, которое способствует поддержанию жизни.

Слабый антропный принцип не вызывает особых споров. Но есть более сильная форма, которую мы здесь обсудим, хотя некоторые физики относятся к ней с пренебрежением. Сильный антропный принцип предполагает, что сам факт нашего существования налагает ограничения не только на нашу окружающую среду, но и на возможные форму и содержание самих законов природы. Такая идея возникла оттого, что для развития человеческой жизни удивительно подошли не только особые характеристики нашей Солнечной системы, но также и характеристики всей нашей Вселенной, а это объяснить уже гораздо труднее.

Повествование о том, как изначальная Вселенная, состоявшая из водорода, гелия и небольшого количества лития, развилась во Вселенную, давшую приют по крайней мере одному — нашему — миру с разумной жизнью, представляет собой историю из многих глав. Как мы уже говорили, природные силы должны были быть такими, чтобы более тяжелые химические элементы, особенно углерод, могли производиться из первичных элементов и оставаться стабильными по крайней мере миллиарды лет. Эти тяжелые элементы были созданы в печах, которые мы называем звездами, следовательно, природные силы должны были позволить сначала сформироваться звездам и галактикам. Они выросли из семян крохотных неоднородностей в ранней Вселенной, которая была почти полностью однородна, но, к счастью, в ней имелись отклонения в плотности (примерно 1 частица на 100 000). Однако существования звезд и наличия внутри них тех химических элементов, из которых мы сделаны, недостаточно. Движущие силы внутри звезд должны были быть таковы, чтобы некоторые из звезд в конце концов взорвались, — более того, взорвались именно так, чтобы разбросать более тяжелые элементы по широкому пространству. Вдобавок законы природы должны были обеспечить, чтобы эти остатки смогли еще раз сконденсироваться в новое поколение звезд, окруженных планетами, вобравшими в себя эти заново созданные тяжелые элементы. Так же, как определенные события на ранней Земле должны были произойти в том порядке, который позволил бы развиться нам, должно было быть и в каждом звене этой цепи, необходимой для нашего существования. Но события, которые привели к развитию Вселенной, управлялись балансом фундаментальных природных взаимодействий, слаженность которых должна была быть именно такой, чтобы мы могли существовать.

Британский астроном Фред Хойл (1915–2001) стал одним из первых, кто в 1950-х годах осознал, что здесь не обошлось без изрядной доли счастливой случайности. Хойл полагал, что все химические элементы первоначально образовались из водорода, который, как он считал, и представляет собой исходную субстанцию. Атом водорода имеет простейшее ядро, которое состоит лишь из одного протона — либо одиночного, либо в сочетании с одним или двумя нейтронами. (Различные формы водородного или любого другого атомного ядра, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами.) Сегодня мы знаем, что гелий и литий, атомные ядра которых содержат два и три протона соответственно, тоже были изначально синтезированы в очень малых количествах, когда возраст Вселенной был около 200 секунд. Однако жизнь зависит от более сложных химических элементов, самый важный из которых — углерод, основа всей органической химии.

Можно, конечно, причислить к «живым» организмам умные компьютеры, сделанные из других элементов, таких как кремний, но сомнительно, чтобы жизнь могла самопроизвольно развиться, если бы отсутствовал углерод. Причины этого технические, но имеют отношение к уникальному способу, которым углерод соединяется с другими химическими элементами. Например, диоксид углерода СO2 при комнатной температуре представляет собой углекислый газ, весьма полезный для биологических процессов. Кремний — это элемент, расположенный в Периодической таблице химических элементов непосредственно под углеродом, поэтому он имеет сходные химические свойства. Однако диоксид кремния SiO2, кварц, гораздо полезнее в коллекции минералов, чем в легких живых организмов. И все-таки, возможно, могли бы появиться какие-то формы жизни, которые питались бы кремнием и ритмично виляли бы хвостами в лужах жидкого аммиака. Но даже такой тип экзотической жизни не мог развиться из одних лишь первоначальных элементов, поскольку из них возможно формирование только двух устойчивых соединений — гидрида лития LiH (бесцветное твердое кристаллическое вещество) и газообразного водорода Н2, — которые не способны не только ничего произвести, но даже влюбиться. Так что факт остается фактом: мы представляем собой углеродную форму жизни, и это порождает вопрос: откуда взялся углерод, в атомных ядрах которого шесть протонов, а также прочие тяжелые химические элементы, составляющие наше тело?

Первый шаг к появлению этих элементов был сделан, когда более старые звезды начали накапливать гелий, получающийся при столкновении двух водородных ядер и происходящем затем их слиянии друг с другом. Это совершается в недрах звезд, и таким образом создается энергия, которая нас согревает. Два атома гелия, в свою очередь, тоже могут столкнуться и образовать атом бериллия с четырьмя протонами в ядре. Когда же появился бериллий, он вполне мог бы слиться с третьим ядром гелия, создав углерод. Но этого не происходит, так как получившийся изотоп бериллия почти сразу же снова распадается на два ядра гелия.

Картина меняется, когда у звезды начинает заканчиваться водород. Когда это происходит, ядро звезды сжимается до тех пор, пока температура в его центре не достигнет примерно ста миллионов градусов Кельвина. При этих условиях ядра атомов сталкиваются друг с другом столь часто, что некоторые ядра бериллия, еще не успев распасться, встречаются с ядрами гелия. Тогда бериллий может слиться с гелием и образовать стабильный изотоп углерода. Но этому углероду предстоит еще долгий путь, чтобы сформировать упорядоченные структуры химических соединений такого типа, которые могли бы наслаждаться бокалом бордо, жонглировать горящими факелами или задаваться вопросами о Вселенной. Для существования таких созданий, как люди, углерод должен переместиться из недр звезд в более благоприятные места. Это происходит, как мы уже сказали, когда звезда в конце своего жизненного цикла взрывается как сверхновая, выбрасывая углерод и другие тяжелые элементы, которые потом конденсируются в планеты.

Этот процесс создания углерода называется тройным альфа-процессом (или тройной гелиевой реакцией), поскольку альфа-частица — другое название ядра изотопа гелия, участвующего в этом процессе, а для того чтобы реакция произошла, требуется слияние трех из них. В соответствии с обычной физикой скорость образования углерода в тройном альфа-процессе должна быть очень низкой. Отмечая это, в 1952 году Хойл предсказал, что суммарная энергия бериллия и ядра гелия должна быть почти в точности равна энергии определенного квантового состояния образовавшегося изотопа углерода. Такое явление, называемое ядерным резонансом, многократно ускоряет процесс ядерной реакции. В то время подобный уровень энергии был неизвестен, но, основываясь на предположении Хойла, американский астрофизик Уильям Фаулер (1911–1995) из Калифорнийского технологического института стал искать и нашел его, обеспечив важную поддержку взглядам Хойла на то, как были созданы сложные ядра.

Хойл писал: «Я не верю, что любой ученый, исследующий факты, будет не в состоянии сделать вывод о том, что законы ядерной физики были сознательно разработаны применительно к последствиям того, что они вызывают внутри звезд». В то время никто не знал ядерную физику достаточно хорошо, для того чтобы понять, сколь велика была интуитивная прозорливость, приведшая к этим точным физическим законам. Но исследуя правомерность сильного антропного принципа, физики в последние годы начали задаваться вопросом, как выглядела бы Вселенная, если бы законы природы были иными. Сегодня мы можем создать компьютерные модели, которые говорят нам о зависимости скорости тройного альфа-процесса от величины фундаментальных взаимодействий (сил) в природе. Такие вычисления показывают, что при изменении величины сильного ядерного взаимодействия всего на 0,5 % или электромагнитной силы на 4 % во всех звездах был бы разрушен почти весь углерод либо же весь кислород, а следовательно, утратилась бы возможность возникновения жизни в том виде, какой известен нам. Измените законы нашей Вселенной лишь на самую малость, и условия для нашего существования пропадут!

Тройной альфа-процесс. Углерод образуется в недрах звезд при столкновении трех ядер гелия. Такое событие было бы весьма маловероятным, если бы не особенность законов ядерной физики.

Рассматривая модель вселенных, которую мы создали, изменив определенным образом физические теории, можно методическим путем изучить эффект изменений физического закона. Оказывается, по индивидуальному заказу для нашего существования созданы не только сильные ядерные взаимодействия и электромагнитная сила. Большинство фундаментальных констант, фигурирующих в наших теориях, выглядят точно настроенными в том смысле, что если изменить их на совсем незначительные величины, то Вселенная была бы качественно другой и во многих случаях непригодной для развития жизни. Например, если другая ядерная сила — слабое ядерное взаимодействие — была бы намного слабее, то в ранней Вселенной весь водород, имевшийся в космосе, превратился бы в гелий, и потому не было бы нормальных звезд; а если эта же сила оказалась бы намного сильнее, то взрывающиеся сверхновые звезды не сбрасывали бы свою внешнюю оболочку и таким образом не могли бы засеивать межзвездное пространство тяжелыми химическими элементами, которые требуются планетам для создания жизни. Будь протоны на 0,2 % тяжелее, они распадались бы на нейтроны, дестабилизируя атомы. Если бы суммарная масса тех «сортов» (или, как говорят физики, «ароматов») кварков, из которых состоят протоны, изменилась всего на 10 %, то было бы гораздо меньше стабильных атомных ядер, из которых мы сделаны. Фактически же суммарные массы кварков выглядят примерно оптимальными для существования наибольшего числа стабильных ядер.

Если предположить, что для развития жизни на планете необходимо, чтобы несколько сотен миллионов лет планета находилась на стабильной орбите, то количество пространственных измерений также установлено нашим существованием. Это потому, что, согласно законам гравитации, устойчивые эллиптические орбиты возможны только при трех пространственных измерениях. Круговые орбиты возможны и в других измерениях, но они, как и опасался Ньютон, нестабильны. В любом пространстве, кроме трехмерного, даже малое возмущение, такое как притяжение других планет, сместит планету с круговой орбиты и приведет к движению по спирали либо в сторону Солнца, либо в противоположном направлении, так что мы или сгорим, или замерзнем. Кроме того, там, где более трех пространственных измерений, гравитационная сила между двумя телами будет убывать быстрее, чем в трех измерениях. В трехмерном пространстве сила гравитации уменьшается до 1/4 своей величины при удвоении расстояния. В четырехмерном она бы уменьшалась до 1/8, а в пятимерном — до 1/16 и т. д. В результате при более чем трех пространственных измерениях Солнце не смогло бы находиться в устойчивом состоянии, уравновешивая своим внутренним давлением гравитационное притяжение. Оно либо распалось бы на части, либо сжалось бы, образовав черную дыру, — в любом случае ваш день был бы испорчен. На атомном уровне электрические силы вели бы себя так же, как гравитационные. Это означает, что электроны в атомах или вырвались бы наружу, или упали бы на ядро. В обоих случаях существование атомов такими, как мы их знаем, было бы невозможно.

Появление сложных структур, способных обеспечить существование разумных наблюдателей, кажется очень сомнительным. Законы природы формируют крайне тонко настроенную систему, и очень мало что в физическом законе может быть изменено без уничтожения возможности для развития известной нам формы жизни. Если бы не ряд удивительных совпадений в точных деталях физических законов, то, похоже, люди и сходные с ними формы жизни никогда бы не появились.

Наиболее впечатляющее совпадение в тонкой настройке связано с так называемой космологической постоянной в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна. Как мы уже говорили, в 1915 году, когда была сформулирована эта теория, Эйнштейн считал, что Вселенная статична, то есть она не расширяется и не сжимается. Поскольку все материальные образования притягиваются друг к другу, он ввел в свою теорию новую силу — антигравитацию, — чтобы компенсировать стремление Вселенной к сжатию. Эта сила, в отличие от прочих, не исходила ни из какого источника, а была встроена в саму ткань пространства-времени. Величину этой силы и описывает космологическая постоянная.

Когда было обнаружено, что Вселенная нестатична, Эйнштейн исключил космологическую постоянную из своей теории и назвал ее величайшей ошибкой своей жизни. Но в 1998 году при наблюдениях очень удаленной сверхновой звезды было обнаружено, что Вселенная расширяется с ускорением, — этот эффект невозможен без какой-то отталкивающей силы, действующей по всему пространству. Космологическую постоянную возродили. Поскольку теперь мы знаем, что ее значение отлично от нуля, остается открытым вопрос, почему у нее именно такое значение. Физики придумали аргументы, объясняющие, как она могла возникнуть благодаря эффектам квантовой механики, но величина, рассчитанная ими примерно на 120 порядков (единица со 120 нулями), превышает действительную, полученную при наблюдениях сверхновой звезды. Это означает, что либо рассуждение, на котором основан расчет, было неверным, либо существует еще какое-то явление, которое чудесным образом уничтожает практически всю рассчитанную величину, оставляя лишь ее невообразимо малую долю. Ясно одно: если бы значение космологической постоянной было гораздо больше, чем оно есть, то наша Вселенная разлетелась бы в стороны еще до того, как успели образоваться галактики, и — снова о том же — жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможна.

Что мы можем заключить из этих совпадений? Удача в точной форме и сути фундаментального физического закона — это другой вид удачи, отличающийся от того, который мы встречаем в факторах окружающей среды. Ее нелегко объяснить, и она имеет гораздо более глубокие последствия для физики и философии. Наша Вселенная и ее законы выглядят так, словно они сделаны на заказ по проекту, разработанному специально для нас, а раз уж нам дано существовать, то они оставляют мало места для каких-либо изменений. Это нелегко объяснить, и возникает естественный вопрос: почему же это так?

Многим хотелось бы, чтобы мы использовали эти совпадения как свидетельство деятельности Бога. Мысль о том, что Вселенная была задумана, чтобы поселить в ней людей, появилась в теологии и мифологии тысячи лет назад и существует до наших дней. У индейцев майя в эпосе «Пополь-Вух» боги провозгласили: «Но нет ни славы, ни величия в этом нашем творении, в нашем создании, пока не будет создано человеческое существо, пока не будет сотворен человек!»[6] В египетском тексте, который относится к 2000 г. до н. э., сказано: «Люди, божья скотина, получили хорошие дары. Он [бог солнца] создал небо и землю для их пользы». В Китае даосский философ Ле Юйкоу (ок. 400 г. до н. э.) выразил похожую мысль словами сказочного персонажа: «Благодаря небесам произрастает пять видов зерна, небесами нам даны твари с плавниками и твари с перьями — все это для нашей пользы».

В западной культуре идея о ниспосланном свыше замысле появилась в Ветхом Завете, в Книге Бытия, рассказывающей о сотворении мира, но на традиционную христианскую точку зрения большое влияние оказали более ранние воззрения Аристотеля, верившего «в разумный природный мир, функционирующий согласно некоему тщательно разработанному плану». Средневековый христианский теолог Фома Аквинский бытие Бога объяснял, опираясь на идеи Аристотеля о порядке в природе. В XVIII веке некий христианский теолог в своих рассуждениях дошел до того, что заявил, будто у кроликов хвосты белые, чтобы нам было удобнее в них стрелять. Более современную христианскую точку зрения высказал несколько лет назад кардинал Кристоф Шёнборн, архиепископ Вены: «Теперь, в начале XXI столетия, столкнувшись с такими научными нововведениями, как неодарвинизм и космологическая гипотеза о мультивселенной [множественности вселенных], придуманными, чтобы оспорить неопровержимое свидетельство цели и замысла, найденное современной наукой, католическая церковь вновь будет защищать человеческую природу, провозглашая, что внутренний, неотъемлемый замысел в природе реально существует». В космологии неопровержимым свидетельством цели и замысла, упомянутых кардиналом, является точная настройка физических законов, о которой мы говорили выше.

Поворотной точкой в научном отрицании антропоцентрической Вселенной явилась модель Солнечной системы Коперника, в которой Земля больше не занимала центрального положения. Ирония заключается в том, что сам Коперник видел мир антропоморфным до такой степени, что утешал нас, указывая, будто, несмотря на его гелиоцентрическую модель, Земля находится почти в центре Вселенной: «Хотя [Земля] находится не в центре мира, тем не менее расстояние [до его центра] ничтожно, особенно по сравнению с расстоянием до неподвижных звезд». С изобретением телескопа, наблюдения, сделанные в XVII веке, например открытие того, что спутник есть не только у нашей планеты, добавили веса коперниковскому принципу, гласящему, что мы не занимаем привилегированного положения во Вселенной. И чем больше мы узнавали о Вселенной в последующие века, тем больше наша планета становилась в нашем представлении лишь одной из многих. Но сравнительно недавнее открытие особо точной настройки столь многих законов природы могло бы увести (по крайней мере, некоторых из нас) назад, к старой идее о том, что этот великий проект — дело рук некоего великого Проектировщика. В США, где конституция запрещает преподавание религии в школах, подобную идею именуют «рациональным проектированием», не называя, но подразумевая, что проектировщик — Бог.

Такой ответ не устраивает современную науку. В главе 5 мы уже говорили о том, что наша Вселенная, видимо, одна из многих, и у каждой из них — свои законы. Эта идея о мультивселенной не была изобретена специально для объяснения чуда точной настройки. Она, подобно множеству других теорий современной космологии, проистекает из условия безграничности. Если это так, то она уменьшает сильный антропный принцип до слабого, помещая точные настройки физических законов на один фундамент с факторами внешней среды, поскольку это означает, что место нашего обитания в космосе — а теперь уже вся обозримая Вселенная — является лишь одним из многих, подобно тому как и наша Солнечная система лишь одна из многих. Это означает, что как совпадения факторов внешней среды для нашей Солнечной системы не представляют собой ничего особенного, поскольку существуют миллиарды подобных систем, так и точная настройка законов природы может быть объяснена существованием множества вселенных. Люди веками связывали с Богом красоту и сложность природы, которые в прошлые времена считались не имеющими научного объяснения. Но как британские натуралисты Чарлз Дарвин (1809–1882) и Алфред Уоллес (1823–1913) объяснили, каким образом кажущийся чудом замысел живых форм мог появиться без вмешательства высшего существа, так и концепция мультивселенной может объяснить точную настройку физических законов, избежав необходимости в благоюлящем творце, который создал Вселенную ради нас.

Однажды Эйнштейн задал своему ассистенту, математику Эрнсту Штраусу (1922–1983), такой вопрос: «А был ли у Бога выбор, когда он создавал Вселенную?» В конце XVI века Кеплер был убежден, что Бог сотворил Вселенную в соответствии с неким совершенным математическим принципом. Ньютон показал, что законы, применимые к небесным телам, применимы и на Земле, и вывел математические уравнения для выражения этих законов. Уравнения оказались столь изящными, что вызвали почти религиозный трепет у многих ученых XVIII века, которые, похоже, были полны решимости использовать их как доказательство того, что Бог был математиком.

Начиная с Ньютона, а особенно после Эйнштейна цель физики состояла в том, чтобы найти простые математические принципы вроде тех, которые предполагались Кеплером, и с их помощью создать единую «теорию всего», которая бы всесторонне объяснила особенности материи и сил, наблюдаемых нами в природе. В XIX веке британский физик Джеймс Максвелл (1831–1879), а затем в начале XX века германский физик Альберт Эйнштейн (1879–1955) объединили теории электричества, магнетизма и света. В 70-х годах XX века была создана стандартная модель — единая теория сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнитной силы. Затем из стремления охватить и оставшуюся силу — гравитацию — появились теория струн и М-теория. Их целью было найти не просто единую теорию, объясняющую все силы, но и теорию, объясняющую фундаментальные параметры, о которых мы говорили, такие как величина сил, а также массы и заряды элементарных частиц. Как выразился Эйнштейн, надежда состояла в том, чтобы сказать, что «природа настолько обусловлена законами, что можно логически вывести столь строго сформулированные законы, что в их пределах будут только рационально определенные константы (следовательно, не те константы, численное значение которых может быть изменено, не нарушая теорию)». Уникальная теория вряд ли будет иметь ту точную настройку, которая позволяет нам существовать. Но если в свете последних достижений науки мы интерпретируем мечту Эйнштейна как мечту о единой теории, которая объясняет эту и другие вселенные с их полным спектром различных законов, то М-теория может быть таковой. Но уникальна ли М-теория, или же она вызвана каким-нибудь простым логическим принципом? Можем ли мы ответить на вопрос: почему именно М-теория?

8. Высший замысел

В этой книге мы рассказали, как закономерности в движении астрономических тел, таких как Солнце, Луна и планеты, навели людей на мысль, что этим движением управляют незыблемые законы, а не прихоть и капризы богов и демонов. Сначала существование таких законов стало очевидным только в астрономии (или астрологии, что было практически тем же самым). Явления на Земле происходят настолько сложным образом и подвержены столь многим воздействиям, что древние цивилизации не могли разглядеть сколь-либо отчетливых закономерностей в процессах, управляющих этими явлениями. Однако постепенно новые законы были выявлены и в других областях, кроме астрономии, что привело к идее научного детерминизма: должен быть полный набор законов, которые, учитывая состояние Вселенной в определенное время, описали бы, как она будет развиваться впредь. Эти законы должны действовать везде и всегда, иначе они не будут законами. Не может быть никаких исключений или чудес. Ни боги, ни демоны не могут вмешиваться в ход развития Вселенной.

Во времена, когда принцип научного детерминизма был впервые предложен, единственными известными законами были Ньютоновы законы движения и гравитации. Мы уже говорили о том, как эти законы расширил Эйнштейн в своей общей теории относительности и как были открыты другие законы, управляющие иными аспектами Вселенной.

Законы природы объясняют, как ведет себя Вселенная, но не отвечают на вопрос, который мы задали в начале книги: почему она проявляет себя именно так?

Почему есть что-то вместо того, чтобы не было ничего?

Почему мы существуем?

Почему существует именно этот конкретный набор законов, а не какой-либо другой?

Кто-то может считать, будто ответ на эти вопросы состоит в том, что есть Бог, который решил создать Вселенную именно таким образом. Резонно спросить: кем или чем создана Вселенная, но если ответ — Богом, то возникает другой вопрос: кто создал Бога? При такой точке зрения считается, что есть некая сущность, не нуждающаяся в творце, и ее называют Богом. Подобное мнение известно как основной аргумент в пользу бытия Бога. Однако мы утверждаем, что на эти вопросы можно ответить строго в рамках науки, без привлечения каких-либо сверхъестественных существ.

Согласно идее моделезависимого реализма, описанной в главе 3, наш мозг интерпретирует сигналы, поступающие от органов чувств, путем построения модели внешнего мира. Мы формируем мысленные представления о нашем доме, деревьях, других людях, об электричестве, поступающем из розеток, об атомах, молекулах и других вселенных. Эти мысленные построения и есть единственная реальность, которую мы можем знать. Никакой моделенезависимой проверки реальности нет. Следовательно, хорошо построенная модель создает собственную реальность. Обдумать вопросы реальности и творения нам может помочь пример с игрой «Жизнь», которую в 1970 году придумал молодой кембриджский математик Джон Конвей.

Слово «игра» в данном случае термин, сбивающий с толку. Здесь нет победителей и проигравших, фактически здесь вообще нет игроков. «Жизнь» по сути не игра, а набор законов, управляющих двухмерной вселенной. Это детерминированная вселенная: когда вы установили начальную конфигурацию, или начальное условие, то все, что будет происходить дальше, определяется законами.

Мир, придуманный Конвеем, представляет собой сеть квадратных клеток, похожую на шахматную доску, которая продолжается во все стороны бесконечно. Каждая клетка может быть либо «живой», либо «мертвой» (на иллюстрациях, помещенных далее, они показаны зеленым или черным цветом соответственно). У каждой клетки восемь соседей: сверху, снизу, слева, справа и четыре соседа по диагонали. Время в этом мире не непрерывно, а движется вперед дискретными шагами. Учитывая различное взаиморасположение мертвых и живых клеток, последующие события определяются количеством живых соседей в соответствии с такими законами:

1) Живая клетка с двумя или тремя живыми соседями остается жить (выживание).

2) Мертвая клетка с тремя живыми соседями оживает (рождение).

3) Во всех остальных случаях клетка умирает или остается мертвой. В случае если у живой клетки нет живых соседей или есть только один, она умирает от одиночества; если у нее больше трех живых соседей, она умирает от перенаселенности.

Посмотрим, как же все происходит: исходя из любого начального условия эти законы генерируют поколение за поколением. Изолированная живая клетка или две смежные живые клетки умирают в следующем поколении, потому что у них не хватает соседей.

«Мигалки». «Мигалки» — это простой тип составного объекта в игре «Жизнь».

Три живые клетки по диагонали живут чуть дольше. После первого временного шага (этапа) крайние клетки умирают, остается только средняя, которая умирает в следующем поколении. Таким же образом «испаряется» любая диагональная линия клеток. Но если три живые клетки расположены горизонтально в ряд, средняя из них имеет двух соседей и выживает, тогда как две крайние умирают, но в этом случае рождаются клетки, прилегающие к средней сверху и снизу. Таким образом ряд превращается в столбик. Подобным же образом в следующем поколении (то есть на следующем этапе) столбик опять превращается в ряд, и т. д. Такие колеблющиеся фигуры называются «мигалки».

Если три живые клетки расположены в виде буквы Б, события идут по-другому. В следующем поколении клетка, которую огибает Б, получает свое рождение, и возникает фигура, называющаяся «блок» (2x2 клетки). «Блоки» относятся к типу фигур, который называется «натюрморты» или «устойчивые фигуры», потому что они переходят из поколения в поколение не изменяясь. Существует много разных фигур, которые в начальных поколениях изменяются, но вскоре оказываются одним из видов «натюрморта», либо умирают, либо же возвращаются к своему первоначальному виду, а затем процесс повторяется.

Превращение в «натюрморт». Некоторые составные объекты в игре «Жизнь» развиваются в формы, которым правилами предписано никогда не изменяться.

Существуют также фигуры, называемые «планеры» (или «глайдеры»), которые преобразуются в другие фигуры, а через несколько этапов (временных шагов) возвращаются к своему первоначальному виду, но сместившись на одну клетку вниз по диагонали. Если вы понаблюдаете за таким развитием какое-то время, то увидите, что «планеры» как будто ползут по сетке. Когда они сталкиваются, могут происходить любопытные преобразования, зависящие от формы каждого из «планеров» в момент столкновения.

«Планеры». «Планеры» преображаются, принимая промежуточные формы, а потом, сместившись по диагонали, возвращаются к первоначальной форме.

Интересной эту игровую вселенную делает то, что фундаментальная «физика» ее проста, а «химия» может оказаться сложной. Имеется в виду, что составные объекты в ней существуют в различных масштабах. В наименьшем масштабе фундаментальная физика игры говорит нам, что есть лишь живые и мертвые клетки. В более крупном масштабе имеются «планеры», «мигалки», а также «блоки» и другие устойчивые фигуры из группы «натюрмортов». С дальнейшим укрупнением масштаба появляются еще более сложные объекты, такие как «планерные ружья» — стационарные формы, периодически порождающие новые «планеры», которые покидают свое «гнездо» и устремляются вниз по диагонали.

Если некоторое время понаблюдать за игрой «Жизнь» в каком-то одном масштабе, можно распознать законы, управляющие объектами этого масштаба. Например, среди фигур поперечником всего в несколько клеток вы сможете заметить такие законы, как «абсолютно неподвижные „блоки“», «„планеры“, движущиеся по диагонали», а также различные законы для случаев столкновения объектов. Вы можете создать всю физику для любого уровня составных объектов. Эти законы будут описывать сущности и понятия, которые отсутствовали в исходных законах. Там, например, не было таких понятий, как «столкновение» и «перемещение». Начальные законы определяли лишь «жизнь» и «смерть» отдельных неподвижных клеток. В игре «Жизнь», как и в нашей Вселенной, ваша реальность зависит от используемой вами модели.

Начальная конфигурация «планерного ружья». «Планерное ружье» примерно в десять раз больше «планера».

Конвей и его студенты создали этот игровой мир, желая узнать, может ли вселенная, фундаментальные законы которой так же просты, как те, что установлены ими для этой игры, содержать объекты настолько сложные, что они смогут воспроизводить самих себя. Существуют ли в мире игры «Жизнь» такие составные объекты, которые, попросту следуя в течение нескольких поколений (т. е. временных шагов) исходным законам игры, породят другие объекты, подобные себе? Конвей и его студенты не только смогли продемонстрировать, что это возможно, но даже показали, что подобный объект может, в некотором смысле, быть умным! Что мы имеем в виду? Уточним: они показали, что огромные скопления клеток, которые самовоспроизводятся, представляют собой «универсальную машину Тьюринга». В нашем случае это означает, что (для любого расчета, с которым компьютер в нашем физическом мире может в принципе справиться) если на входе задать машине соответствующие данные, то есть снабдить ее условиями игры «Жизнь», то спустя несколько этапов работы машина окажется в том состоянии, когда можно будет увидеть, что получилось на выходе, — это будет соответствовать результатам данного компьютерного расчета.

«Планерное ружье» через 116 поколений (этапов). Со временем «планерное ружье» изменяет форму, испускает «планер» и возвращается к своим начальным конфигурации и положению.

Затем оно повторяет процесс бесконечно.

Чтобы почувствовать, как это работает, рассмотрим, что происходит, когда «планеры» наталкиваются на простой «блок» живых клеток размером 2x2. Если «планеры» приближаются подходящим путем, то ранее неподвижный блок сдвинется либо к источнику «планеров», либо от него. Фактически все основные функции современного компьютера, такие как логические вентили И и ИЛИ, также могут быть созданы из «планеров». При таком подходе потоки «планеров» можно использовать для передачи и обработки информации, подобно тому как в физическом компьютере используются электрические сигналы. Как и в нашем мире, такие самовоспроизводящиеся фигуры являются сложными объектами. По одной из оценок, основанной на давней работе венгро-американского математика Джона фон Неймана (1903–1957), минимальный размер самовоспроизводящейся фигуры в игре «Жизнь» — десять триллионов клеток, что примерно равно количеству молекул в одной человеческой клетке.

Живые существа можно рассматривать как сложные системы ограниченного размера, которые стабильны и могут самовоспроизводиться. Описанные выше объекты удовлетворяют условию воспроизводства, но, вероятно, нестабильны: слабое возмущение извне вполне может разрушить чувствительный механизм. Однако легко представить себе, что немного усложненные законы позволят создать и более сложные системы со всеми признаками жизни. Представьте себе существо такого типа, объект в мире, подобном конвеевскому. Такой объект будет реагировать на воздействия окружающей среды и, следовательно, выглядеть принимающим решения. Будет ли такая жизнь знать о своем существовании? Будет ли она обладать самосознанием? Мнения по этому вопросу резко расходятся. Некоторые считают, что осознание своего существования присуще только людям. Это наделяет их свободой воли — способностью делать выбор между различными возможностями действий.

Как определить, обладает ли существо свободой воли? Если мы встретим инопланетянина, как распознать, робот это или существо, обладающее собственным разумом? Поведение робота будет полностью детерминировано, в отличие от разумного существа, обладающего свободой воли. Следовательно, в принципе робота можно будет определить по предсказуемости его действий. Но, как мы уже говорили в главе 2, это может оказаться трудным до невозможности, если существо крупное и сложно устроенное. Мы не можем точно решать даже уравнения для трех и более взаимодействующих друг с другом частиц. А поскольку инопланетянин размером с человека содержал бы около тысячи триллионов триллионов частиц, даже если бы он был роботом, то было бы невозможно решить уравнения и предсказать, что он будет делать. Поэтому мы должны сказать, что любое сложное существо обладает свободой воли, имея в виду, что это есть не его фундаментальное свойство, а лишь признание нашей неспособности произвести расчеты, которые позволили бы нам предсказать его действия.

Пример с конвеевской игрой «Жизнь» показывает, что даже очень простой набор законов может произвести сложные свойства, подобные тем, что присущи разумной жизни. Должно существовать много наборов законов, обладающих этим свойством. Что выбирает законы, управляющие нашей Вселенной? Так же, как и во вселенной Конвея, законы нашей Вселенной определяют развитие системы, учитывая ее состояние в любой момент. В мире Конвея творцами являемся мы — это мы выбираем начальное состояние вселенной, определяя объекты и их расположение в начале игры.

В нашей физической Вселенной аналогами таких объектов игры «Жизнь», как «планеры», выступают отдельные материальные тела. Любой набор законов, описывающих непрерывный мир, подобный нашему, будет иметь понятие энергии, которая сохраняет свое количество, то есть ее количество не изменяется со временем. Энергия пустого пространства будет постоянной, независимой ни от времени, ни от местонахождения. Измеряя энергию любого объема пространства относительно энергии того же объема пустого пространства, эту константу вакуума можно вычесть, поэтому мы вполне можем считать ее равной нулю. Есть условие, которому должны удовлетворять любые законы природы: они должны предписывать, чтобы энергия отдельного тела, окруженного пустым пространством, была положительной, то есть для создания тела нужно проделать работу. Поэтому, если энергия отдельного тела отрицательна, оно может быть создано в состоянии движения таким образом, чтобы его отрицательная энергия была точно уравновешена положительной энергией вследствие его движения. Будь это так, не было бы причины, препятствующей телам возникать где угодно. Пустое пространство было бы тогда нестабильным. Но если для создания отдельного тела нужно потратить энергию, то такой нестабильности не возникает, потому что, как мы уже сказали, энергия вселенной должна оставаться постоянной. Вот что требуется, чтобы вселенная была локально стабильной: нужно сделать ее такой, чтобы ничто не появлялось повсюду просто так из ничего.

Если полная энергия вселенной должна всегда оставаться нулевой и если для создания тела нужно потратить энергию, то как же целая вселенная может быть создана из ничего? Вот зачем нужен закон гравитации. Поскольку гравитация притягивает, гравитационная энергия отрицательна: чтобы разделить связанную гравитацией систему — такую, например, как Земля с Луной, — нужно приложить усилия. Эта отрицательная энергия может быть уравновешена положительной энергией, необходимой для создания материи, но это не так уж просто. Отрицательная гравитационная энергия Земли, например, составляет менее чем одну миллиардную положительной энергии материальных частиц, из которых Земля состоит. Такое тело, как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем звезда меньше, чем ближе различные ее части друг к другу, тем больше будет эта отрицательная гравитационная энергия. Но прежде чем она сможет превысить положительную энергию материи, звезда сожмется и превратится в черную дыру, а черные дыры имеют положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, подобные звездам или черным дырам, не могут появиться просто так, из ничего. А вот вселенная целиком может.

Из-за того что пространство и время формируются гравитацией, пространство-время может быть локально стабильным, но глобально нестабильным. В масштабе всей вселенной положительная энергия материи может уравновешиваться отрицательной гравитационной энергией, и потому нет ограничения для возникновения целых вселенных. Поскольку существует гравитация, вселенная может возникнуть самопроизвольно из ничего путем, о котором рассказано в главе 6. Самопроизвольное рождение и есть причина того, что Вселенная существует. Нет необходимости призывать на помощь Бога, чтобы он поджег фитиль и дал начало развитию Вселенной. Именно поэтому есть что-то, вместо того чтобы не было ничего, поэтому существуем и мы.

Почему законы нашей Вселенной таковы, какими мы их описали? Окончательная теория Вселенной должна быть непротиворечива и должна предсказать конечные результаты для тех величин, которые мы можем измерить. Мы увидели, что требуется наличие закона, подобного закону гравитации, а прочитав главу 5, убедились: для того чтобы теория гравитации предсказала конечные величины, она должна обладать так называемой суперсимметрией между фундаментальными взаимодействиями в природе и материей, на которую они действуют. М-теория является общей суперсимметричной теорией гравитации. Поэтому М-теория — единственный кандидат на место полной теории Вселенной. Если же она конечна — а это еще надо доказать, — то она будет моделью вселенной, способной к самопроизвольному возникновению. Мы должны быть частью такой вселенной, поскольку другой непротиворечивой модели нет.

М-теория и есть та единая теория, которую надеялся найти Эйнштейн. То, что мы, люди, сами являясь всего лишь скоплением фундаментальных природных частиц, смогли столь близко подойти к пониманию законов, управляющих нами и нашей Вселенной, представляет собой великую победу. Но, возможно, истинное чудо в том, что абстрактные логические рассуждения привели нас к уникальной теории, предсказывающей и описывающей огромную изумительно разнообразную Вселенную, простирающуюся перед нашим взором. Если теория подтвердится наблюдениями, это станет успешным завершением поисков, длившихся более 3000 лет. Тогда мы разгадаем Высший замысел.

Словарь терминов

Альтернативные истории — понятие в квантовой теории, подразумевающее, что вероятность любого наблюдения слагается из всех возможных историй, которые могли привести к этому наблюдению.

Амплитуда вероятности — в квантовой теории комплексное число, квадрат абсолютного значения которого дает вероятность.

Антивещество — каждая частица материи имеет соответствующую античастицу. Если они встречаются, то уничтожают друг друга, оставляя чистую энергию.

Антропный принцип — представление о том, что мы можем делать заключения о видимых законах физики, основанное на факте нашего существования.

Асимптотическая свобода — свойство сильного ядерного взаимодействия ослабевать на малых расстояниях. Благодаря этому свойству кварки, удерживаемые в пределах ядра сильным взаимодействием, могут перемещаться внутри ядра так, будто на них вообще не действуют никакие силы.

Атом — основная единица обычной материи, состоящая из ядра с протонами и нейтронами, окруженного вращающимися вокруг электронами.

Барион — элементарная частица, такая как протон или нейтрон, состоящая из трех кварков.

Бозон — элементарная частица, переносящая силу.

Большой взрыв — плотное и горячее начало Вселенной. Теория Большого взрыва предполагает, что около 13,7 миллиарда лет назад та часть Вселенной, которую мы можем видеть сегодня, имела диаметр всего в несколько миллиметров. Сегодня она гораздо шире и холодней, но остатки того раннего периода мы можем наблюдать в виде космического микроволнового фонового излучения, пронизывающего все пространство.

Галактика — крупная система из звезд, межзвездного вещества и темной материи, удерживаемых вместе гравитацией.

Гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий (сил) в природе. Посредством гравитации объекты, обладающие массой, притягиваются друг к другу.

Квантовая теория — теория, в которой у объектов нет единственных определенных историй.

Кварк — элементарная частица с дробным электрическим зарядом, на которую действуют сильные ядерные взаимодействия. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков.

Классическая физика — любая физическая теория, предполагающая, что Вселенная имеет единственную, строго определенную историю.

Космологическая постоянная — параметр в уравнениях Эйнштейна, придающий пространству-времени неотъемлемое стремление к расширению.

Мезон — элементарная частица, составленная из кварка и антикварка.

М-теория — фундаментальная физическая теория, кандидат на место теории всего.

Мультивселенная — множество вселенных.

Нейтрино — крайне легкая элементарная частица, на которую воздействуют только слабые ядерные взаимодействия и гравитация.

Нейтрон — электрически нейтральный барион, который вместе с протоном образует ядра атомов.

Очевидные законы — законы природы, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной: законы четырех сил (фундаментальных взаимодействий), а также параметры, такие как масса и заряд, характеризующие элементарные частицы (в отличие от более фундаментальных законов М-теории, допускающих существование других вселенных с иными законами).

Перенормировка (ренормализация) — математический метод, разработанный для осмысления бесконечностей, возникающих в квантовых теориях.

Подход «сверху вниз» — в космологии подход, при котором истории Вселенной прослеживаются «сверху вниз», то есть от настоящего к прошлому.

Подход «снизу вверх» — в космологии подход, основанный на предположении, что существует единственная история Вселенной со строго определенной начальной точкой и что к своему нынешнему состоянию Вселенная пришла в результате эволюции от этого начала.

Принцип неопределенности Гейзенберга — закон квантовой теории, утверждающий, что определенные пары физических свойств не могут быть известны одновременно с какой угодно точностью.

Пространство-время — математическое пространство, точки которого должны обозначаться как пространственными координатами, так и координатой времени.

Протон — положительно заряженный барион, который вместе с нейтроном образует ядра атомов.

Сильное ядерное взаимодействие — наиболее сильное из четырех фундаментальных взаимодействий (сил) в природе. Оно удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Оно также удерживает от распада сами протоны и нейтроны, что необходимо, поскольку они состоят из еще меньших частиц — кварков.

Сингулярность — точка в пространстве-времени, где физические величины становятся бесконечными.

Слабое ядерное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий (сил) в природе. Слабое ядерное взаимодействие ответственно за радиоактивность и играет жизненно важную роль в образовании химических элементов внутри звезд и в ранней Вселенной.

Супергравитация — теория гравитации, включающая особый вид симметрии, называемый суперсимметрией.

Суперсимметрия — особый вид симметрии, который не может быть связан с преобразованием обычного пространства. Одно из важных следствий из суперсимметрии: частицы силы и частицы материи, а следовательно, сила и материя, на самом деле являются лишь двумя гранями одного и того же явления.

Теория струн — физическая теория, в которой частицы описываются как вибрирующие структуры, у которых имеется длина, но нет высоты и ширины — вроде бесконечно тонких отрезков струны.

Условие безграничности — требование, чтобы истории Вселенной имели вид замкнутых поверхностей без границы.

Фаза — местоположение в цикле волны.

Фермионы — элементарные частицы, из которых складывается вещество.

Фотон — бозон, переносящий электромагнитную силу; квантовая частица света.

Черная дыра — область пространства-времени, которая из-за огромной гравитационной силы отрезана от остальной Вселенной.

Электромагнитная сила — второе по силе из четырех фундаментальных взаимодействий (сил) в природе. Эта сила действует между электрически заряженными частицами.

Электрон — элементарная частица материи, имеющая отрицательный заряд и ответственная за химические свойства элементов.

Благодарность

У Вселенной есть замысел, есть он и у этой книги. Но в отличие от Вселенной книга не появляется самопроизвольно, из ничего. Книга нуждается в творце, и эта роль принадлежит не только ее авторам. Мы очень признательны и благодарны нашим редакторам Бет Рашбаум (Beth Rashbaum) и Энн Харрис (Ann Harris) за их почти бесконечное терпение. Они были нашими учениками, когда мы нуждались в учениках, нашими учителями, когда мы нуждались в учителях, и они же подгоняли нас, когда поджимало время. Они не расставались с рукописью ни на минуту, с юмором выходили из любой ситуации, будь то расстановка запятых или осесимметричное выстраивание кривой на плоскости. Мы также благодарны Марку Хиллери (Mark Hillery), который прочел большую часть рукописи и дал нам ценные указания; Кэрол Ловенстейн (Carole Lowenstein), помогавшей нам оформлять книгу; Дэвиду Стивенсону (David Stevenson), который довел до совершенства обложку; и Лорен Новек (Loren Noveck), чья скрупулезность спасла книгу от опечаток. Спасибо Вам, Питер Боллингер (Peter Bollinger), за приобщение науки к искусству — за Ваши чудесные иллюстрации, выполненные с удивительной точностью и вниманием к каждой детали. Сидни Харрис (Sidney Harris), спасибо Вам за юмористические картинки и пристальный интерес к научным проблемам. Мы уверены, что в другой вселенной Вы могли бы быть физиком. Мы очень признательны нашим издателям Элу Цукерману (Al Zuckerman) и Сьюзен Гинзбург (Susan Ginsburg) за доверие и поддержку. Они постоянно твердили: «Книгу пора заканчивать» и «О сроках не беспокойтесь — в конце концов справитесь». У них хватало мудрости, чтобы высказывать одну из этих просьб в нужное время. И наконец, благодарим личного ассистента Стивена — Джудит Кроузделл (Judith Croasdell), его помощника по компьютерной части Сэма Блэкбурна (Sam Blackburn) и Джоан Годвин (Joan Godwin) не только за оказанную техническую помощь, но и за моральную поддержку. Без них не было бы этой книги. А кроме того, они всегда знали, где найти лучший паб.

Продолжить чтение
Страницы: «« 12

Читать бесплатно другие книги:

Кибержизнь. Контуры медицины будущего
Кибержизнь. Контуры медицины будущего
Шишонин Александр
Шишонин Александр Юрьевич – практикующий врач, автор ряда эффективнейших методик в педиатрии, кардио...
Шанс. Внедрение. (Я в моей голове). Книга 1
Шанс. Внедрение. (Я в моей голове). Книга 1
Савелов Сергей
Я решил попробовать свои силы в популярном ныне разделе фантастики о «попаданцах», впечатлившись про...
Мой вредный старший брат
Мой вредный старший брат
Меньшикова Вероника
Легкомысленная принцесса островного государства Лордилья отказывается от помолвки с неприятным ей ин...
Назад к жизни
Назад к жизни
A.L.
Элис потеряла близкого друга, и теперь ей кажется, что в жизни больше нет ничего хорошего, радостног...
Привычки на всю жизнь. Научный подход к формированию устойчивых привычек
Привычки на всю жизнь. Научный подход к формированию устойчивых привычек
Янг Шон
Шон Янг, профессор медицинской школы Калифорнийского университета и доктор психологических наук, рас...
Как поддерживать порядок в доме и не сойти с ума
Как поддерживать порядок в доме и не сойти с ума
Уайт Дейна
Уморительный, прагматичный и при этом беспощадно честный взгляд на то, как мы ведем домашнее хозяйст...