Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно. Часть первая. Высшие тайны (Минас Кафатос, 2017)

«До» и «после» – понятия, которые имеют смысл только в рамках времени. Вы родились до того, как научились ходить; вы состаритесь после среднего возраста. Зарождение Вселенной в таких понятиях не описать. Теория, что время и пространство появились с Большим взрывом, распространена достаточно широко. Если она верна (и это все еще только возможность, но не утверждение!), то вопрос следует ставить так: «Что было до того, как появилось время?» А чем это лучше первой формулировки? Ничем.

Фраза «до того, как появилось» время – это внутреннее противоречие, вроде «времен, когда сахар был не сладок». Мы в любом случае – в области нереальных вопросов, но это не повод не ставить их корректно. Квантовой физике пришелся по нраву диалог в «Алисе в Зазеркалье» Кэрролла. После того как Алиса называет свой возраст – семь с половиной лет, Белая Королева спрашивает, может ли Алиса поверить, что самой Королеве сто один год, пять месяцев и один день.

«Ни за что не поверю!» – сказала Алиса.

«Ни за что? – сочувственно переспросила Королева. – Попробуй еще разок, только набери в грудь побольше воздуха и зажмурься».

Алисе стало смешно. «У меня ничего не выйдет, – пояснила она. – Я не умею верить в небылицы».

«Надо учиться, – наставительно сказала Королева. – В твои годы я тратила на это не менее получаса в день. Порою я ухитрялась поверить в целых шесть небылиц, причем до завтрака».

Квантовое поведение заставляет нас быть еще терпимее к «небылицам». В условиях Большого взрыва нет ничего обычного. Чтобы понять их, некоторые привычные нам убеждения придется оспорить, а затем и отвергнуть.

Во-первых, необходимо понять, что с Большого взрыва началась не Вселенная вообще, а нынешняя Вселенная. Пока мы не станем задумываться, была ли она создана из другой Вселенной, но примем, что физика на самом деле не может отследить космос до абсолютного начала. Измерения работают только тогда, когда у вас есть что измерять, и в самом начале была лишь бесконечно маленькая щепка чего-то неупорядоченного. Ни предметов, ни пространственно-временного континуума, ни законов природы. Иными словами, чистый хаос.

В этом невообразимом состоянии вся материя и энергия, заключенные в сотнях миллиардов галактик, сжаты. В пределах доли второго расширения, ускоренного с немыслимой скоростью, Вселенная увеличивается вдвое 100 раз за 10⁻³² секунд (это число означает, что единица разделена на число из единицы с 32 нулями). Общепринятый (но отнюдь не окончательный) сценарий отображает процесс рождения Вселенной так.

10⁻⁴³ секунд – Вселенная быстро расширяется (процесс известен как космическая инфляция) в условиях перегрева, увеличиваясь от размера атома до размера грейпфрута. Тем не менее ни атомов, ни какого-либо света нет. Считается, что в состоянии практически хаоса константы и законы природы изменяются.

10⁻³² секунд – все еще невообразимо горячая, Вселенная кипит электронами, кварками и другими частицами. Быстрая инфляция замедляется или ненадолго останавливается по причинам, которые до конца не понятны.

10⁻⁶ секунд. Резко охладившись, новорожденная Вселенная теперь порождает протоны и нейтроны, которые формируются из групп кварков.

3 минуты. Заряженные частицы уже существуют, но атомов еще нет, и свет не может покинуть пределы того темного тумана, которым стала Вселенная.

300 000 лет. Все охладилось настолько, что из электронов, протонов и нейтронов начали формироваться атомы водорода и гелия. Свет нашел выход, и предел того, как далеко он уйдет, будет обозначать с этого момента внешний край (горизонт событий) видимой Вселенной.

1 миллиард лет. Благодаря притяжению силы тяжести водород и гелий сливаются в облака, которые, в свою очередь, порождают звезды и галактики.

Эта временная шкала следует за импульсом Большого взрыва, которого было достаточно, даже когда Вселенная была размером с один атом, чтобы произвести миллиарды видимых сегодня галактик. Они до сих пор разделяются – силой первоначального невообразимого расширения. Событий с начала Вселенной происходило множество (целые книги посвящены описанию только первых трех минут ее создания), но для наших целей достаточно грубо наметить их контур.

Поскольку все мы можем представить себе, как взрывается динамитная шашка или извергается вулкан, Большой взрыв, похоже, не противоречит здравому смыслу. Но наше понимание происшедшего очень зыбко. Фактически, первые секунды творения ставят под сомнение почти все известное нам о времени, пространстве, материи и энергии. Великая тайна рождения нашей Вселенной в том, каким же образом что-то возникло из ничего. Никто не понимает, как это произошло. С одной стороны, «ничто» не наблюдаемо ни при какой форме наблюдения. С другой стороны, изначальный хаос ребенка-Вселенной – совершенно чуждое состояние, без атомов, без света и, возможно, даже без четырех основных сил природы.

От этой загадки не уйти, потому что прямо сейчас на субатомном уровне продолжается тот же процесс рождения. Начало – сейчас. Субатомные частицы, на основе которых строится космос, все время появляются и исчезают. Есть какой-то механизм, подобный космическому переключателю «вкл/выкл», и он все еще обращает ничто, так называемый вакуум, в бурлящий океан физических тел. Наш обычный, чувственный взгляд на реальность видит звезды, плывущие в холодной пустой пустоте. В действительности, однако, пустота эта полна творческих возможностей, которые, как мы видим, играют со всем вокруг нас.

Довод этот довольно абстрактен, кажется, вот-вот он улетит, подобно гелиевому шару. Мы этого не хотим. У каждой космической тайны есть человеческое лицо. Представьте, что вы сидите на лужайке в летний день. От теплого ветерка вы задремали, и ваш ум наполнен полузамеченными изображениями и полуосознанными мыслями. Вдруг кто-то спрашивает: «Что вы хотите на обед?» Вы открываете глаза и отвечаете: «Лазанью». В этом маленьком сценарии словно бы заключена вся тайна Большого взрыва. Ваш ум способен быть пустым, словно чистый лист. По этой пустоте бродят хаотичные образы и мысли. Но когда вам задают вопрос, а вы отвечаете, эта пустота оживает. Из бесконечных возможностей вы выбираете одну мысль, и она возникает в вашем сознании по вашему усмотрению.

Последнее – самое главное. Когда вы говорите «лазанья» или любое другое слово, вы не строите его из чего-то меньшего. Вы не строите его вообще: оно просто возникает, приходит к вам. Слова можно, конечно же, разбить на буквы, как материю – на атомы. Но это не истинное описание творческого процесса.

Любое творение – что-то, сделанное из ничего. Стыдно осознавать, что даже когда нам комфортно быть творцами, погруженными в бесконечные слова и мысли, мы не знаем, откуда они. Знаете ли вы, что подумаете следующим? Даже Эйнштейн считал самые блестящие свои мысли счастливыми случайностями. Но главное в другом: что-то из ничего создают люди, а не дальние космические сущности.

Переход ничего в нечто всегда приводит к одному и тому же: возможность становится реальностью. Физика дегуманизирует этот процесс, причем с невероятной точностью. Вибрации квантов выходят из пустоты и быстро уходят в пустоту обратно. Этот квантовый цикл включения/выключения невообразимо короток и полностью невидим для нас. Правила, по которым идет физическое творение, должны быть откуда-то выведены. Вы не можете применить стетоскоп к внешней стороне некоего суперкупола, чтобы узнать правила футбола, но это по существу то, что пытается сделать космология. Логический вывод – отличный инструмент, но в этом случае проблем от него может быть столько же, сколько и решений.

Непонятное начало

Нет сомнений, что до Большого взрыва объектов в космосе не было. Но связаны ли с ним пространство и время (технически именуемые пространственно-временным континуумом)? Стандартный ответ – да. Если раньше объектов не было, то не было и пространства, и времени. Итак, что было до сотворения? Не было ни «внутри», ни «снаружи», для этого сначала должно появиться пространство. Вселенная-младенец не расширялась «вокруг себя». Даже сейчас, когда в космосе действуют миллиарды галактик, Вселенная не похожа на кожаный мешок. Понятия «внутри» и «снаружи» просто неприменимы, так же как «до» и «после».

Есть ли нам теперь на чем удержаться? Едва ли. Глагол «существовать» предполагает возможность того, что даже без времени и пространства что-то может произойти. Вот полезная аналогия. Представьте себе, что вы сидите в комнате и замечаете, что предметы слегка двигаются: молоко в вашей чашке с кукурузными хлопьями дрожит, и вы можете почувствовать, как через пол что-то вибрирует.

Как это иногда случается, вы глухи, поэтому никак не можете узнать, что же бьет в стены комнаты снаружи. (Некоторые люди могут быть достаточно чувствительными, чтобы почувствовать вибрацию своим телом, однако оставим это.) Но вы все же можете измерить волны в своей миске и вибрации других объектов: пола, потолка, стен. Примерно так же космологи обращаются с Большим взрывом. Вселенная полна вибраций и волн, возникших миллиарды лет назад. Их можно измерить, из них можно сделать выводы. Но обеспокоить нас может простой вопрос: может ли кто-то, кто глух с рождения, действительно знать, что такое звук? Измерить вибрации, связанные со звуком, – это не то же самое, что послушать соло на скрипке, голос Эллы Фицджеральд или взрыв динамита.

Так же и измерения света от движущихся галактик или фонового микроволнового излучения в нынешней Вселенной (это излучение – остаток Большого взрыва) не говорят нам, каким было начало Вселенной: мы работаем на основании выводов, так же как глухой человек измеряет волны в своей миске с хлопьями. Это ограничение может стать фатальным недостатком любого объяснения того, откуда произошла Вселенная.

Всегда есть шанс, что здесь, в пространстве и времени, мы исследуем законы природы, действующие вне пространства и времени. В частности, физика может прибегнуть к языку математики в надежде, что ее существование не зависит от того, в какой Вселенной вам довелось жить. Большинство последующих рассуждений зиждется на вере в математику как нечто вечное. Даже в чужой Вселенной, где время движется назад, а люди ходят по потолку, если добавить яблоко к яблоку, получится два яблока, верно?

Но никем никогда не доказывалось, что эта вера действительно обоснована! Например, математика, применимая к черным дырам, ограничена предположениями, потому что черная дыра совершенно непроницаема. Математика может быть созданием человеческого мозга. Возьмите число «ноль». Ноль не всегда был нам знакомым. К 1747 году до нашей эры у древних египтян и вавилонян был письменный символ для нуля как понятие, но он не использовался в качестве числа для расчета целей, пока не стал применяться для этого около 800 года нашей эры в Индии, значительно позже расцвета греческой и римской культуры.

Ноль означает, что им обозначается ничто, и в математике это «ничто» – просто другое число. Это не признак экзистенциального отчаяния. «В жизни я достиг полного ноля!» было бы возгласом отчаявшегося, но уравнение 1 − 1 = 0 им не будет. В квантовой физике время можно обыгрывать очень странным и своеобразным образом, не заставляя никого беспокоиться о своем существовании. Если время в повседневной жизни начинает вести себя своеобразно, это уже другая история. В каждом из миров время хранит в себе что-то особенное и таинственное, и это нужно объяснить, если мы хотим достичь человеческой Вселенной.

Пока что лучшие ответы

Очевидно, что переход от изначального хаоса к упорядоченности нынешней Вселенной полон тайн. Уровень, на котором пространство и время разрушаются, известен как масштаб Планка, названный в честь великого немецкого физика Макса Планка, отца квантовой механики. По размеру этот масштаб на 20 порядков меньше ядра атома (то есть единица, деленная на число из единицы с двадцатью нулями). Впечатляюще, но присутствие почти что хаоса не заглушило человеческого понимания. Ум все еще находит в мире нечто устойчивое. возможно.

Соответствующие измерения в столь малом масштабе определяются тремя константами, относящимися к самым элементарным аспектам творения: гравитации, электромагнетизму и квантовой механике. В так называемом планковском измерении пространство становится «пенистым», нечетким состоянием, когда любое чувство направления, например вверх и вниз, заканчивается. По длительности планковское время, характерный масштаб планковской эры, более чем на 30 порядков быстрее, чем самые быстрые временные масштабы современной нанонауки, оперирующей наносекундами, каждая из которых есть миллиардная доля секунды.

Большой взрыв начался в планковскую эпоху, в невероятно мелких масштабах планковского измерения и планковского времени. Поэтому вопрос о том, что было до Большого взрыва, эквивалентен вопросу о том, что существовало до или после эпохи Планка. Как это бывает, физика действительно может кое-что знать о транспланковском царстве. Мы знаем, что математические законы управляют четырьмя основными силами: силой тяжести, электромагнетизмом, сильной и слабой ядерной силой. Это одна из причин того, что вера в математику кажется абсолютно оправданной. Некоторые известные константы поясняют нам, почему эти четыре силы принимают значения, которые они имеют в нашей Вселенной. Например, при вычислении гравитации в любом месте – на Марсе, на звезде в сотне световых лет отсюда или в микроскопическом масштабе атомов – независимо от того, сколь различны эти среды, постоянная, которая применяется к гравитации, остается одной и той же. Опираясь на константы, земная физика может мысленно путешествовать в самые отдаленные пространства и времена.

Может ли быть так, чтобы одни и те же константы существовали вне времени и простирались за пределы нашей Вселенной? Современная физика не может дать однозначного ответа. Но если константы находятся вне времени, можно представить некую непрерывность между нашей реальностью и невидимыми измерениями. Даже если не считать этого, можно понять очарование бесконечных констант. Они придают реальности чувство стабильности в разгар хаоса. Вечные константы также поддерживают математику как язык, способный пережить крах слов. Если «до» – это слово, которое может стать бессмысленным, то число «пи» (π) и формула E = mc² пребывают неизменными. Но это тоже может стать иллюзией, если пересечь порог эпохи Планка. Прежде всего, постоянство констант вызывает вопрос о том, откуда они появились, и снова оставляет нас без истоков, которые мы пытаемся найти.

Когда мы подбираемся как можно ближе к самому началу, возникает соблазн идентифицировать предварительно созданное состояние как квантовый вакуум. В классической физике вакуум действительно пуст. По иронии судьбы, такое чистое небытие согласуется с историями Творения в священных книгах («И земля была безвидна и пуста, и тьма над бездною». – Бытие 1:2). Но квантовая теория и ее производные утверждают, что вакуум на самом деле не пуст. Он заполнен квантовыми «веществами». На самом деле квантовый вакуум полон настолько, насколько это возможно, он содержит огромное количество энергии, которой мы не видим в наблюдаемой Вселенной. Поэтому, выйди Вселенная из квантового вакуума, проблем не будет, по крайней мере, с точки зрения наличия достаточных потенциальных энергий. Несомненно также, что проследить Вселенную до самой ранней фазы не удастся без физики (квантового) вакуума. Тем не менее эпоха Планка устанавливает железный занавес, которым блокируется наш взгляд на самое начало. Единственная мудрая уловка – вообще обойтись без начала, которое стало популярным понятием, как ни странно это звучит.

Нужен ли большой взрыв?

Теоретически, кроме Большого взрыва, возможны и другие варианты. Это звучит странно, если Большой взрыв реален. Но помните: взрыв, который создал Вселенную, не был похож на взрыв динамита. Не было ни материи, ни энергии, которой наполнено творение.

Визуальные эффекты, которые вы видите в научных программах по телевизору, те, которые напоминают взрывающуюся звезду, встроенную в черноту пространства, совершенно неприменимы здесь, поскольку в самом начале не было пространства. Родись Вселенная как-то иначе, было бы проще.

Модель, названная стационарной моделью Вселенной, была предложена в 1948 году Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом именно для того, чтобы избежать вопроса о происхождении Вселенной и о том, что было до начала. В стационарной модели Вселенная так же расширяется навсегда, как в случае Большого взрыва, но с дополнительным условием: она всегда выглядит одинаково (подчиняется совершенному космологическому принципу, означающему, что Вселенная одинакова везде и всегда). Другими словами, независимо от того, откуда вы смотрите, независимо от того, как далеко назад вы смотрите, Вселенная будет одинакова. Таким образом, материя постоянно создается в пространстве-времени, даже когда оно расширяется.

В модели Большого взрыва создание произошло однажды – ничто должно было превратиться во все. Итак, какая модель истинна? Наблюдения за отдаленными источниками света из раннего состояния Вселенной поддерживают эволюционную модель, которая дискредитирует стационарную. Обновленная версия последней от 1993 года, предложенная Фредом Хойлом, Джеффри Бербриджем и Джаянтом Нарликаром, обозначившими свое творение как квазистационарное состояние, признает, что во Вселенной то и дело случаются «мини-взрывы». Другая альтернатива, известная как «хаотическая инфляция», весьма похожа на стационарную модель, но в гораздо более крупных масштабах. Термин «хаотическая инфляция» позднее был заменен «вечной инфляцией», термином, который сам по себе дает намек на его базовое понимание. «Вечная инфляция» означает, что определенные «горячие точки» в квантовом поле накапливают достаточно энергии, чтобы «всплыть» к творению, и этот первоначальный взрыв дает импульс, достаточный, чтобы вся Вселенная могла родиться мгновенно.

Существуют разные причины, по которым теория вечной инфляции стала очень популярной, но главная из них та, что «одноразовый генезис» можно представить как постоянное поведение квантового вакуума. В сущности, если вакуум может пузыриться в случае с очень крошечными предметами (субатомными частицами), почему бы не дать ему способность пузыриться с очень большими вещами (вселенными)? Инфляционные теории принимают «Большой взрыв», в то же время «оседлав» проблему истоков (и окончаний). Вечность по определению не имеет ни начала, ни конца. Согласно принципу вечной инфляции, пространство-время всегда, подобно космической жемчужной ванне, бурлило в разных местах с огромными инфляционными событиями. Эти события происходят со скоростью света и продолжаются вечно.

«Вечной инфляцией» увлечены некоторые блестящие физики, и маловероятно, что кто-то столь скрипучий и устаревший, сколь философы, может все испортить. Но философия занимается такими понятиями, как «существование» и «вечность», а они очень сложны.

Скользя в мультиверс

Понятие вечной инфляции связано с другим понятием, которое теперь вошло в моду, – «Мультиверс». В этой схеме наша Вселенная – не единственная, а лишь одна из многих, многих вселенных – пузырьков в жемчужной ванне, число которых может быть почти бесконечным (об этом мы поговорим позже). Поскольку теория Большого взрыва принята очень широко, возможность вечной инфляции имеет некоторую фору по сравнению со стационарной моделью. Как только дверь откроется, возникнет столько пригодных для жизни вселенных, сколько вы захотите. В так называемом космическом казино природа играет со вселенными, и есть шанс, что она попадет в итоге в нашу. В конце концов, кости здесь можно кидать бесконечно. Космическое казино даже допускает бесконечные изменения в правилах (то есть законах природы), регулирующих работу космоса. Гравитацию, скорость света, квант сами по себе можно встряхнуть как вам угодно, так что теория годится.

Но представьте, что вы едете в машине с другом и он ваш штурман. Вы находитесь в незнакомой стране, поэтому спрашиваете друга, как поворачивать на следующем перекрестке. Он отвечает: «На следующем перекрестке можно повернуть бесконечным множеством способов, но не беспокойтесь, они приводят к бесконечно другим перекресткам, где мы можем также повернуть бесконечное число раз. В конце концов, мы доберемся до Канзас-Сити». Физика говорит об этом так, когда имеет дело с Мультиверсом, вечной инфляцией и космическим казино. Самая абсурдная часть, кроме того факта, что нет данных или экспериментов, чтобы подтвердить соответствие любой из теорий реальности, заключается в том, что, когда перед нашими носами машут картой с бесконечным множеством вариантов, утверждается, что это лучшая карта, которую когда-либо рисовали.

Стандартный взгляд космологов состоит в том, что некоторые комбинации различных моделей, возможно включая квазистационарное состояние, все еще могут быть жизнеспособными. Но независимо от того, сколько вселенных «разрешено», теория все же ставит вопрос: что существовало до начала творческого процесса? «До» остается бесполезным словом, но все же утверждать, что все есть, было и всегда будет таким же, кажется интуитивным, как фокус со шляпой.

Есть и другие способы избежать вопроса о начале.

До того как установилась модель «Большого взрыва с космической инфляцией», многие космологи предпочли рассматривать циклы расширения и сжатия, ведущие от начала до конца и обратно. В восточных духовных традициях циклические вселенные были приняты как общая концепция, взятая из жизненных циклов созданных существ, умирающих и обновляющихся. Аналогии – это не то же самое, что научные доказательства, но мы должны помнить и о них. В человеческой Вселенной процессы, управляющие жизнью, какой мы ее знаем, должны быть связаны с механикой творения в космическом масштабе.

Вариант циклической Вселенной исключил бы Большой взрыв, явившийся из небытия, но в то же время принял бы во внимание существующую Вселенную, описываемую общей теорией относительности. В частности, Роджер Пенроуз предложил серию вселенных, простирающихся в бесконечное время.

Текущее состояние возникло из предыдущей Вселенной, переработав в ней все, что наиболее важно, текущие физические законы и физические константы в природе. Один Большой взрыв приводит к другому, цикл их бесконечен, и поэтому состояние до создания – только конец предыдущей Вселенной. Последовательность творения сохраняет определенный вид памяти от одного цикла к другому. В интригующей идее Пенроуза энтропия (то есть беспорядок), обнаруженная во Вселенной, играет фундаментальную роль. В физике есть закон (второй закон термодинамики), который утверждает, что беспорядок во Вселенной со временем возрастает. Слова звучат абстрактно, но именно этот закон управлял тем, как холодная сверхпрогрессивная вселенная замерзала, тем, как умирают звезды, тем, почему превращается в дым и пепел бревно в камине. Энтропия увеличивается – в масштабах как больших, так и малых.

Во Вселенной есть и островки отрицательной энтропии. На самом деле один из них – вы сами. До тех пор, пока вы продолжаете потреблять пищу, воздух и воду, ваше тело – такой островок. Он превращает сырьевую энергию в упорядоченные процессы в триллионах клеток, обновляя и пополняя их. Земля стала островом отрицательной энтропии, по крайней мере на поверхности, когда миллиарды лет назад возник фотосинтез. Растения преобразуют солнечный свет в упорядоченные процессы так же, как ваше тело преобразует то, чем питается. Важно то, что теряющий энергию превращается в потребителя энергии. Беспорядок заставляет энергию рассеиваться в тепло, подобное теплу, выделяемому костром. Для борьбы с этой энтропией живые существа потребляют дополнительную энергию, необходимую для противодействия утрате. Упавшее дерево в лесу потеряло способность получать энергию от солнца, и поэтому вступили в действие распад и разложение.

Пенроуз не стал возражать против второго закона – он признал, что весь космос становится все холоднее, все шире и все беспорядочнее. Его возражение специально предназначалось для инфляционных теорий космоса. Если беспорядок увеличивается с течением времени, указывал он, тогда должно быть верно и обратное. Если вы вернетесь во времени, любая система покажется более упорядоченной. Например, если вы измените время, то дым и пепел, отданные костром, снова сделаются куском дерева, а гнилое дерево вернется к тому, чтобы быть живым и расти. Поэтому ранняя Вселенная должна быть самым упорядоченным состоянием всего. Но это не так: планковская эпоха была временем чистого хаоса. Так откуда же взялась «особость» (термин Пенроуза) Вселенной, то, что позволило развивать жизнь на Земле? Ничто в ранней Вселенной, начиная с ее первого момента, кажется, не подготовило путь к эволюции галактик, так что жизнь на Земле – заранее в благоприятных условиях.

Возражение Пенроуза в отношении инфляционных теорий встретило бы понимание у младшего научного сотрудника, но поставило бы в тупик самых разумных космологов. Он делает второе утверждение, которое тоньше первого, но не менее разрушительно. Допустим, мы принимаем, что жизнь на Земле настолько уникальна, чтобы ранняя Вселенная должна была проложить путь при особых условиях. Давайте даже примем, что существовали особые условия, возникающие, когда космос был перегрет и бесконечно мал. А что же остальная огромная Вселенная? Жизнь эволюционировала на нашей планете независимо от того, что происходило в миллиардах других галактик – нам они не нужны. Итак, как же Вселенная могла бы быть создана, чтобы помочь нашей эволюции, в то время как все остальное не выглядит особенным вообще? Скорее, Пенроуз заявляет, что условия для жизни на Земле появились позже. Возможно, это была случайность. Таково менее недоказуемое утверждение – то, что должна выбрать наука при прочих равных.

Недавно астрономы несколько подорвали возражение Пенроуза, открыв тысячи звезд с планетными системами. Некоторых из этих звезд, как Солнца, достаточно, чтобы они могли способствовать жизни на планетах, подобных Земле. Всех очень взволновали новости о том, что мы, вероятно, не одни во Вселенной. Испортить ученым хорошее настроение можно, указав, что «вероятно» на самом деле не объясняет, как жизнь развилась из безжизненных химикатов. Очень большой шанс – миллионы и миллионы к одному – что даже множества солнц в далеких галактиках недостаточно, чтобы найти магический ключ к жизни. Такое возражение не может быть опровергнуто, но и доказано быть не может. Тем не менее, как только вы начинаете говорить о шансах и вероятностях, вы предполагаете, что жизнь развивалась беспорядочно. «Особость» нанесла серьезный удар.

Изобретательная теория информации

А может, и нет. Когда теория оказывается столь же успешной, сколь теория Большого взрыва, объясняет, как эволюционировала Вселенная, возражать сложно. Можно просто указать на погрешности, которые могут быть исправлены. Это бы свалило смертоносным ударом всю структуру, столь тщательно создаваемую с 1970-х годов. Но аргумент Пенроуза о втором законе термодинамики настолько прост, что он может опрокинуть весь карточный домик. Проблема инфляции состоит в том, что она не возникла сама по себе, как естественная эволюция в научных теориях: она была «собрана», чтобы объяснить некоторые загадочные загадки более старой космологии Большого взрыва. Главная цель – избавить раннюю Вселенную от ее кажущегося хаоса. Нужен источник упорядоченности, более сложный, чем бинго-машина, бросающая случайные числа.

Известный американский космолог Ли Смолин предложил некоторые интригующие идеи относительно геометрии планковской эпохи, которые могут избавить ее от чистого хаоса. Даже если в это время на физическом уровне был только хаос, возможно, источником упорядоченности было что-то нематериальное. Пенроуз и Смолин назначают информацию ключевым ингредиентом. Термодинамика фактически связывает информацию с энтропией, противопоставляя ее энтропии или «негэнтропии». Возможно, предыдущее состояние было богато информацией, неуязвимой ко второму закону, применяемому в момент Большого взрыва.

Аналогично, информация, которую вы носите в своем уме, может пережить все виды физических угроз. Одна из частей этой информации – ваше имя. Как только вы узнали свое имя, не имело значения, отправились ли вы в тропические джунгли или на Южный полюс. Тепло и холод не заставляют ваше имя замораживаться или кипеть. Ваше имя останется неизменным, если вы спуститесь на дно Долины Смерти или подниметесь на гору Эверест. Только немощи старости, нападающие на мозг, лишают нас этой интимной информации. То же самое можно сказать и о гораздо более сложных вещах, поскольку объем памяти человеческого разума невероятно огромен. С медицинской точки зрения удивительно, что кто-то может выходить из глубокой комы годами и восстанавливать если не все свои воспоминания, то большую их часть.

Выживаемость информации заставляет «циклическую Вселенную» казаться реальной возможностью. Если предыдущая Вселенная дала рождение нашей, то переход к константам и законам природы мог бы быть информационным, поскольку должна быть задействована некоторая фундаментальная математика. Это более приемлемо, чем называть математику физическим свойством. В модели Смолина прохождение космической дубинки происходит, когда новые «эоны» возникают из особенностей черной дыры. Эон был бы космической единицей времени; сингулярность же – маленькое пятнышко, оставшееся, когда все было втянуто в черную дыру.

Теоретически такое пятнышко единично, потому что оно не отбрасывает все то, что создает различия – пространство, время, материю и энергию. (Нет никаких убедительных доказательств тому, что сингулярности существуют на самом деле, даже если они математически правдоподобны.) Дело в том, что Вселенная в конечном счете схлопывается в единую точку, в сингулярность, где исчезнут материя, энергия, силы природы и пространство-время. И это только для того, чтобы возродиться через новую сингулярность. Другими словами, Большому взрыву предшествует Большой хруст. Однако мы недостаточно знаем о черных дырах, чтобы сказать, как информация может пережить их, когда ничего не делает.

«Особость» остается теоретическим конструктом.

В его нынешнем виде, утверждающем, что информация не была уничтожена в раннем космическом котле, это похоже на еще один фокус со шляпой. Так или иначе, все происходящее внутри черной дыры так же недостижимо, как планковская эра в начале Вселенной. Наше зрение блокирует такая же железная стена.

Звук лопнувшей суперструны

Средний человек в ужасе от высшей математики, но она помогает понять, что вся та реальность, которая выражается в математике формулами, существует и в области понятий. Если вы понимаете концепцию, вы часто движетесь прямо в сердце того, что пытается сказать математика. Математика – действительно сжатый универсальный язык, который позволяет описывать так называемые физические процессы или, как мы увидим позже, наши взаимодействия с природой. Конечно, никакая высшая математика не может оправдать ложную идею. В дебатах между моделями, которые включают Большой взрыв, и теми, которые обходятся без этого понятия, плюсы и минусы взвесить нелегко. Если математика – единственное, на что все еще может опираться космология, почему бы не возложить на математику всю нагрузку? Возможно, единственный безопасный способ описания состояния до создания – описать его как реальность, где нас может вести только чистая математика. Или пойти дальше: возможно, такое состояние образовано числами и ничем более. Предположение звучит странно, но многие теории готовы обратиться к нему.

Ведущим примером является теория струн, которая позже трансформировалась в теорию суперструн, поскольку ее амбиции расширились. Теория струн возникла, чтобы решить загадку того, как элементарные частицы, такие как фотоны, кварки и электроны, могут вести себя как частицы и волны одновременно. Как мы увидим позже, многие физики назвали эту проблему центральной для квантовой механики. Частица похожа на теннисный мяч, пролетающий над сеткой.

Волна похожа на закрученный воздух, который она оставляет на своем пути. Они не похожи друг на друга. Однако если теннисный мяч и закрученный воздух могут быть сведены к одному общему признаку, это может решить проблему.

Теория струн говорит, что такой общий признак – вибрации. Представьте себе скрипку, вибрирующую для создания музыкальных нот. Звучание ноты определяется тем, где скрипач прикладывает палец к струне. Подобным же образом теория струн рассматривает волны как вибрацию невидимой струны, причем частицы являются специфическими «нотами», которые появляются в пространстве-времени. Аналогия с музыкой сильна, поскольку субатомные «гармонии» (вибрации, которые резонируют друг с другом), как полагают, определяют, как относятся друг к другу кварки, бозоны, такие как фотоны и гравитоны, и другие конкретные частицы, и создают сложные структуры, точно так же, как двенадцать нот западной музыкальной гаммы превратились в тысячи симфоний, сонат и тому подобных произведений. Нет конца комбинациям, создаваемым двенадцатью нотами; так и несколько вибрирующих струн могут быть основой для смутного распространения субатомных частиц, обнаруженных в ускорителях высокоскоростных частиц.

Скептики отмечают, что струны, вибрирующие ниже уровня наблюдаемой реальности, могут быть плодами воображения. Но для математиков теория струн имела большую привлекательность, потому что она относится к чистой математике. Передовая модель, известная как теория суперструн, увеличила сложность необходимых уравнений. Сначала было пять моделей суперструн, которые выглядели по-разному, но в середине 1990-х годов им было показано, что они имеют тонкое комплексное сходство. То, что стало вершиной математического моделирования, оказалось М-теорией, где М может означать, по словам чудаковатого создателя теории Эдварда Виттена, и волшебство (magic), и тайну (mystery), и мембрану.

«Волшебство» и «тайна» относятся к тому факту, что М-теория не имеет в основе ни одного эксперимента или наблюдения. Она вытаскивает математического кролика из шляпы, гармонизируя предыдущие теории струнного типа, которые сами по себе не были основаны на экспериментах или наблюдениях. Тот факт, что М-теория так хорошо работает – на бумаге, – кажется магическим и таинственным. Конечная уловка состоит в том, чтобы показать, что Вселенная действительно работает так, как она работает на бумаге, и никто ее не оттолкнет. Третье значение – «мембрана» – технический термин физиков для описания того, как некоторые квантовые объекты распространяются через пространство, например листы или вибрирующие мембраны, а мембраны суть обобщения струн в более высоких измерениях. Здесь мы балансируем на краю очень сложных уравнений, которые можно понять только через высшую математику. Но концептуальную основу дать все же можно.

Куда все ушло?

Как реальность стала настолько загадочной, что ее понадобилось сводить к цифрам? Никто не виноват, что Вселенная исчезла у нас под носом. Физика – это физичность, но, как мы видели, в квантовой революции физичность исчезла. Мы говорим о простой, базовой физичности, о том, что пять чувств позволяют нам переживать, когда кто-то пинает камень и ему тяжело. Тонкая физичность оставалась в форме субатомных частиц и волн, предметов изучения квантовой физики. Но два связанных препятствия не могли быть преодолены.

Первое препятствие, о котором мы говорили ранее, связано с несовместимостью больших и малых объектов. Общая теория относительности Эйнштейна великолепно работает с крупными объектами, такими как планеты, звезды и галактики и сама Вселенная. Благодаря своему пониманию гравитации и искривленности космического времени, относительность принимается как обеспечивающая глубочайшее понимание чего-либо макроскопического и крупного масштаба самой Вселенной. С другой стороны, квантовая механика (КМ) столь же успешно описывает мельчайшие объекты в природе, особенно субатомные частицы. Но общая теория относительности и КМ не зацеплялись с тех пор, как были сформулированы. Каждая из теорий делает точные прогнозы внутри своей собственной области; можно провести эксперименты или наблюдения. Но найти связь между самыми большими и самыми маленькими объектами во Вселенной – чрезвычайно сложно.

Второе препятствие возникает из дилеммы, заключенной в первом. Как только было установлено, что в природе есть четыре фундаментальные силы, то есть гравитация, электромагнитная сила, сильное и слабое ядерное взаимодействие, – появилась и возможность объединить их в одну теорию. К концу 1970-х годов с открытием кварков возникла стандартная модель, которая объединила квантовый мир на трех фронтах. Сила, ответственная за свет, магнетизм и электричество (электромагнетизм), была объединена с двумя силами, которые удерживают атомы вместе (сильное и слабое ядерные взаимодействия). Мир крошечных предметов сдался математическому соответствию. Этот шаг был известен как Великое объединение, и с учетом того, сколько блестящих умов внесло свой вклад в это, объединив три фундаментальные силы, объединение и вправду можно назвать великим. Оставалась только гравитация, чтобы завершить эту «теорию почти всего» и приблизиться к святому Граалю – к Теории Всего. По аналогии, представьте себе, что кто-то собирает мозаику из статуи Свободы. Все части находятся на месте, но факела нет. Этот кусочек отсутствует в коробке, и вот начинаются поиски.

«Не волнуйся, – говорят нам, – это всего лишь кусочек. Как только мы найдем его, вся картина будет полной. Мы почти пришли».

Тем не менее, независимо от того, как трудно каждому искать, недостающий кусок найден быть не может. А когда возвращаешься к загадке, определенной картины статуи Свободы, к сожалению, уже нет: вместо нее – расплывчатые очертания, окруженные густым туманом.

Теперь вы видите, почему современная физика делится на два лагеря. Один считает, что картина Вселенной почти завершена: нет только одной части, которая, если все время искать, непременно найдется. Другой лагерь считает, что нехватка фрагмента делает всю картину неопределенной и сомнительной. Мы могли бы также назвать эти лагеря «количественным» (его идея – «нужно построить самый большой ускоритель, создать более мощные телескопы, делать больше вычислений, тратить больше денег…») и «качественным» (идея – «начать следует с новой модели Вселенной»). «Количественный» лагерь считает, что опирается на практику и прагматизм. Мантра «количественных» – «Заткнитесь и считайте!»: по их мнению, любое дополнительное теоретизирование – всего лишь ненужные предположения.

Чтобы в конце концов победить, «количественным» придется докопаться до самых упрямых частиц из самой глубокой квантовой ткани. Только тогда их расчеты будут оправданны. Пока что прогнозы оптимистичны, особенно после того, как в 2012 году была открыта одна из самых важных этих частиц – бозон Хиггса. Мы упоминали, что квантовый вакуум кишит субатомными частицами. Некоторые из них настолько неуловимы, что их выявление требует огромных технических мощностей, то есть все более крупных и дорогих ускорителей. Если бомбардировать атом сверхвысокой энергией, квантовый вакуум иногда «выталкивает» новый тип частицы. Это тонкая, кропотливая работа, но обнаруженные частицы доказывают, что существующие теории действительно верны. Существование бозона Хиггса было предсказано; таким образом, его открытие, будучи подтверждено, показывает, что стандартная модель соответствует реальности. Функция бозона Хиггса состоит в том, чтобы придать массу другим флуктуациям в квантовом поле. Технический момент, на котором не стоило бы останавливаться, не будь эта функция основой существования всех созданных физических объектов.

СМИ зациклились на определении «частица Бога», которое смущает почти всех физиков. Для них открытие бозона Хиггса было триумфом: оно заполнило пробел на месте одной из последних оставшихся фундаментальных частиц, факел статуи Свободы нашелся, теоретическая картина почти завершена. Поиск последней недостающей части занял пять десятилетий – начиная с того дня, когда британский физик Питер Хиггс и его коллеги первыми предложили существование так называемого поля Хиггса.

Новое открытие вписывается в привычные образцы. История современной физики – торжественный парад доказанных результатов вперемешку с теоретическими выкладками. Бозон Хиггса может быть важным звеном в понимании того, как связаны четыре фундаментальные силы, но на этом парад может и кончиться: включение гравитации в систему может быть невозможным, если мы все еще говорим о подтверждении. Гравитон, теоретическая частица, которая выскакивает из поля тяготения при его возбуждении, далека от того, чтоб ее наблюдать или хотя бы иметь такую возможность. Одно из препятствий – чисто техническое. Ускорение и энергия, необходимые, чтобы приблизить нас к истокам физической реальности, огромны. По некоторым оценкам, ускоритель, способный выполнить эту работу, должен быть больше, чем окружность Земли.

На этом препятствии история не заканчивается.

Помочь обойти практические трудности может математика. Нет таких весов, на которых можно взвесить голубого кита, но его вес можно определить с помощью вычислений – на основании его размера, плотности его веса, а также в сравнении с малыми китами и дельфинами: их взвесить можно. Но здесь «количественный» лагерь тонет в математическом болоте, ведь теория струн, теория суперструн и М-теория добавляют ко всем сложностям еще несколько слоев, и ни один из них не поддается проверке в реальной жизни.

Странно, но провал этой попытки увернуться от базовых трудностей может поставить весь космос под вопрос. Однако реальностей не две, реальность – одна. Самое большое должно быть как-то связано с самым малым. То, что эти связи невидимы, не останавливает математику. Тревожит – и более чем тревожит – то, что в математике оказывается столько сложностей, неясностей и залатанных лакун. Это значит, что, удаляясь от реальности, можно заблудиться в таких играх ума, где не поможет даже математика. Если, конечно, не признавать того, что ее необоснованность, как говорят физики, указывает на ментальную природу Вселенной, из которой родом и математика в том числе.

Мы говорим, что Вселенная началась со взрыва.

Но на самом деле она больше походила вначале на скромного артиста, не спешащего выйти из гри-мерки до тех пор, пока костюм не будет сидеть идеально – каждым швом и каждой строчкой. Миллиарды лет спустя мы оглядываемся и поражаемся тому, что космос, в котором обитает человечество, идеально, даже слишком идеально, подходит ему. Разум не может объяснить, как совмещаются грандиозный взрыв и принцип «каждый шов на месте»: как если бы Леонардо да Винчи нарисовал «Тайную вечерю», случайно ляпнув краской на стену и понадеявшись, что получится.

Однако современная космология настаивает на том, что ранняя Вселенная и должна была развиться случайно. У нее не было ни явного, ни закулисного дизайнера. Научные версии творения исключают из него Бога в любой форме. Но как еще обосновать то, что человеческая ДНК с ее невероятной упорядоченностью, с ее тремя миллиардами основных химических единиц, берет начало от космической «динамитной шашки»? Иначе говоря, как из хаоса выходит порядок?

Не напрягая мозг, на этот вопрос не ответишь. Собственно, мозг и есть пример того, как с этой проблемой сталкивается каждый из нас. Например, для того чтобы вы прочитали слова на этой странице, в зрительной коре головного мозга должны пройти чрезвычайно точные процессы. Пятна чернил на странице должны быть «зарегистрированы» как знаки. Знаки должны быть поняты на том языке, на котором вы читаете. Когда ваши глаза переходят от одного слова к другому, мозг должен «включать» значения слов, а затем «отключать» их по мере вашего перехода к следующему предложению.

Это удивительно, но реальная загадка в том, что молекулам внутри каждой клетки мозга предписаны конкретные, предопределенные действия и реакция. Если позволить железу контактировать со свободными атомами кислорода, образуется оксид железа, или, проще говоря, ржавчина. Атомам выбирать не приходится: образовать соль или сахар вместо ржавчины они не смогут. Но с помощью столь же «заблокированной» биохимии мозга мы ежедневно получаем тысячи новых, объединенных в уникальные картины впечатлений, которые делают сегодняшний день отличным от вчерашнего или завтрашнего.

Таким образом мозг и доказывает нам, что хаос и порядок пребывают в очень непростых отношениях. Химия полностью предопределена, но мышление – свободно. Если мы сможем понять, как именно они соотносятся, будет открыта одна из самых сокровенных тайн Вселенной и, что еще важнее, мы поймем, как работает ум, который, откровенно говоря, куда интереснее большинству людей, чем Большой взрыв.

Постигая тайну

В физике загадка того, почему случайно созданная Вселенная так хорошо устроена, называется проблемой тонкой настройки. Но прежде чем переходить к науке, стоит поискать подсказки в чем-то более древнем: в мифах о сотворении мира. Несмотря на то, что у каждого народа своя история творения, все они делятся на две группы. Первая – легенды, которые объясняют создание мира через знакомые действия, через то, что могут делать люди. Например, один индийский миф гласит, что силы света и тьмы создали мир, взбивая горой Меру молочный океан до тех пор, пока из него не получилось масло.

Легенды второго типа трактуют творение противоположным способом – как нечто тайное, совершенно сверхъестественное. Такова иудео-христианская история творения, описанная в Книге Бытия: Яхве начинает с полной пустоты и волшебным образом создает из нее свет, небеса, землю и все сущее на ней. Ничего похожего на обычную жизнь, ничего подобного тому же сбиванию масла. Современная космология больше похожа на Книгу Бытия: она полагает, что Вселенная возникла, когда что-то появилось из ничего. Назвать ее появление магическим или сверхъестественным было бы оскорблением для науки, так что назовем его загадочным, хотя это и было бы преувеличением века.

Творение очень велико. Вселенная простирается на 10 миллиардов световых лет во всех направлениях, насколько может видеть глаз или телескоп. Вот как далеко ушел свет после Большого взрыва! Когда Вселенная-ребенок росла, она делала это не беспорядочно.

Она создавала себя по определенным правилам, известным как константы природы, по правилам, которые могут быть сформулированы с помощью математических выкладок. Некоторые из этих констант – скорость света и постоянная сила тяжести – уже упоминались в книге.

Константы создают порядок в природе подобно старомодным матерям, которые считали своим долгом ставить ужин на стол в одно и то же время. Проблема в том, что и константы должны были откуда-то появиться, а единственное доказуемое «откуда-то» – Большой взрыв, который был полностью хаотичным, пока все внезапно не упорядочилось. Как если бы столяр взорвал бомбу в своей мастерской и сказал: «Не волнуйтесь. Взрыв создаст буфет в стиле „чиппендейл“ сам по себе. Просто подождите». Очевидно, что помимо ожидания не только столяру, но и Вселенной понадобилось бы нечто большее, но что?

Нельзя не согласиться с тем, что тонкая настройка существует. Слишком много или слишком мало силы тяжести, слишком много или слишком мало массы, слишком много или два небольших электрических заряда – все это привело бы к тому, что новорожденная Вселенная либо рухнула бы сама по себе, либо разлетелась бы слишком быстро, не успев образовать атомы и молекулы. Идем дальше, жизнь на Земле была бы невозможна без множества космических совпадений: к примеру, аминокислоты, строительный материал для белков, по-видимому, существовали еще в межзвездной пыли. Более того, упомянутые «слишком мало» и «слишком много» могли измеряться и миллионными, и даже миллиардными долями процента.

Нельзя не согласиться и с тем, что нужно выяснить, откуда пришли константы природы. Точные математические законы управляют четырьмя основными силами: силой тяжести, электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Например, постоянная, применяемая при измерении силы тяжести, остается неизменной, где бы вы ее ни изменяли – в отдаленных отдельных точках, например на Марсе, или на дальней звезде в световом году от Земли, вне зависимости от того, насколько они не похожи. Опираясь на константы, земные физики могут мысленно путешествовать в самые отдаленные уголки пространства и времени.

Когда они это делают, возникают неожиданные совпадения. Например, в глубоком космосе взрыв самых больших звезд, массивных сверхновых, – явление, которое можно наблюдать с помощью мощных телескопов с Земли или ее орбиты. Взрывы сверхновых, произошедшие миллиарды лет назад, ответственны за формирование всех существующих тяжелых элементов, таких как кальций, фосфор, железо, кобальт и никель. Атомы этих элементов сначала были разрозненной межзвездной пылью, но гравитация заставила их соединяться друг с другом, и в конце концов они попали внутрь древней солнечной туманности, а из нее образовались все планеты, в том числе и наша. Железо, которое делает вашу кровь красной, ведет свой род от сверхновой, которая саморазрушилась эоны назад. Специфика взрыва определяется слабой силой, существующей в бесконечно малом масштабе атомного ядра. Если бы эта сила была слабее на 1 % или около того, ни взрывов сверхновых, ни образования тяжелых элементов, ни, следовательно, жизни, какой мы ее знаем, не было бы. Константа, определяющая слабую силу, должна была быть именно такой, какова она есть.

Рассмотрим некоторые конкретные случаи тонкой настройки на уровне повседневной реальности, где материя удобно скомпонована из атомов и молекул. Свойства, называемые «постоянной тонкой структуры», определяют свойства этих атомов и молекул. Это отвлеченное число, примерно 1/137. Если постоянная отличалась бы от имеющейся всего на 1 %, то не было бы атомов или молекул, какими мы их знаем. Постоянная тонкой структуры, связанная с жизнью на Земле, определяет, как поглощается солнечная радиация в атмосфере Земли и как в зеленых растениях происходит процесс фотосинтеза.

Солнце испускает лучи преимущественно в той части спектра, где атмосфера Земли прозрачна для них. Проблема в том, что солнечное излучение определяется величиной гравитационной постоянной. Почему макроскопическая величина, а именно сила тяжести, должна быть такой, чтоб излучение в нужной части спектра могло поглощаться растениями? Нужная для передачи света в атмосфере длина волн, способных привести свет на поверхность Земли, определяется постоянной тонкой структуры, которая применима в микроскопическом масштабе.

Нет никакой определенной причины, по которой две отдельные константы – управляющая сверхбольшими вещами и управляющая сверхмалыми вещами – должны быть взаимосвязаны. Примерно так же выглядело бы чье-нибудь «открытие», что отпечатки пальцев ребенка могут рассказать вам, вырастет ли из него нейрохирург. Но если эти две константы не были бы взаимосвязанными, не было бы и той жизни, какую знаем мы. Проблема тонкой настройки была обоснованно названа одним из наибольших затруднений физики. Впрочем, и биологии тоже: жизнь так же зависит от хрупкого баланса констант. Фактически, тонкую настройку довела до высшей точки та самая невозможность Вселенной, приведшая к появлению жизни на Земле. Для возникновения ДНК потребовалось бы слишком много совпадений, начиная с самого Большого взрыва. Теоретики стали выяснять, являются ли эти совпадения в действительности чем-то другим, индикатором того, что не замечена некая глубинная связь. Ключи к этой скрытой связи – подозрительно точно настроенные константы. Впрочем, многие другие совпадения ведут к тем же мыслям.

Выяснение того, почему Вселенная так тонко настроена, занимает многих космологов, и определенному их контингенту уже давно неудобно приписывать рождение Вселенной чистой случайности. Вот знаменитая цитата из высказываний известного британского астронома Фреда Хойла (1915-2001 гг.):

«На свалке лежат все детали „Боинга-747“, порознь и в беспорядке. Через двор проносится вихрь. Какова вероятность того, что после этого на свалке будет стоять собранный „Боинг“, готовый к взлету? Она столь мала, что можно пренебречь ею, даже если торнадо пронесется через свалку размером со Вселенную».

Для большинства практикующих физиков аналогия Хойла не выдерживает критики, так как уравнения, лежащие в основе квантовой механики, и их огромная прогностическая сила определяют работу и случайностей, и неопределенности. Тем не менее объяснение того, почему константы так точно настроены, бросает вызов текущим знаниям. Существует даже интригующая возможность того, что отлаженность констант необходима для существования людей. Что, если случайность тут вовсе ни при чем?

Лучшие ответы на данный момент

Объяснить причину тонкой настройки ученые попытались через так называемый антропный принцип, получивший свое название от греческого «антропос» – «человек». Термин «антропный принцип» впервые появился в 1973 году на конференции, посвященной 500-летию со дня рождения Коперника. Основной принцип теории Коперника в том, что система, где Земля вращается вокруг Солнца, лишает человека центрального положения в творении. Один из главных авторов антропного принципа, астрофизик Брэндон Картер, заявил: «Наше место в космосе не обязательно центральное, но уж точно привилегированное». Это утверждение можно считать и возмутительным, и прорывным, в зависимости от ваших убеждений. Вернуть людей на привилегированное место в космосе на миллиарды световых лет – это было смело, если не более того. Чтобы спокойно описать суть антропного принципа, можно обратиться к известному британскому физику и математику сэру Роджеру Пенроузу, к его очень уважаемой книге «Новый разум Императора» (1989 г.).

Пенроуз пишет, что аргумент о предоставлении привилегированного положения людям полезен, «чтобы объяснить, почему сложились подходящие условия для существования (разумной) жизни на Земле в настоящее время». Несмотря на то, что физика склонна объяснять все случайностью, Пенроуз указывает на «поразительные числовые отношения между физическими константами (гравитационная постоянная, масса протона, возраст Вселенной и т. д.). Загадка этого в том, что некоторые отношения сохраняются только в нынешнюю эпоху земной истории, поэтому мы, по случайному совпадению, живем в совершенно особенное время (плюс-минус несколько миллионов лет!)»

Находясь здесь, мы оглядываемся и обнаруживаем, что космос привел нас к существованию. В этот момент необходим спокойный тон, потому что на пике спора креационисты, опирающиеся на Библию, буквально готовы наброситься на оппонента: мол, физика наконец поддержала их веру в то, что Бог дал человеку господство над Землей – именно так, как учит Книга Бытия! Любое предположение о том, что человеческие существа избраны Богом на каком-то этапе космической эволюции, – ересь для науки. Но антропный принцип и не предполагает религиозных объяснений. Он опирается на примечательный, но труднообъяснимый факт: на Земле сейчас существует интеллектуальная жизнь, а именно – мы, и именно мы способны измерять константы, которые породили разумную жизнь. Совпадение? Только ли?

Помочь может аналогия. Представьте, что медузы умны и хотят знать, из чего сделан океан. Исследователи медуз анализируют химический состав океана – и наблюдают удивительное: химические вещества внутри тела медузы точно соответствуют химическим веществам в морской воде. Слишком совершенное совпадение, чтобы быть только им. Должно быть другое объяснение.

Исследователи правы, потому что причина, по которой морская вода и жидкость внутри медузы совпадают, заключается в том, что эволюция создала медуз неспособными жить без моря.

Разве люди настолько важны?

Антропный принцип получил поддержку среди ученых, которым было неудобно громоздить совпадение на совпадение, не получая никаких окончательных объяснений, соответствующих современной науке. Как и в случае с медузами, связь между человеческим мозгом и постоянными во Вселенной могла быть обусловленной эволюционно. А может, и нет. Они могут быть связаны по какой-то другой причине, или связь окажется поверхностной, и мы обнаружим ключевые несоответствия, если продолжим поиски. Много спорят о том, есть ли в космосе вообще что-то случайное, но, по крайней мере, лед тронулся: замки сплошных случайностей отперты ключом разума. (Недавние открытия планет, вращающихся вокруг отдаленных, подобных Солнцу, звезд, увеличили возможность случайности: предполагается, что могут существовать миллионы и миллионы планет, потенциально способных поддерживать жизнь. Если это так, то Земля выиграла в космической лотерее, но ее выигрыш не уникален. Или уникально вообще все. Коперник смеется последним.)

Чтобы поднять авторитет антропного принципа, были сформулированы его сильная и слабая версии.

Слабый антропный принцип (WAP) пытается найти в уравнении любые исключения. Он не утверждает, что разумная жизнь на Земле была целью космической эволюции, начиная с Большого взрыва, а лишь гласит, что Вселенная, если она объяснима полностью, должна быть объяснима жизнью на Земле. Может быть, в константах, которые мы измеряли, есть какое-то пространство для маневра, то есть наши знания, хотя и верные, ограничены нашей перспективой.

Представьте, что пчелы могут собирать пыльцу только с розовых цветов. Если бы существовал слабый пчелиный принцип, он бы гласил, что существует связь между пчелами и розовым, не зависящая от эволюции цветов. А существование синих, желтых и любых других цветов объяснялось бы чем угодно, но не пчелами.

Сильный антропный принцип (SAP) смелее: он заявляет, что не может быть познаваемой Вселенной без человечества. Космическая эволюция должна была непременно привести к нам. Многие физики чувствуют неловкость при такого рода предположениях, слишком отдающих метафизикой. Один вредный комментатор пошел дальше и заявил об Очень-очень сильном антропном принципе, который сформулирован как «Вселенная возникла, потому что лично я смог подменить причину следствием, например на этой странице» (http://c2.com/cgi/wiki?AnthropicPrinciple). Это может показаться лишь шуткой о том, что SAP – нелепая крайность. Но, на самом деле, если Вселенная вмещает в себя людей, то нет и логических доводов, почему она не может вместить и конкретный момент времени. У причины и следствия нет собственного ума. Если действия приводят к предсказуемым результатам (например, брошенный мяч всегда упадет на землю), так же точно может быть предсказан и любой момент времени.

Теперь можно понять, почему вера в причину и следствие – главное из верований, которые разрушились в постквантовой эпохе. Нельзя утверждать, что Большой взрыв неизбежно привел бы к этому мгновению, к странице, которую вы сейчас читаете, к бутерброду с ветчиной, или чашке чая у вас в руках, или к буквам, которыми написана ваша фамилия. Если считать причинно-следственные связи строгими, получится, что каждое слово, которое сорвется с ваших губ, было предопределено миллиарды лет назад. Квантовая механика облегчила эту трудность, превратив строгие причинно-следственные связи в вероятности. Теперь мы, можно сказать, живем с мягкими причиной и следствием: каждое событие возникает из набора вероятностей, а не создается жесткой цепной реакцией.

Однако тайна тонкой настройки Вселенной никуда не делась. Вероятности могут рассказать вам о вероятности появления некого электрона в точке А во времени и пространстве, но ничего не скажут о том, какую роль играют электроны в тонкой настройке Вселенной. По аналогии, если словарный запас вашего друга 30 000 слов и вы знаете, как часто он использует каждое слово, то вы можете вычислить вероятность того, что следующим его словом будет «джаз». Допустим, он не фанат джаза, и эта вероятность равна 1 к 1 867 054. Степень точности высока, но у вас все еще нет способа объяснить, почему он выбирает это слово каждый раз, когда оно покидает его уста. А если рассуждать в более крупном масштабе, можно сказать, что ваше владение теорией вероятности не даст объяснения тому, почему в примитивных обществах сотни тысяч лет назад вообще появились языки.

Независимо от того, слабый или сильный антропный принцип мы используем, он позволяет Земле не оставаться случайной точкой в космическом океане. Трудно отрицать то, что константы природы имеют свою особую ценность, ведь и Вселенная создана для жизни, для того, чтобы она развивалась. Если вы когда-либо строили целый день карточные домики, вы знаете, что неправильно положенная карта может обрушить всю конструкцию. А теперь представьте, что вы строите не домик из 52 карт, а человеческую ДНК, с ее 3 миллиардами пар оснований и химическими ступенями вдоль витой лестницы двойной спирали. Подумайте, что процесс построения человеческой ДНК занял приблизительно 3,7 миллиарда лет, начиная с первых проблесков жизни на Земле, и еще 10 миллиардов лет космос существовал до этого момента. Сколько могло случиться за это время ошибок – таких, чтобы домик ДНК обрушился? Слишком много, чтобы считать. Ваши гены переданы вам родителями, но в процессе передачи в среднем произошло около 3 миллионов случайных изменений – мутаций. Эти случайные изменения ДНК, наряду с мутациями, вызванными рентгеновскими лучами, космическим излучением и другим влиянием окружающей среды, вселяют в нас огромные сомнения в том, что жизнь создана случайно.

Скорость случайных мутаций статистически проверяема. Фактически, это основной способ, позволяющий проследить, куда человеческие гены переместились после того, как первая группа наших предков мигрировала из Африки 200 000 лет назад. Мутации в их ДНК служат своего рода навигатором, по которому мы видим их путь. Таким образом, у нас появляется аргумент в пользу случайности. Но в то же время статистика – контраргумент: за 3,7 миллиарда лет пути ДНК могли меняться и теряться. Тем не менее все ошибки были устранены, и этот факт путает все карты, если пытаться сделать случайность единственной работающей силой. Жизнь балансирует на пороге порядка и беспорядка. Кроме того, тонкая настройка Вселенной подчеркивает, как таинственна связь между ними.

Космическое тело

Все больше физиков считает, что проблему тонкой настройки можно решить, только приняв, что весь космос – единая, непрерывная, гармонично организованная и работающая сущность, подобная человеческому телу. Невозможно не согласиться с тем, что отдельные клетки сердца, печени, мозга и других органов связаны с деятельностью всего организма. Если смотреть только на одну ячейку, ее связь с целым будет утрачена. Все, что вы видите, – это химические реакции, циркулирующие внутри каждой клетки, снаружи ее и через нее. Но есть и то, чего вы видеть не можете: у этих реакций две стороны. На локальном уровне они поддерживают жизнедеятельность отдельной клетки, а на общем – всего тела. Клетка-отступница, которая действует сама по себе, может стать злокачественной. Неустанно стремясь к собственным интересам, бесконечно делясь и убивая другие клетки и ткани, которые стоят на пути, злокачественная клетка превращается в раковую опухоль. В конечном счете «нелояльность» клетки всему остальному телу бесполезна. Рак разрушается сам, когда пораженное им тело умирает. Научилась ли Вселенная избегать разрушения еще много лет назад? Не это ли тонкая настройка космической защиты, к которой люди, если надеются выжить, должны относиться уважительно?

Легенды предупреждали об этом еще задолго до того, как угрожать нам хаосом стали террористы, хакеры и плохая экология. В средневековых легендах о Граале вера в Бога была невидимым клеем, который держал мир в целости, а грех – раковой опухолью, способной его разрушить. Когда рыцари Грааля отправились на поиски чаши, наполненной Христовой кровью, природа вокруг была серой, умирающей. Отчаяние природы символизировало человеческий грех. Грааль – настоящий, а не символический – был своего рода обращением к уму необразованных средневековых людей: если бы им показали чашу, это доказало бы связь людей с Богом, убедило, что Бог не оставил их. Естественный порядок был бы соблюден.

Один священный предмет, спасающий мир, еще более невероятен, нежели зависимость всего космоса от какой-то мелочи, но это – урок тонкой настройки. (Кто-то мрачно комментировал, что вирус гриппа, способный вызвать смертельную болезнь, похож на футбольный мяч, брошенный в окно небоскреба и обрушивший все здание.) Здесь вспомним еще одно замечание сэра Артура Эддингтона: «Когда электрон вибрирует, Вселенная трясется». Все в космосе взаимосвязано (и воспринимается человеческим мозгом как взаимосвязанное), потому что реальность одна и та же. Если есть другая реальность «вне там», выходящая за пределы человеческого восприятия, она, по существу, и не существует.

Если человек слеп, это не делает цвета нереальными – чтобы убедиться в их существовании, достаточно других людей, которые могут видеть. Но если бы все люди были дальтониками, то мозг никогда бы не постиг существования цвета. Люди не могут видеть инфракрасного и ультрафиолетового излучения: длины световых волн лежат за пределами возможностей наших глаз. Мы можем подтвердить их существование только с помощью инструментов, предназначенных для обнаружения этих длин волн. Больше нельзя полагать, что во «тьме» Вселенной нет никакого света или излучения. Реальность внезапно становится похожей на диапазон радиочастот, где мы можем «поймать» только одну станцию – нашу Вселенную.

Оглядываясь назад, на раннюю Вселенную, на то время, когда только образовывались атомы, квантовая теория утверждает, что каждая частица материи уравновешивалась частицей антиматерии. Они могли бы уничтожить друг друга, и тогда история космоса была бы очень короткой. Но, как часто бывает (вы уже привыкли к этой фразе), материи было чуть-чуть, буквально на одну миллиардную, больше, чем антиматерии. Этого было достаточно, чтобы позволить всей видимой материи в творении избежать уничтожения и породить ту Вселенную, какой она стала.

Добавочная тайна: плоскостность

Тонкая настройка, представленная в виде констант, выглядит математической абстракцией. Но, как и в каждой космической загадке, вокруг нас есть видимые доказательства в физической форме. Наглядный пример этого – так называемая проблема плоскостности, добавочная тайна, усложняющая главную: тайну тонкой настройки. Приблизившись как можно более вплотную к началу творения, достигла больших успехов модель космической инфляции, рассмотренная в предыдущей главе. Общепринятая версия этой модели была разработана молодым американским физиком-теоретиком Аланом Гутом в Корнелле в 1979 году и опубликована в 1981 году. По мнению Гута, Вселенная начала расширяться не в самый момент Большого взрыва, но доли секунды спустя.

Доказательство того, что ранняя Вселенная развивалась с поразительной скоростью, опирается на различные «улики». Первая – почти полное единообразие излучения, возникшего во время Большого взрыва и распространяющегося по Вселенной до сих пор. Вторая – то, что космос почти плоский. «Плоскостность» – это научный термин из области физики, относящийся к искривлению Вселенной и распределению материи и энергии в ней. Ньютон разработал теорию гравитации, определив ее как единственную силу, через призму которой ее можно рассматривать. Разработанная Эйнштейном общая теория относительности описывает гравитацию в терминах трехмерной геометрии, так что более сильные или более слабые гравитационные эффекты можно изобразить как искривления в пространстве. Чем больше массы и энергии, тем больше кривизна.

Искривление возможно в обе стороны: сближением кривых, порождающим сферу наподобие баскетбольного мяча, или их расхождением, когда поверхность подобна лошадиному седлу. Физика называет это положительной и отрицательной кривизной соответственно. «Мяч» и «седло» могут быть смоделированы как двумерные поверхности, но кривизна трехмерного пространства гораздо сложнее (например, у шара есть внутренняя и внешняя стороны, а у Вселенной – нет). Общая теория относительности позволяет вычислить, сколько массы и энергии в данном пространстве заставит его искривляться так или иначе. Если бы критические значения оказались превышены, Вселенная свернулась бы в шар, который сжался бы до точки и исчез, или, напротив, бесконечно расширялся бы наружу. Средняя концентрация массы и энергии должна была максимально приблизиться к этой критической величине, чтобы создать Вселенную, которую мы видим, где пространство плоское.

Поскольку младенческая Вселенная была почти бесконечно плотной, ее расширение могло только уменьшить плотность – как ириска, которая, если ее растягивать, становится только тоньше. В нынешней Вселенной плотность массы-энергии на единицу пространства достаточно низка – примерно 6 атомов водорода на кубический метр пространства. В целом нынешняя Вселенная выглядит довольно плоской.

Но есть загвоздка. Уравнения общей теории относительности говорят нам, что, если критическое значение когда-либо действительно колебалось, пусть и немного, эффект этого в ранней Вселенной невероятно возрос бы, и очень быстро. Ясно, что младенческая Вселенная была близка к критическому значению, и это было удачно для того, чтобы Вселенная была такой, как сейчас, а не седловидной или самоколлапсирующей. Но расчеты показывают, что значение, когда Вселенная была юной, не могло отклониться более чем на одну квадриллионную (квадриллион – это единица с 15 нулями). Как возможна настолько ошеломляющая точность?

Решение Алана Гута, принятое как часть стандартной модели, состояло в том, чтобы ввести понятие инфлатонного поля, имеющего определенную плотность, которая никогда не изменяется, в отличие от возникшей из поля Вселенной, плотность которой изменяется по мере ее расширения. (Продолжая грубую аналогию с ириской, кусок ее может быть очень тонким, но сладким он будет всегда.) По сути, поле напоминает сетку, которая поддерживала устойчивость младенческой Вселенной даже в экстремальных, почти хаотических условиях. В результате сегодня мы видим «почти плоским» все, что наблюдаем. (Примечание: в статье того же периода по смежной теме Гут дал основанное на поле решение другой головоломки, известной как проблема горизонта и связанной с обнаруженной однородностью температур во Вселенной. Не будем здесь вдаваться в проблему горизонта: проблема плоскостности иллюстрирует тонкую настройку достаточно ярко.)

Конец ознакомительного фрагмента.