Глава 3
Улыбнитесь!
Мама рассказывала, что она точно помнит, что она делала в тот момент, когда она услышала, что Джон Ф. Кеннеди убит. Мой отец точно помнит, где он находился, когда Нил Армстронг ступил на поверхность Луны. А я? Я никогда не забуду тот день, когда WMAP опубликовал свои данные.
Это было 12 февраля 2003 года, я была у себя в Бруклине и разговаривала по телефону с ветеринарной скорой помощью. Моя собака Кэссиди, черный лабрадор, забралась в кладовку, учуяв яд для тараканов, и быстро разделалась там с целой упаковкой, разжевав ее вместе с коробкой и всем прочим. Когда я увидела искромсанные остатки ее трапезы, я в панике бросилась звонить в скорую. Женщина на другом конце провода спокойно спросила меня, какой марки был яд, затем она попросила подождать несколько минут, которые понадобятся ей на поиск ингредиентов. Пока она печатала что-то на компьютере, Кэссиди, довольная собой, разлеглась на полу у моих ног. Я пролистывала свежий номер New York Times.
– Святые угодники!
– Мисс, с собакой все в порядке? – забеспокоилась оператор.
– Что? Ах да, с собакой все хорошо, извините. Опубликованы данные по космическому микроволновому фону.
– Что?
– Реликтовое излучение. Лучшее изображение ранней Вселенной.
– Уф, – сказала она. – Вы о космосе?
– Вроде того, – сказала я. – Это картина мироздания примерно четырнадцать миллиардов лет назад.
– Хорошо.
Она продолжила поиски, а я тем временем читала статью. Наиболее подробная карта Вселенной, какой она была сразу после ее рождения, с удивительной точностью подтверждает теорию Большого взрыва и открывает новую главу в ранней истории космоса… дает первое указание на природу «динамита» Большого взрыва…
– С вашей собакой должно быть все в порядке, мисс. Ингредиенты токсичны для насекомых, но не для млекопитающих. Единственное, что меня беспокоит, – это пластик. Это дешевый пластик, и он может образовать осколки в желудке. Лучше всего, если вы скормите ей батон. Хлеб обволакивает пластмассу и предотвращает от повреждений.
– Батон целиком? – спросила я.
– Да.
Я поблагодарила ее, схватила перчатки и шарф и направилась в магазин на углу за хлебом. Пока я ждала в очереди в кассу, я отправила моему отцу эсэмэску: WMAP!
Когда я вернулась в квартиру, Кэссиди встретила меня, виляя хвостом.
– Это твой счастливый день, – сказала я ей, накрошив хлеба в миску. В качестве наказания за тараканий яд я дала ей самое объемное в ее жизни лекарство. Пока она блаженно пожирала его, я открыла веб-страницу НАСА.
«НАСА опубликовало сегодня лучшие „картинки из детства“ Вселенной, когда-либо полученные. Изображения содержат такие потрясающие подробности, что это может быть один из наиболее важных научных результатов последних лет», – сообщал пресс-релиз.
Десятилетием раньше, когда спутник COBE сделал первые снимки новорожденной Вселенной, будущий лауреат Нобелевской премии Джордж Смут сказал, что это как если бы мы увидели лицо Бога. Новый космический зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона, известный по аббревиатуре своего английского названия как WMAP и обладающий в тридцать пять раз более высокой чувствительностью, мог теперь разглядеть его слабые веснушки и тончайшие морщины у губ. Пресс-релиз пояснял, что данные подтверждают теорию Большого взрыва и инфляционную модель, которые являются основой космологической стандартной модели. Прислушавшись, вы могли бы услышать звук откупориваемого шампанского.
Стандартная модель началась с Большого взрыва. С Эдвина Хаббла, наблюдавшего на горе Уилсон за галактиками, разбегающимися в бесконечных просторах пространства и времени. С Эйнштейна, с ужасом осознавшего свою величайшую ошибку: находясь в плену своих философских предрассудков, он упустил возможность сделать из своих уравнений самый неординарный вывод: что Вселенная расширяется и что пространство-время растягивается, растет вокруг нас.
Физикам не понадобилось много времени, чтобы мысленно прокрутить фильм назад во времени, пронаблюдать, как галактики устремляются навстречу друг другу, Вселенная становится все меньше и меньше, плотнее, жарче, сжимаясь в одну точку.
Если Вселенная зародилась в огне, то от него должен был остаться дым. Космос должно наполнять излучение рождающейся Вселенной, за четырнадцать миллиардов лет расширения растянутое в микроволновое фоновое излучение с температурой межзвездного пространства чуть-чуть выше абсолютного нуля. Арно Пензиас и Роберт Вильсон, два радиоастронома, работавших в Лаборатории имени Белла в 1965 году, случайно обнаружили излучение во время поиска источника постоянного статического шума их антенны. Сначала они думали, что виной всему был голубиный помет. Оказалось, что это было реликтовое излучение, и они стали лауреатами Нобелевской премии.
Но что-то в истории о реликтовом излучении не складывалось. Оно обладало одной и той же температурой, независимо от направления наблюдения на небе. Выбираем мы участок неба на расстоянии двенадцати миллиардов световых лет от нас в одном направлении, измеряем температуру микроволнового фона, и она оказывается равной 2,7 кельвинам. Выбираем другой участок неба на расстоянии двенадцати миллиардов световых лет от нас в противоположном направлении – и снова 2,7 кельвина. Разделенные расстоянием в двадцать четыре миллиарда световых лет, эти две области не могли узнать друг о друге всего за четырнадцать миллиардов лет истории Вселенной. Но они обладали одной и той же температурой, измеренной с точностью невероятной, чтобы это было просто совпадением. Чего-то в этой картине недоставало.
Решение проблемы пришло к Алану Гуту, тогда еще никому неизвестному постдоку[14] из Стэнфордского университета, поздней декабрьской ночью 1979 года как внезапное озарение. Он размышлял о монополях. В то время физики считали, что при чрезвычайно высоких температурах в первые мгновения после Большого взрыва все взаимодействия частиц объединены в единую суперсилу, которая затем разделяется на свои составляющие по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается. У этой идеи был один существенный недостаток. Когда температура снижается, суперсила – это не единственное, что подлежит расщеплению на составляющие: пространство-время само должно будет претерпевать топологические повреждения. Подобно воде, превращающейся в кристаллы льда, фрагменты пространства-времени при замерзании превращаются в экзотические частицы – согласно предсказанию теории, у них должен быть только один магнитный полюс, и поэтому они получили название монополей, однако их существование не было экспериментально подтверждено и оставалось гипотетическим. Неудача в поисках монополей представляла собой серьезную проблему для теории, которая предсказывала, что во Вселенной монополи более многочисленны, чем атомы.
Посидев над задачей, Гут понял, каким мог быть Большой взрыв, чтобы в пространстве-времени не было монополей. Решение пришло внезапно, и он записал в своем блокноте: «Захватывающий сценарий!»
Идея Гута заключалась в том, что, если в первые доли секунды расширения Вселенной некоторые ее части удаляются со скоростью больше скорости света, то любые монополи, возникнув в результате Большого взрыва, очень быстро окажутся за пределами области, доступной для каких-либо реальных наблюдений. Такое быстрое раздувание, называемое инфляцией, объясняет, почему никто никогда не наблюдал монополи в природе. И, в качестве бонуса, это также объясняло, почему значение температуры реликтового излучения распределено в пространстве настолько равномерно.
Почему области пространства, расположенные настолько далеко друг от друга, что даже свету не хватило бы всего времени существования Вселенной, чтобы из одной попасть в другую, имеют одну и ту же температуру, объяснить не просто. Ведь у них не было времени прийти в состояние термодинамического равновесия. Теория инфляции находит это дополнительное время за счет того, что некоторые области удаляются друг от друга со скоростью большей скорости света. Само по себе сверхсветовое расширение кажется находящимся в вопиющем противоречии с теорией относительности, но здесь имеется своеобразная космическая лазейка: хотя ничто в пространстве-времени не может двигаться быстрее, чем свет, нет закона, запрещающего самому пространству-времени расширяться со сверхсветовой скоростью. У фотонов не было нужного времени, чтобы обеспечить термодинамическое равновесие между удаленными областями, но если сами эти области удаляются друг от друга со сверхсветовыми скоростями, у фотонов появляется дополнительный запас времени, позволяющий им добраться до самых далеких уголков космоса гораздо быстрее, чем они могли бы, двигаясь сами по себе.
Конечно, чтобы теория заработала, необходим какой-то физический механизм, который заставит Вселенную раздуваться, словно рыба фугу. И Гут его придумал. Он предположил, что новорожденная Вселенная была заполнена полем гипотетических частиц – инфлатонов, представляющим собой ложный вакуум, то есть состояние неустойчивого равновесия с энергией, превышающей энергию основного состояния. Его можно сравнить с мячиком, катящимся с горы вниз и на мгновение задержавшимся на случайном выступе на полпути. Легкого толчка достаточно, чтобы столкнуть его дальше вниз, к основному состоянию, которое мы в этом случае называем землей. В случае с инфлатонами толчок к более низкому энергетического состоянию обеспечивают квантовые флуктуации. В этот момент в пространстве-времени действует отрицательное давление, своего рода антигравитационная сила, которая заставляет Вселенную экспоненциально расширяться, увеличиваясь в миллион триллионов триллионов раз в течение всего долей секунды. Как выразился Гут, инфляция объясняет, что начинает взрываться.
Когда Вселенная перейдет в истинный вакуум, вся кинетическая энергия инфлатонного поля высвободится, разогрев зарождающуюся Вселенную до тысячи триллионов триллионов градусов и заполнив ее излучением. То, что когда-то было крошечной квантовой флуктуацией плотности материи и энергии размером порядка 10—33 сантиметра, теперь растянулось до астрономических размеров, покрытое тонкой рябью и рассеченное глубокими долинами на всем протяжении пространства, определяя гравитационный ландшафт, которому в конечном счете предстоит стать сетью звезд и галактик.
Горячая Вселенная продолжает расширяться за счет инерции инфляции. Первые 380 000 лет горячая плазма настолько плотно заполняет пространство, что даже свет не может распространяться через него. Любой фотон, который пытается выкарабкаться оттуда, быстро поглощается протонами или электронами. Но по мере расширения Вселенной ее температура снижается, и частицы замедляются в достаточной степени, чтобы образовывать связанные состояния. По мере того как материя самоорганизуется в ядра, а затем и в атомы, фотоны, высвобожденные из непрозрачной плазмы, устремляются путешествовать по Вселенной самостоятельно. Эти высвобожденные фотоны первого поколения как раз и составляют микроволновой фон, отпечаток Вселенной от времени.
В то время как фотоны беспрепятственно распространяются в пространстве, частицы собираются в областях с повышенной плотностью, высеченных квантовыми флуктуациями, положив начало цепной реакции гравитационного коллапса. Материя громоздится и уплотняется, ее температура неуклонно растет, пока, примерно через двести миллионов лет, не запустится ядерный синтез. В этот момент пейзаж резко изменяется: звезды начинают сиять во тьме, рассеянные по всему небу. Цепная реакция продолжается – звезды сливаются в галактики, галактики в кластеры, кластеры в сверхскопления.
Все это время Вселенная продолжает лениво расширяться. В конце концов родилась звезда, вокруг которой какой-то каменистый мусор образовал планетарную систему. На одной конкретной каменистой планете, третьей от звезды, такие элементы, как кислород, водород и углерод, оказались вместе, элементы, рожденные в печах других звезд, взорвавшихся суперновых, и преодолевшие пустое пространство, чтобы в один прекрасный день оказаться на счастливой планете, где они смогли объединиться и создать условия, пригодные для жизни. Жизнь из какой-то первобытной слизи росла, размножалась и эволюционировала до тех пор, пока – раз! – и не появились на свете мы.
Только история на этом не заканчивается. Если инфляция и в самом деле была, то она была не раз. Пока наша скромная Вселенная эволюционировала, вокруг происходило что-то гораздо, гораздо большее. Благодаря квантовой случайности ложный вакуум, из которого родилась наша Вселенная, не мог распадаться везде с одной и той же скоростью. В то время как одна область ложного вакуума скатывалась в основное состояние, с возникновением нашей Вселенной, другие области отставали. В конце концов они также испытают распад, образуя другие вселенные, навсегда изолированные от нашей собственной. И так далее, до бесконечности… Не важно, как много родилось вселенных, всегда существуют области ложного вакуума, и процесс возникновения вселенных никогда не заканчивается. Инфляция идет перманентно.
Даже если мы допустим, что расширение произошло единожды в нашей космической истории, мы вдруг обнаружим бесконечное число вселенных за пределами нашей собственной, постоянно растущую мультивселенную, Мета-Вселенную с большой буквы, состоящую из причинно не связанных малых вселенных, возникающих последовательно одна из другой в непрерывном процессе рождения и размножения. И хотя все они подчиняются некоторым общим фундаментальным законам физики, каждая вселенная рождается со своими локальными законами, своей геометрией, своим набором физических констант, своим семейством элементарных частиц, своим собственным спектром взаимодействий и своей уникальной историей. Реальность в целом напоминает необъятное космическое лоскутное одеяло, дико разнообразное и быстро устремляющееся в бесконечность.
Данные WMAP позволили космологам составить подробную карту микроволнового излучения неба, на которой видны небольшие отклонения от средней температуры, горячие и холодные пятна, температуры которых различались лишь на одну стотысячную градуса… Эти пятна образовались на этапе, когда плотная плазма все еще заполняла раннюю Вселенную, они – свидетели борьбы между гравитацией и электромагнетизмом. Если гравитация пыталась плотнее сжать плазму, то электромагнитное излучение пыталось раздуть ее. Это напоминало игру с перетягиванием каната, сжатие и растяжение меха плазменной гармошки. Когда плазма плотнее сжата, она нагревается, а когда она расширяется, она охлаждается, оставляя за собой горячие и холодные области, которые WMAP обнаружил четырнадцать миллиардов лет спустя.
Эти колебания – отпечатки пальцев, вещественные доказательства эволюции ранней Вселенной. Трудно было поверить, что цветные пятна, выглядевшие случайно разбросанными по карте, на самом деле содержат подробную информацию о Вселенной, ее происхождении и эволюции. Такие точные данные, как данные WMAP, переводят космологию из спекулятивной в разряд строгих наук, наравне с астрономией и астрофизикой. В космологии начинался золотой век, и космологи были готовы устроить по этому поводу большой праздник.
И на самом деле такой праздник был уже даже запланирован. Я узнала об этом из интернета: большая четырехдневная конференция должна была пройти через месяц в Калифорнийском университете в Дейвисе. Я должна была туда попасть!
Я позвонила отцу.
– Четыре дня солнца и космологии! – сказала я. – Если мы хотим понять происхождение Вселенной, то это те самые люди, которые смогут нам все объяснить. Ты должен поехать со мной!
Он вздохнул:
– Я хотел бы, но не смогу. Мне необходимо было предупредить об этом на работе заранее. Но ты должна туда поехать! Быть журналистом. Записывай как можно больше для меня.
Я повесила трубку, не зная, хочу ли ехать туда одна. У нас была общая миссия; выступление соло казалось мне неправильным. Я имею в виду именно поездки на конференции по физике, они были нашим делом – насколько, конечно, сделанное один раз можно считать «делом». При этом я в одиночку брала интервью у Фотини Маркопулу, но, похоже, это было не совсем то же самое. Главная идея нашей борьбы за повышение своего журналистского рейтинга заключалась в том, чтобы использовать его для создания новых кротовых нор ко все большему числу конференций. Заново обдумывая это решение, я совсем не была уверена, что наш рейтинг помогал бы отцу проникать куда-либо, но тогда это казалось маленькой технической трудностью, из тех, что преодолеваются по мере поступления. Теперь я начала сомневаться, достаточно ли хорошо я все взвесила за те пять секунд, которые понадобились мне, чтобы его принять. Возможно, что оно было слишком спонтанно. Выбирая карьеру научного журналиста, я понимала, что наши пути в скором времени разойдутся, подобно двум параллельным мировым линиям, которые, находясь в блаженном неведении, пересекают искривленное пространство, и, оглядываясь назад, я вижу, как росла дистанция между нами, несмотря на все наши усилия, направленные на то, чтобы продолжать двигаться вместе по прямой.
Но какой был у меня выбор? Мне было двадцать два, и я могла позволить себе проводить время в идеалистических грезах. Это было похоже на путешествие с рюкзаком по Европе, если только забыть о том, что ни за какие коврижки я не буду таскать на себе рюкзак, и тем более о том, что нужные мне на месяц одежда и обувь ни в какой рюкзак не поместятся. Итак, я выбрала окончательную реальность. И чем же мне пришлось ради этого пожертвовать? Работой в онтологически сомнительном журнале в квартире какого-то парня. Для моего отца все было совершенно иначе. Он уже выбрал свой путь. У него были семья, дом и карьера. Он работал в больнице каждый день, с утра до вечера, от него зависело спасение человеческих жизней. Он не собирался взять и бросить свою работу. Даже если бы он и захотел, у него бы ничего не вышло, потому что мама никогда бы не отпустила его в свободное плавание.
«Я должна продолжать путь в одиночку, – подумала я, – зная, что я делаю это за нас обоих». Я отправила электронное письмо тому, кто отвечает за регистрацию журналистов. «Я пишу о физике, – сообщала я. – Я работаю внештатно с журналом Scientific American». Это было почти правдой, за исключением того, что я использовала настоящее время. Мое интервью с Маркопулу было опубликовано в предыдущем выпуске журнала. Организаторы конференции сразу предоставили мне пресс-пасс, и я забронировала билет в Калифорнию.
Несколько недель спустя, прибыв в Дейвис, я наслаждалась, после промозглого Бруклина, теплым калифорнийским воздухом. Каждое утро я проходила пешком несколько кварталов от моего отеля до университетского кампуса ради восьми часов лекций по физике, перемежающихся кофе-брейками и обедом. Я яростно строчила в своем блокноте, стараясь поспеть за докладчиками, выступавшими со сцены, пытаясь продраться сквозь слои научного жаргона и понять, о чем, черт возьми, все они говорили. Получалось это у меня не очень хорошо. В мире, к которому я не принадлежу и языком которого не владею, я так и не почувствовала себя как дома.
Не сказать, чтобы я совсем выпадала из этого общества. Мой пол, возраст и сомнительный род занятий, конечно, давали о себе знать. Но я сделала все от меня зависящее, чтобы слиться с окружением. Я прикрыла мои татуировки рубашкой с длинными рукавами. Я носила мокасины. Я пыталась не привлекать особого внимания.
Большинство докладов были посвящены тому, что́ данные WMAP означают для нашего понимания Вселенной. Для начала они позволили более точно определить возраст Вселенной, который составил 13,7 млрд лет. Далее они предоставили уникальную возможность определиться с геометрией Вселенной.
Благодаря гравитации наше пространство искривлено. При этом возможны три варианта космической геометрии: Вселенная может иметь положительную кривизну, подобно поверхности сферы; отрицательную кривизну, подобно поверхности седла; или быть плоской, как обычное евклидово пространство, в котором параллельные линии не расходятся и не пересекаются.
Лучший способ определить геометрию пространства – это нарисовать большой треугольник и сложить его углы. Если их сумма больше 180 градусов, вы будете знать, что пространство положительно изогнуто; если их сумма меньше, то кривизна отрицательна.
Слушая доклады, я узнала, что реликтовое излучение позволяет построить идеальный космический треугольник со спутником WMAP в самом остром из его углов. Траектории двух фотонов, испущенных из противоположных концов горячего или холодного пятна, представляют собой две равные стороны длинного узкого треугольника, их длина определяется временем, которое свет провел в пути, поскольку плазма излучила фотоны одновременно. Длина третьей стороны треугольника определяется расстоянием, на которое звуковые волны могут распространиться за 380 000 лет, то есть поперечным размером горячего или холодного пятна.
Зная длины всех трех сторон и используя простейшие законы тригонометрии, физики вычислили, что углы у основания треугольника составляют каждый 89,5 градусов, или в сумме 179 градусов. Теперь им просто нужен третий ближайший к нам угол. Если фотоны распространялись вдоль прямой линии, этот угол будет равняться одному градусу, доведя общую сумму до 180. Если их траектории были выгнуты наружу, как если бы они прошли сквозь положительно изогнутую Вселенную, то этот угол будет больше, а если их траектории были вогнуты внутрь из-за отрицательной кривизны, то этот угол был бы меньше. Согласно данным WMAP, третий угол равнялся точно одному градусу. Мы живем в евклидовом пространстве.
Но оставалась одна проблема. Геометрия Вселенной определяется суммарной массой или, с учетом того, что E = mc2, энергией, которую она содержит. Как сказал бы Уилер, масса говорит пространству, как ему искривляться. Для того чтобы Вселенная была плоской, требуется критическая плотность массы, соответствующая в среднем шести атомам водорода на один кубический метр. На первый взгляд это совсем не много. Можно подумать, что в космосе наберется более чем достаточно материала, с учетом всех звезд и галактик. Но нет. И даже не близко.
Обычная материя – частицы, такие как протоны, электроны и кварки, – составляет жалкие 4 % от того, что нам нужно, чтобы набрать критическую плотность. Наша планета, звезды, мы сами – все, что мы видим и знаем, – дает пренебрежимо малый вклад в космическую систему вещей. Это не более чем скорбная, хоть и сияющая, вершина огромного темного айсберга.
Так что же еще находится во Вселенной? У физиков на этот счет есть несколько идей.
С одной стороны, они уже давно знали, что во Вселенной содержится гораздо больше материи, чем видит глаз. Это было обнаружено благодаря простому факту: галактики не рассыпаются на миллиарды звезд, покидающих свой галактический дом во всех направлениях. Некая сила притяжения удерживает их вместе, собрав в тугую спираль или эллиптические образования, несмотря на то что общая масса всех звезд в типичной галактике не обеспечивает достаточной гравитации, чтобы проделать этот фокус. Что-то еще должно прятаться тут, скрытое в темном пространстве между звездами или окружающее каждую галактику невидимым забором, не позволяя звездам вылетать из нее. Это что-то должно обеспечивать необходимую силу тяжести, но одновременно оставаться невидимым, это что-то крепкое и твердое, как и материя, но не безразличное к электромагнетизму. Что-то темное.
Астрономы подсчитали, сколько этой темной материи скрывается в космосе. Но когда вы сложите ее с видимой частью материи, то получите только 27 % общей массы и энергии, необходимых для того, чтобы распрямить Вселенную. Неизвестные 73 % по-прежнему отсутствуют.
Введем темную энергию. В конце 90-х годов две команды астрофизиков – одна под руководством Сола Перлмуттера, другая под руководством Брайана Шмидта и Адама Рисса – занимались поисками сверхновых звезд в надежде измерить скорость расширения Вселенной. Они знали, что все началось с инфляционного раздувания, но считали, что затем расширение Вселенной стало замедляться, сдерживаемое гравитацией, и так и продолжает замедляться до сих пор.
Перлмуттер, Шмидт и Рисс поняли, что история расширения Вселенной записана в свете от взорвавшихся когда-то звезд. Некоторые виды сверхновых звезд, так называемые стандартные свечи, светят всегда с одной и той же силой, даже если кажутся несколько потускневшими из-за большого расстояния до них. Именно то, насколько потускневшей мы видим стандартную свечу, позволяет определить, как далеко от нас она находится. По мере того как ее свет проходит через расширяющееся пространство, его волны удлиняются, смещаясь по спектру в красную сторону. Это красное смещение показывает, насколько Вселенная расширилась за время, которое потребовалось свету, чтобы добраться до нас. Регистрируя свет от многих стандартных свечей, расположенных на различных расстояниях, физики нанесли на карту историю расширения Вселенной. Оказалось, что расширение Вселенной не только не замедляется. Оно ускоряется.
Что же может ускорить расширение Вселенной вопреки замедляющим его силам гравитации? Какие-то таинственные темные силы должны пронизывать пустоту межзвездного пространства, прячась в глубинах вакуума, расталкивая его, как своего рода антигравитация, заставляя пространство-время расширяться все быстрее и быстрее. Сколько этой темной энергии содержится в космосе, если судить по наблюдениям за сверхновыми звездами? Ответ похож на чудо. Это именно то количество, которое требовалось, чтобы покрыть недостаток плотности массы-энергии в плоской Вселенной: 73 %.
Все данные находились в довольно впечатляющем согласии друг с другом. Что касается инфляционной модели, то WMAP подтвердил ее наиболее общие предсказания. Флуктуации температуры не проявляют характерного масштаба, а горячие и холодные пятна были распределены случайным образом. Было кое-что и сверх того: плоская Вселенная точно соответствовала предсказаниям инфляционной модели, потому что даже если пространство в ранней Вселенной было сильно искривлено, то со временем радиус кривизны увеличится до такой степени, что пространство будет казаться плоским, как кажется плоской земля под моими ногами. Физики были так довольны полученными WMAP подтверждениями инфляционной модели, что просто светились от счастья. Уже ходили слухи, что Гут может получить Нобелевскую премию.
Но за праздничным настроением угадывалось что-то и не совсем радостное. Не все детали головоломки, разгаданной WMAP, встали на свои места. Инфляционная модель предсказывала, что флуктуации температуры должны быть на любых масштабах, а в наблюдениях они резко останавливались, если размер области звездного неба превышал 60 градусов. Эта проблема известна как «аномально низкая мощность квадрупольной компоненты реликтового излучения», и при всяком ее упоминании лица физиков мрачнели. У меня было такое чувство, что она может быть слишком важна, чтобы ей можно было пренебречь.
Если и есть в физике сюрреалистическая суперзвезда вроде Майкла Джексона, то это Стивен Хокинг. Увидеть его живьем – нечто на грани фантастики! Даже другие физики, многие из которых знали его в течение многих лет как коллегу и близкого друга, казалось, тушевались в его присутствии.
Во время одной из лекций я сидела прямо за Хокингом. Я старалась изо всех сил сконцентрировать свое внимание на докладчике, но была буквально загипнотизирована словами, возникавшими на экране компьютера, вмонтированного в поручень его инвалидной коляски. У парализованного в результате тяжелого заболевания Хокинга подвижность осталась лишь в мимической мышце щеки, напротив которой был закреплен датчик, и с его помощью он мог управлять курсором на мониторе. Курсор постоянно прокручивается через каталог наиболее часто используемых слов, и движением мышцы щеки он мог выбрать одно слово из списка. Так, слово за словом, Хокинг медленно, с трудом, строил предложения, последние затем отправлялись на синтезатор речи, выговаривавший фразы голосом робота, которому не хватало не только человеческих чувств, но и, как сетовал Хокинг, британского акцента.
Видя его сидящим передо мной в инвалидной коляске, чем-то похожим на сдувшийся воздушный шар, я почувствовала еще больший трепет перед всем тем, что он смог сделать в своей жизни. И когда я смотрела на слова, появлявшиеся на его мониторе, прекрасно зная, что это не более чем случайным образом сгенерированные списки, я не могла отделаться от мысли, что если бы удалось увидеть их поближе, я смогла бы разгадать тайну Вселенной.
Когда на конференции был объявлен перерыв на обед, все направились к выходу. Обед не был предусмотрен организаторами конференции, и поэтому мы самостоятельно выбирали себе место, где можно было перекусить. Я заметила Лизу Рэндалл, физика из Гарвардского университета – она стояла одна и, скорее всего, ждала кого-то, поэтому я подошла к ней и представилась. В своем выступлении Рэндалл обсуждала происхождение таинственного инфлатонного поля, и я была рада услышать об этом, так как сама размышляла на ту же тему. Инфлатонное поле в состоянии ложного вакуума отвечало за начало инфляции и образование большой, равномерно заполненной звездами Вселенной, которую мы знаем и любим. Но что же породило сами инфлатоны? Какие-то другие таинственные поля? А что породило в свою очередь их? Это как башня из черепах? Я собиралась задать ей эти вопросы, но в этот момент к нам подошли еще несколько физиков со словами:
– Мы нашли ресторан. Пошли обедать!
Они, казалось, обращались и ко мне тоже – или, по крайней мере, они никак не дали мне понять, что не хотят видеть меня в их компании, и я восприняла это как приглашение.
Так я увязалась за ними и вскоре очутилась за длинным столом в простом итальянском ресторанчике в компании с сэром Мартином Рисом из Королевского астрономического общества Великобритании, Дэвидом Шпергелем, физиком из Принстона, сыгравшим ключевую роль в анализе данных WMAP, Рэндалл и несколькими первостатейными журналистами.
Мы с Лизой Рэндалл в Калифорнийском университете в Дейвисе.
Фото: Д. Фальк.
После того как каждый сделал свой заказ, зазвучало страшное слово на А – страшное, но неизбежное сегодня, учитывая его способность объяснить необъяснимое.
Например, темную энергию. Физики знали из наблюдений сверхновых, а теперь – и из данных WMAP, что плотность темной энергии чрезвычайно мала, всего 10–23 граммов на кубический метр пространства – едва слышимый шепот в темной пустоте, но шепот, который на больших расстояниях превращается в явственный вой.
Это происходит потому, что темная энергия, скорее всего, внутреннее свойство пустого пространства самого по себе, «космологическая константа», как окрестил ее Эйнштейн. Ее сила заключается в самом постоянстве – по мере того как пространство расширяется, все, содержащееся в нем, становится менее плотным, – кроме темной энергии, чья плотность остается постоянной. Больше пространства – больше темной энергии: своеобразная разновидность положительной обратной связи.
Вы можете подумать, что физики способны предсказать наблюдаемую плотность темной энергии, учитывая все, что они уже знают о квантовом вакууме. Действительно, квантовая теория поля предоставляет все необходимые инструменты, чтобы рассчитать энергию вакуума. К сожалению, теория здесь дает абсолютно неверный ответ. Согласно теории, плотность энергии вакуума должна быть бесконечной. Ясно, что она не может иметь бесконечное значение, иначе мы все были бы разорваны в клочья быстро расширяющимся пространством. Поскольку предметы вокруг нас не разрушаются спонтанно, вакуум должен быть достаточно безопасным их местонахождением, по крайней мере на атомных и даже несколько больших масштабах. Так что если она не бесконечна, решили физики, то должна быть равна нулю.
На первый взгляд, это звучит немного странно, но ноль и бесконечность больше похожи друг на друга, чем вы думаете. Они представляют собой два наиболее простых и элегантных результата численных расчетов. Теория, которая предполагает, что некоторое число должно быть равно нулю или бесконечности, гораздо более элегантна, чем та, которая дает, например, число 3,746. Конечные числа могут показаться довольно случайными. Так что если исключить бесконечность, то следующим наилучшим выбором должен быть ноль. Физики предположили, что вакуум может обладать некоторым свойством с положительной и отрицательной составляющими в равных количествах, дающими в сумме идеальный ноль.
Но это было до того момента, как астрофизики поменяли карандаши на телескопы и фактически измерили значение темной энергии, обнаружив, что оно равно почти нулю, но не совсем. Это был худший сценарий: маленькое, но конечное число. Чтобы получить правильное значение, необходим какой-то механизм, который берет бесконечности из квантовой теории поля, сокращает их до 120 десятичных знаков, а затем чудесным образом останавливается, оставляя в результате мизерное значение. Мизерное значение, которое управляет всей Вселенной.
Число, появляющееся в результате такой тонкой настройки, само по себе редкость, чтобы не сказать больше, и физики не смогли найти для него ни одного хорошего объяснения. В отчаянии они обратились к слову на А. Так уж случилось, что плотность темной энергии прямехонько попала в узкий диапазон значений, при которых возможно существование атомов, звезд, углерода и, в конечном счете, жизни. Немного больше или немного меньше, и существование нашей Златовласки было бы недолгим. А это обстоятельство значительно ухудшает все дело – теперь значение плотности оказывается не только невероятно странным, но и, по случайному совпадению, именно настолько странным, насколько необходимо для жизни. Нам повезло. От этой случайности неприятно попахивает фатализмом и телеологией. Но здесь есть одна хитрость. Значение плотности темной невероятно странное, только если предположить, что наша Вселенная – единственная. Однако мы знаем, что в рамках инфляционной модели получить единственную изолированную Вселенную практически невозможно. Как только в результате инфляции родилась одна Вселенная, вы будете иметь дело с бесконечным количеством похожих вселенных, с огромной и разнообразной мультивселенной. Если каждая из этого бесконечного набора вселенных обладает разным собственным количеством темной энергии, то наше мизерное значение становится не только вероятным, но и неизбежным.
Это дает ответ, но совсем не того рода, на который надеялись физики, это было объяснение, накладывающее неприятное ограничение на саму природу объяснения. Физики любят красивые законы, демонстрирующие единство и неизбежность. Они любят элегантные расчеты, сингулярные решения, и уверены, что мир должен быть именно таким, каков он есть, потому что он является отражением гармонии и порядка, которые пронизывают космос платонического совершенства. Никто из них не хотел бы думать, что мир устроен случайным образом. Для них сама эта мысль была бы угнетающей.
Рис, который был чрезвычайно вежлив и казался вылепленным из воска, пояснил, что он относится к идее мультивселенной весьма серьезно и считает, что обращение к антропному принципу не только оправдано, но и необходимо. И все-таки, сказал он, физики должны продолжать работать так, как будто его нет, в противном случае они рискуют совсем облениться. Они должны по-прежнему продолжать пытаться выводить физические законы на основе фундаментальных принципов, даже если это и не всегда получается. Шпергель не разделял его энтузиазма. Антропный принцип, сказал он, означает, что наука сдала свои позиции.
Сидя молча, я все вспоминала, как однажды Уилер написал: «Если антропный принцип, то почему антропный принцип?» Для Уилера это «слово на А» было не объяснением, а, скорее, ключом к разгадке роли наблюдателя в происхождении Вселенной, ключом к природе окончательной реальности.
Я собрала все свое мужество, чтобы довести до своих соседей эту мысль, когда Рис вдруг перевел разговор на политику, борьбу с биотерроризмом и ядерную войну. За панини и кофе эспрессо он пояснил, что шансы человечества уничтожить себя к концу двадцать первого века очень высоки, не менее чем 50 на 50. Для рыцаря он был как-то уж слишком серьезен.
Среди замечательных людей, собравшихся на конференции, был один, возможная беседа с которым смущала меня больше всего, – Тимоти Феррис. Может быть, потому, что Феррис был писателем, а не физиком. Его книга Coming of Age in the Milky Way всегда мне очень нравилась, я восторгалась его книгами и была его фанатом.
Итак, на следующий день, как и другие участники конференции, я пришла послушать доклады и заметила, что Феррис занял место в первом ряду. Я быстро скользнула в кресло позади него, надеясь рано или поздно придумать какой-нибудь предлог, чтобы завязать разговор. Но так и не придумала. А когда лекция закончилась, Феррис обернулся и спросил:
– Как вы собираетесь попасть на банкет сегодня вечером?
Организаторы конференции запланировали банкет в Калифорнийском музее железной дороги, находящемся примерно в получасе езды отсюда, в историческом районе Сакраменто.
– Думаю, они повезут нас туда на автобусе, – сказала я.
Феррис взглянул на меня, словно говоря: «Неужели я похож на тех парней, которые ездят на автобусах?»
– Я здесь на машине, – сказал он. – Мне надо только узнать, как туда проехать. Я не хочу терять время в ожидании автобуса. Эти конференции хороши своей физикой, но что до светских мероприятий…
Он улыбнулся со знанием дела:
– Если вы решите, что с вас довольно и вам пора, просто разыщите там меня. Я отвезу вас обратно в Дейвис.
Мне не терпелось узнать побольше о беспокоящей всех квадрупольной аномалии. К счастью, во время одного из перерывов мне представилась такая возможность. Когда все вышли на улицу, наслаждаясь калифорнийским солнцем, я подошла к Лайману Пейджу, физику из Принстона и одному из ведущих исследователей из команды WMAP, и представилась.
– В чем проблема с этими квадруполями? – спросила я его.
Пейдж объяснил, что отсутствие температурных флуктуаций на масштабах больше шестидесяти градусов подразумевает какие-то ограничения, накладываемые на размер пространства как такового.
В этом есть свой смысл. Температурные флуктуации были сформированы, когда горячая плазма в ранней Вселенной сжималась и расширялась, подобно космическому аккордеону, игравшему по всему пространству. Если мы не наблюдаем никаких флуктуаций на масштабах больше шестидесяти градусов на небесной сфере, то это означает, что на масштабах больше шестидесяти градусов на небесной сфере нет никакого пространства. Как если бы Вселенная была конечна. Конечно, эти шестьдесят градусов соответствуют размеру Вселенной на тот момент, когда реликтовые фотоны впервые вырвались на свободу. За прошедшие с того момента 13,7 млрд лет Вселенная значительно расширилась. Итак, вопрос состоит в следующем: если размер пространства тогда ограничивался областью размером около шестидесяти градусов на сегодняшнем небе, где находится граница пространства сегодня?
Ответ был шокирующим. Низкая мощность квадрупольной составляющей излучения подразумевает не только то, что Вселенная конечна, но и то, что она имеет небольшой размер по космологическим стандартам. Она подразумевает, что Вселенная была почти такого же размера, как ее наблюдаемая часть. Иными словами, если бы мы могли каким-то образом заглянуть за пределы нашего светового конуса, мы бы там ничего не обнаружили.
– Может быть, дело в аппаратном сбое? – спросила я.
– Нет, – сказал Пейдж. – Дело не в этом. Эффект стабилен. Эту же проблему мы видели раньше в данных COBE, только там отношение сигнала к шуму было хуже. Обнаружить то же самое в данных WMAP – это нам как звонок, напоминающий, что мы имеем тут дело с чем-то, вероятно, по-настоящему новым.
Мне пришлось задуматься об инфляционной модели. Главная идея теории состояла в том, что пространство-время расширялось далеко за пределами нашего космического горизонта, расширялось до таких огромных размеров, что все монополи исчезли за ним, а кривизна пространства стала пренебрежимо мала.
– Если это правда и Вселенная действительно небольшая, – спросила я, – то как быть с инфляцией?
– Если не брать здесь в расчет Линде, то девяносто процентов корифеев по теории инфляции говорят, что теперь нам нужна другая модель. Идея конечной Вселенной – это нечто уж слишком странное, – сказал Пейдж. – Вероятно, нам придется признать, что весь механизм не работает. Я думаю, что это беспокоит нас всех.
Мне заинтересовало, почему Пейдж выделил космолога Андрея Линде как корифея, который не откажется от инфляционной модели даже при наличии в ней конечной Вселенной, и, увидев его во дворе, я направилась в его сторону. Я подумала, что, может, он знает, как спасти теорию инфляции в сложившихся обстоятельствах – у меня тогда и в мыслях не было, что Линде просто был одним из основоположников инфляционной теории.
Представившись, я спросила его, не придется ли физикам отказаться от инфляционной теории, если аномально низкая мощность квадрупольной компоненты окажется реальной проблемой. Очевидно, спрашивать Андрея Линде, сможет ли он отказаться от инфляционной модели, было все равно, что спрашивать папу римского, сможет ли он плюнуть на Библию.
– Никому нельзя отказываться от инфляции! – закричал он с сильным русским акцентом.
Я съежилась и судорожно огляделась, ожидая, что все вокруг оставят свои дела или даже в страхе ретируются, но никому, казалось, до нас и дела нет. Между тем Линде продолжал:
– Если у вас есть модель, которая объясняет, почему Вселенная изотропна и почему возникли эти флуктуации плотности, то вам не стоит отказываться от этой теории, пока у вас нет другой, которая может так же хорошо объяснить эти явления. Инфляция может подавить флуктуации на больших угловых масштабах; она просто требует тонкой настройки, и это некрасиво. Но Вселенная сама уродлива – стандартная модель уродлива, космологическая постоянная уродлива, темная материя, темная энергия, 90 % Вселенной, – что, черт возьми, это такое? Это все уродливо. Но это не означает, что нужно отказаться от теории инфляции.
Алан Гут, герой дня, выглядел странновато для ученого, которому все прочили Нобелевскую премию по физике в самом скором времени. Ему было за пятьдесят, но он продолжал светиться какой-то мультяшной молодостью, со своей копной каштановых волос и огромным желтым рюкзаком. Он был известен тем, что спал на каждом докладе, просыпаясь как раз вовремя, чтобы задать нетривиальный вопрос по существу обсуждавшейся проблемы – этот феномен я уже не раз наблюдала сама. Я спросила его, есть ли у него время поговорить со мной, и он милостиво согласился. В перерыве между докладами, без тени сна на лице, он вышел поговорить со мной на свежем воздухе.
– Теория инфляции говорит нам, что происходило в первые доли секунды после того, как Вселенная родилась, – сказала я. – Но что мы знаем о самом ее рождении?
– Никакой ясной теории, как возникла Вселенная, у нас нет, – сказал Гут. – Но существуют разного рода спекуляции, которые, я думаю, достаточно туманны, чтобы быть истиной[15]. В действительности мы даже плохо себе представляем, о чем мы говорим, то есть является ли рождение Вселенной квантовым событием.
Понимание такого события, как он объяснил, требует квантовой теории гравитации.
– Главное, для чего она нужна, – это получить полное квантовое описание геометрии пространства-времени. Затем мы хотели бы понять, что значит «ничего нет», и описать ничто как квантовое состояние. Состояние, которое описывает отсутствие пространства, отсутствие времени, отсутствие материи и энергии, отсутствие чего бы то ни было. Но оно все-таки будет возможным состоянием бытия. Это ключевой момент. Я предполагаю – без особых на то оснований, но все же предполагаю, что законы физики существовали и до рождения Вселенной. Если мы не предположим это, то мы не сможем продвинуться дальше в теории.
– Такое предположение означает, что рождение может быть познаваемо?
– Вот именно. Рождение Вселенной может быть познаваемо в рамках законов физики. Сейчас я не представляю, как понять, откуда взялись сами законы, но мы побеспокоимся об этом позже. А сейчас мы надеемся, что в системе, описываемой окончательными законами физики, будут существовать квантовые состояния, соответствующие полному отсутствию чего бы то ни было. Мы знаем, что квантовые системы могут спонтанно переходить из одного квантового состояния в другое, атомы то и дело совершают такие переходы в процессе распада. Квантовая система, находящаяся в одном состоянии, может сделать случайный переход в другое состояние, так что вы могли начать именно отсюда, от состояния полного отсутствия всего, и совершить переход к маленькой вселенной, затем механизм инфляции мог превратить эту маленькую вселенную в большую Вселенную. В общих чертах, я думаю, это правдоподобная картина образования Вселенной.
– И в этом смысле возможно получить что-то из ничего? – спросила я.
– Со времени моей учебы в университете наше понимание этого вопроса сильно изменилось, – сказал Гут. – Тогда все верили, что во Вселенной существует множество сохраняемых величин, которые имели большие количественные значения, и что единственный способ создания Вселенной – начать с чего-то большого. Но все эти законы сохранения более или менее исчезли. Сегодня мы думаем, что Вселенная имеет нулевые значения для всех сохраняемых величин.
В сохраняемых величинах выражаются неизменные свойства природы, иконизированные в непреложных законах – таких, как закон сохранения энергии, который говорит, что при любых обстоятельствах суммарная энергия всех задействованных во взаимодействии объектов до взаимодействия и после взаимодействия одна и та же. Энергия не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть, она только перераспределяется. Законы сохранения обеспечивают плавную и непрерывную эволюцию Вселенной. Без них в вашей ванной могла вдруг появиться атомная бомба, или ваша собака могла вдруг исчезнуть. Физика была бы невозможна. Ее уравнения рассыпались бы прежде, чем вы достигали бы знака равенства.
Леонард Сасскинд, Алан Гут и Андрей Линде наслаждаются калифорнийским солнцем.
Фото: А. Гефтер.
И теперь Гут говорит, что все сохраняемые величины равны нулю. Это было довольно шокирующим. Казалось бы, законы физики обязаны сохранить нечто – по крайней мере нечто, начало существованию которого было положено 13,7 млрд лет назад. Но если все сохраняемые величины равны нулю, это означает, что законы физики должны вместо нечто сохранять ничто.
– И для энергии тоже? – спросила я.
– С энергией сложнее всего, потому что если сложить все массы во Вселенной и использовать E = mc2, может показаться, что Вселенная обладает огромной энергией. Но необходимо учесть, что гравитация дает отрицательный вклад в полную энергию. Это нетрудно доказать. Грубый способ понять это состоит в том, чтобы применить закон Кулона к гравитации, как мы применяем его в электростатике. В электростатике, если вы возьмете два положительных заряда, они будут отталкиваться друг от друга, поэтому для того чтобы получить большой электростатический заряд, необходимо собрать много элементарных зарядов вместе и совершить много работы. Это значит – тратить энергию. В случае гравитации все ровно наоборот. Масса имеет только один вид заряда – положительный. Такие заряды всегда притягиваются друг к другу. Вы можете образовать большую массу, сложив много масс вместе. Но необходимо затратить энергию, чтобы растащить их. Поэтому вклад гравитации в полную энергию Вселенной компенсирует положительную энергию всех масс.
– Еще одна важная сохраняющаяся величина – барионный заряд, – продолжал Гут, имея в виду полное число протонов и нейтронов, компонентов ядра любого атома. – Когда я учился в университете, все думали, что барионное число сохраняется и что в наблюдаемой Вселенной имеется очень большое число барионов, то есть большое число протонов и нейтронов, и, насколько мы можем судить, очень мало антипротонов или антинейтронов. Некоторые предполагали, что, может быть, существует большое количество антиматерии где-то там, где мы еще ее не обнаружили, но эта гипотеза не была особенно успешной. С развитием теории великого объединения в 1970-е годы физики поняли, что мы в действительности не знаем, сохраняется ли барионный заряд. Позже выяснилось, что даже в так называемой стандартной модели физики элементарных частиц, где, как все думали, барионный заряд точно сохраняется, это на самом деле оказалось не так из-за необычных квантовых эффектов. Сегодня число доказательств несохранения барионного заряда стало уже ошеломляющим.
Итак, энергия сохраняется, но это не имеет значения, потому что гравитация уже скомпенсировала все остальное, а барионный заряд не сохраняется вовсе. Чтобы он сохранялся, общее число протонов и нейтронов во Вселенной сегодня должно быть таким же, каким оно было при ее рождении, и не было бы никакого способа объяснить, откуда взялись все эти протоны и нейтроны.
– Означает ли это, что материя может спонтанно возникать из ничего?
– Да, – кивнул Гут. – Когда теория инфляции только-только создавалась, я говорил, что Вселенная, возможно, представляет собой абсолютно бесплатный обед. С тех пор идея инфляции в нашем видимом мире превратилась в теорию мультивселенной, которая постоянно растет. Если эта картина верна, то совершенно ясно, что вы получили все даром, в обмен на ничто, и продолжаете получать еще больше. И все это основано на идее, что во Вселенной не существует ненулевых сохраняемых величин.
– Гравитация компенсирует положительную энергию по всей мультивселенной?
– Совершенно верно, – сказал он.
– А что можно сказать о величинах, которые все-таки вроде бы сохраняются, как, скажем, момент импульса?
– Мы считаем, что угловой момент сохраняется, но, насколько мы можем судить, общий момент импульса Вселенной равен нулю. Если сложить угловые моменты всех галактик, вращающихся в разных направлениях, то согласно астрономическим данным сумма, действительно, равна нулю. Электрический заряд – еще одна величина, которая, как мы считаем, абсолютно точно сохраняется, но Вселенная в целом – электрически нейтральна.
– А если мы обнаружим, что существуют некоторые сохраняющиеся величины, принимающие ненулевое значение, будет ли это означать, что невозможно получить что-то из ничего?
– Конечно, это все изменило бы. Вечное расширение сразу стало бы мыслимым. Если для создания нашей Вселенной действительно требуется ненулевое значение какой-либо сохраняемой величины, то было бы невозможно создавать все больше и больше вселенных без нарушения закона сохранения.
– Но пока сохраняемые величины принимают нулевые значения, вы можете получить что-то из ничего.
– Наверное, лучше будет сказать, что нечто и есть это самое ничто, – сказал Гут. – Все, что мы видим вокруг, в некотором смысле – ничто.
Когда пришло время выступления Хокинга, я едва могла сдержать волнение. Хокинг был упрям, провокационен и неординарен. Он слыл скандалистом мирового класса, и мне не терпелось увидеть, какую новую штуку он выкинет на этот раз.
Он выехал на середину сцены в своем кресле.
– Вы меня слышите? – вежливо осведомился его компьютер.
– Да, – ответила публика.
– В моем выступлении я хочу предложить другой подход к космологии, который поможет ответить на главный вопрос: почему Вселенная такая, какая она есть?
Другой подход к космологии? Это обещает быть интересным.
– Каким образом мы можем выяснить, как родилась Вселенная? – спросил Хокинг. – Некоторые – в основном это те, кто воспитывался в традициях физики элементарных частиц, – просто игнорируют эту проблему. По их ощущению, задача физики – предсказывать то, что происходит в лаборатории… Меня поражает, что люди могут поддерживать такую убогую точку зрения, что они могут сосредоточиться только на конечном состоянии Вселенной и не задаваться вопросом, как и почему она возникла.
Те, кто делает попытку объяснить ее происхождение, говорил он дальше, движутся снизу вверх. Они начинают с некоторого начального состояния и отслеживают его изменения во времени, чтобы увидеть, как получается что-то, отдаленно напоминающее нашу Вселенную. Инфляционная модель именно это и делает, но, сказал он, даже теория типа «снизу-вверх» не имеет никакого смысла.
Хорошенькое дельце! Каждый участник этой конференции восхваляет большой успех инфляционной теории, а Хокинг встает и говорит, что она не имеет никакого смысла.
Инфляционная модель, между тем растолковывал Хокинг, нарушает принцип общей ковариантности, ключевой ингредиент теории Эйнштейна, который гарантирует, что всякая система отсчета равным образом предоставляет все необходимое для описания Вселенной. Вместо того чтобы работать с четырехмерным пространством-временем, в теории инфляции пространство-время разбито на три пространственных измерения и одно временно́е. Но чье это пространство? Чье время? Разбивая таким образом пространство-время, мы выбираем привилегированную систему отсчета – тяжелейшее преступление против теории относительности. Еще хуже то, продолжал он, что при определенном выборе координат, играющих роль времени, инфлатонное поле не будет расширяться. Другими словами, теория работает только в некоторых системах координат.
Это было увлекательно, но доклад делался крайне медленно. Проходили минуты между предложениями, минуты, в течение которых участники конференции старались сидеть тихо из уважения к докладчику. Было только слышно, как кто-то менял положение в кресле или покашливал.
Внезапно его правая нога начала сильно дрожать. Из-за этого компьютер, прикрепленный к коляске, стал вибрировать. Его помощник бросился к нему и, стоя на коленях, держал Хокинга за ногу так, чтобы он смог продолжать доклад.
Помимо проблем с инфляцией, говорил дальше Хокинг, существует фундаментальная проблема с подходом от простого к сложному вообще.
– В космологии путь снизу вверх – принципиально классический, поскольку предполагается, что он единственный и вполне определенный, – сказал он. – Но в одной из наших ранних работ с Роджером Пенроузом мы показали, что любые разумные классические космологические решения имеют сингулярность в прошлом. Это означает, что рождение Вселенной – квантовое событие.
Квантовые события описываются не единственным состоянием, а суперпозицией всех возможных состояний. То есть мы не просто не можем знать, в каком из этих состояний была Вселенная на самом деле, – но Вселенная, собственно, и не была ни в одном из них. По этой причине, сказал Хокинг, нам нужно рассматривать эволюцию Вселенной от настоящего к прошлому. Наблюдая особенности нашей Вселенной, сегодня мы сможем определить все возможные пути эволюции, которые привели бы к такой Вселенной. Поступая так, мы создаем некую историю Вселенной.
– Это означает, что истории Вселенной зависят от того, что измеряется, в противоположность обыденному представлению об истории Вселенной как о чем-то объективном и не зависящем от наблюдателя, – сказал он.
«Нет независимой от наблюдателя истории», – нацарапала я в моем блокноте и, немного поразмыслив, подчеркнула эту запись. Я не была уверена, что понимаю ее значение, но у меня было предчувствие, что она крайне важна.
Вечером я села в автобус, отправлявшийся на банкет. Рядом со мной в кресле сидел мужчина, бейдж которого также указывал на его причастность к прессе.
– Майкл Брукс, главный редактор журнала New Scientist, – представился он с очаровательным британским акцентом.
Я сразу узнала это имя. Я была заядлым читателем журнала New Scientist, и недавняя статья под названием «Жизнь как компьютерная симуляция, стираемая в конце» произвела на меня такое впечатление, что я вырезала ее из журнала и прикрепила к стене над моим компьютером. Автор статьи, Майкл Брукс, обсуждал работу философа Ника Бострома, который утверждал, что мы, по всей вероятности, живем внутри компьютерной симуляции вроде «Матрицы»[16]. Мысль Бострома состояла в том, что в конце концов наши компьютеры станут достаточно мощными, чтобы имитировать жизнь сознательных существ, таких как люди. Когда наступит это время, будущие программисты смогут имитировать целые сообщества, даже целые вселенные, и наблюдать, как разыгрываются различные сценарии – как в научно-исследовательских целях, так и для гиперреалистичных телепередач. Как только будет создана первая имитация реальности, сразу же последуют сотни, тысячи, миллионы моделей. Поэтому, учитывая неизбежное существование миллионов симулированных миров, вероятность того, что мы живем в одном-единственном по-настоящему реальном мире, близка к нулю.
В статье Брукс задавался вопросом, существует ли какой-то способ определить, в каком мире мы живем, в реальном или смоделированном. Программисты, рассуждал он, не стали бы тратить ресурсы на проектирование мельчайших микроскопических особенностей поддельной реальности. Если сымитированные наблюдатели начнут обнаруживать нестыковки тут и там, программисты всегда смогут на ходу заполнить пробелы. Таким образом, утверждал он, на микроскопическом масштабе смоделированный мир может выглядеть несколько бессмысленно. «Для тех, кто когда-нибудь сталкивался со странностями квантовой механики, они, возможно, могут служить тревожным сигналом», – писал Брукс.
Я сказала Бруксу, что я работаю внештатно: пишу для научных журналов, и мы разговорились о космологии и выслушанных докладах.
– Присылайте мне свои статьи, – сказал он, когда автобус подъехал к Музею железных дорог. – Я отвергаю девяносто процентов рукописей, но вы не унывайте и продолжайте присылать.
– Непременно! – пообещала я.
Я вышла из автобуса навстречу теплому калифорнийскому вечеру. Я не могла отделаться от мысли, что все это слишком хорошо, чтобы быть правдой. Наверное, и в самом деле это была симуляция. Но тут я вспомнила, как Брукс закончил свою статью. «У этого мира есть шанс оказаться и в самом деле истинной реальностью, – писал он. – Для этого надо, чтобы человечество уничтожило себя прежде, чем наши компьютеры станут достаточно мощными для моделирования сложных обществ и осознающих себя сущностей». Я вспомнила вчерашний обед и сценарии конца света, о которых говорил Рис. Может быть, сэр Серьезность знал ответ.
Немного нервничая при мысли о необходимости общения с самыми выдающими физиками, я быстро опрокинула два бокала вина. Это было большой ошибкой. Моя сопротивляемость по отношению к алкоголю была ужасающе низкой. Эффект был такой, словно вместо вина мне налили текилу.
Все начали быстро рассаживаться за круглыми столами, накрытыми по этому случаю. Я села на первое попавшееся свободное место. Я вежливо улыбнулась, но физики переговаривались друг с другом, пока официанты наполняли наши бокалы, а затем отправились за салатами.
Осмелев от выпитого вина, я решила завязать разговор.
– Кто-нибудь из вас читал статью о Жуане Магейжу в журнале Discover? – спросила я.
Я прочитала эту статью, пока летела в самолете. И теперь она первой пришла мне в голову. В статье обсуждалась теория Магейжу, согласно которой в ранней Вселенной скорость света была намного больше. Она предлагалась в противовес теории инфляции, но я так и не смогла понять различие между ними. Допустить сверхсветовую скорость распространения электромагнитных волн, но при этом принять пространство-время расширяющимся со скоростью ниже скорости света, или сохранить скорость света и допустить расширение пространства-времени со сверхсветовой скоростью – казалось мне двумя разными взглядами на одно и то же, так зачем спорить с Эйнштейном?
– Эта теория с переменной скоростью света, наверное, просто липа, как вы думаете?
Физик напротив сурово поглядел на меня:
– Я думаю, что нет. Я соавтор этой теории.
Никто не проронил ни слова.
О боже! Куда деваются все эти бейджики с именами, когда вы нуждаетесь в них больше всего? Теперь я поняла, это был Энди Альбрехт, второй автор теории с переменной скоростью света. Неужели я просто так взяла и заявила, что его теория была липой? Я лихорадочно придумывала какое-нибудь оправдание. Почему на обложке журнала красовался огромный потрет Магейжу и нигде не было фотографии Альбрехта? Я хотела извиниться. Я хотела объяснить, что я просто пыталась завязать разговор, что мне нравится теория Эйнштейна, что я вовсе не думаю, что его теория неверна, и что меня, наверное, просто какая-то муха укусила. Вместо всего этого я сказала:
– Вау, да он просто украл вашу славу!
Это так просто вылетело из моего рта? Что, черт подери, я делаю? «Заткнись, – приказала я себе. – Просто перестань говорить слова».
– Меня это не особо волнует, – сказал Альбрехт раздраженно.
Я кивнула и улыбнулась. Я хотела тихо сползти под стол и спрятаться там. Я оглядела зал, тщетно ища путь к спасению.
И в этот момент произошло чудо. Среди моря физиков я случайно наткнулась на взгляд Тимоти Ферриса. Феррис встал, посмотрел прямо на меня и кивнул головой в сторону задней двери. Ни слова не говоря, я поднялась из-за стола, быстро прошла к задней части зала и тихо проскользнула за стеклянную дверь. Он уже ожидал снаружи.
– Моя машина за углом, – сказал он.
«Ладно, – подумала я, – это, видимо, и в самом деле симуляция». Мы шли по пустой улице. Феррис спросил меня, для какого издания я пишу.
– Ну, последнюю статью я написала для журнала Scientific American, – сказала я, не уточняя, что это была также моя первая статья. – А ты?
– Я работаю в The New Yorker, – сказал он.
Я почувствовала себя недостойной просто вот так идти с ним по одному тротуару.
Мы завернули за угол, где на пустынной, мощенной булыжником улице был припаркован небольшой блестящий Porsche. Я осмотрелась вокруг в поисках другого автомобиля, который мог принадлежать журналисту. Но Феррис нажал на кнопку на его брелоке, и Porsche дружески пискнул в ответ. «Серьезно? – подумала я. – Ты журналист?» Перспективы моей новой профессии выглядели все лучше с каждой минутой.
Я расположилась на пассажирском сиденье и пристегнула ремень безопасности. Взревел двигатель, и Феррис включил стерео, увеличив громкость. Автомобиль заполнили барабанная дробь и плач электрогитары.
– Это Боуи?
Феррис улыбнулся, нажал на газ и тронулся. Сила инерции прижала меня к моему сиденью, и, выруливая по узеньким улочкам старого Сакраменто, Феррис не снижал скорость, словно участвовал в ралли. Вскоре мы уже мчались по калифорнийскому хайвею, то и дело обгоняя другие автомобили, рассекая теплый ночной воздух, между силуэтами пальм, и силуэты пальм пролетали мимо моего окна.
Через пять минут мы уже были в Дейвисе. Феррис подвез меня к моей гостинице и вежливо попрощался. Слегка пошатываясь, я ступила на тротуар, расстроившись, что праздник уже окончен, но счастливая, что осталась жива и стояла на твердой земле.
Я достала из сумки сотовый и позвонила отцу.
Наступил последний день конференции. Я не хотела, чтобы она заканчивалась. Я уже узнала так много, что думала, мой мозг может переполниться, но я хотела узнать еще больше. Я не могла отделаться от мысли, что чего-то не хватало во всех этих разговорах о Вселенной. Чего-то… квантового.
– Любая удовлетворительная теория квантовой космологии должна опираться на наблюдения, которые могут быть сделаны наблюдателями внутри Вселенной, – говорила мне Маркопулу. Но теория инфляции подразумевает существование области за пределами нашей видимой Вселенной, и, что еще хуже, вечная инфляция предполагает существование целой мультивселенной, которую никто, даже в принципе, не мог бы наблюдать. Дело в том, что стандартная космология не была квантовой. Конечно, переход инфлатонного поля из состояния с ложным вакуумом был квантовым процессом, но все остальные теоретические построения были выполнены в чисто классическом стиле. Это было как раз то, о чем говорил Хокинг: «В космологии путь снизу вверх – принципиально классический… но рождение Вселенной было квантовым событием». Мне нужно было узнать больше. Что у него за космология «сверху вниз»? И как она учитывала сам факт нашего существования во Вселенной?
Я также не могла забыть о моем разговоре с Гутом. Все указывает на то, что Вселенная появилась из ничего, говорил он. Вселенная – это ничто. И самое интересное было то, что он представил это как легко фальсифицируемую гипотезу: достаточно было найти одну ненулевую сохраняемую величину, и вся гипотеза рухнет. Если Вселенная – это ничто, думала я, то все вокруг ставят неверный вопрос. Вопрос не в том, как получить нечто из ничего. Вопрос состоит в том, почему ничто выглядет чем-то?
Большое количество легендарных ученых, собравшихся в одном месте, и торжественность момента начала золотого века космологии побудили организаторов конференции пригласить фотографа, чтобы сделать групповую фотографию, которая обязательно займет свое место в анналах истории науки.
– Я прошу всех в перерыве собраться на улице, на ступеньках перед входом в здание, чтобы сделать коллективное фото, – объявил Альбрехт со сцены.
Пока физики медленно собирались на ступеньках перед входом, я отошла в сторону, чтобы позвонить отцу.
– Что стряслось? – спросил он.
– Все они обеспокоены аномально низкой мощностью квадрупольной составляющей, – сказала я почти шепотом, как шпион, докладывающий обстановку в генштаб Реальности, – из которой следует отсутствие флуктуаций микроволнового фона на больших углах. Может показаться, что Вселенная недостаточно велика для их появления.
– А как велика она должна быть? – спросил он.
– В этом-то и вопрос. Возможно, размером с видимую Вселенную.
– Да, это действительно подозрительно, – сказал он.
– Вот именно! Какое-то безумие… Черт, я должна идти. Они сейчас будут делать групповое фото всех физиков, и я хочу сделать несколько фотографий сама.
– Сфотографируйся с ними!
– Мама?
– Сфотографируйся с ними сама! – повторила мама голосом то ли еврейской матери, то ли капитана команды болельщиц.
– Ладно, ладно, – сказала я, закатывая глаза.
Но, стоя в стороне вместе с другими журналистами и наблюдая, как физики занимают свои места, я не могла забыть слов матери. А в самом деле, почему я не могу быть на фото? Нет же у физиков никаких телохранителей, которые могли бы остановить меня? Честно говоря, кто это заметит? Я посмотрела на фотографа: он по-прежнему копался со своей камерой. Незаметно, насколько это было возможно, потупив взгляд так, чтобы никто не смог его поймать, я скользнула вдоль края лестницы и быстро направилась в дальний угол, к последнему ряду группы. Я была уверена, что никто этого не заметит, зато потом, даже если бы я была едва видна на фото, я могла бы показывать крошечную точку, едва заметную позади кого-то важного, и говорить: «Посмотрите, а вот это я!»
Фотограф, наконец, взглянул на нас и приложил глаз к видоискателю. Каждый из нас задержал вздох и расплылся в улыбке. Но тут фотограф опустил камеру и оглядел толпу, словно пытаясь найти… Боже, неужели меня?
– Эй, вы там! – крикнул он, указывая на меня. Я почувствовала, как мое лицо заливается краской. Он собирался вытащить меня, как мошенника, прямо здесь, перед всеми? Объявить, что я не только не физик, но даже и не журналист? Что у меня была секретная миссия выяснить природу реальности, и что я была готова пойти на любые жертвы, только бы сделать это? Откуда он мог знать? И где, черт возьми, был Феррис с его автомобилем?
– Вы! Вас плохо видно из-за вашего роста, – крикнул он. – Выйдите вперед!
Снова избегая взглядов, я проскользнула вперед и встала с края. Тогда он схватил меня за плечо и быстро поставил на место, которое выбрал сам, – впереди и почти в самом центре. Справа от меня стоял Гут, а еще через одного располагался Хокинг. «Почему бы просто не посадить меня прямо Хокингу на колени?» – подумала я.
– Вы здесь, – пробормотал Гут, имитируя голос фотографа, – у вас нос набок, выпрямите его!
Я засмеялась.
– Снимаю! – крикнул фотограф. И нам уже ничего не оставалось делать, как улыбаться.
Я среди участников конференции по космологии в Калифорнийском университете в Дейвисе 2003 года.
Фото: Д. Олдриджа (UC Davis).