Случайная Вселенная

В V в. до н.э. философ Демокрит предположил, что материя состоит из маленьких невидимых атомов разных размеров и фактур – жесткие, мягкие, гладкие, с зазубринами. Атомы считались некой данностью. В XIX веке ученые выяснили, что химические свойства атомов повторяются с определенной периодичностью (так была создана периодическая таблица, отражающая эту особенность), однако причины этой закономерности оставались загадочными. Лишь в ХХ веке открыли, что свойства атома определяются количеством и положением электронов в нем – микрочастиц, вращающихся вокруг ядра. Теперь мы знаем, что все атомы тяжелее гелия родились в ядерных топках звезд.
Историю науки можно отслеживать по тому, как явления, когда-то считавшиеся случайностью, становятся явлениями, которые можно описать с помощью фундаментальных законов и принципов. Сегодня к списку таких объясненных вещей можно отнести цвет неба, орбиты планет, под каким углом расходятся волны от идущего по озеру корабля, шестигранную форму снежинок, вес летящей дрофы, температуру кипения воды, размер капель дождя, круглую форму Солнца. Все эти явления, как и многие другие, которые когда-то считались либо зафиксированными от сотворения мира, либо результатом случайных событий, теперь можно объяснить как необходимые следствия фундаментальных законов природы – законов, открытых людьми.
Однако может статься, что сейчас этот долгий и увлекательный процесс подходит к концу. В ходе кардинального переворота в космологической мысли ведущие мировые физики выдвинули предположение, что наша Вселенная лишь часть бесконечного числа вселенных с разными свойствами и некоторые основные свойства нашей конкретной Вселенной на самом деле случайность, бросок космических костей. В этом случае все надежды на то, что свойства нашей Вселенной объяснимы с точки зрения фундаментальных законов и принципов, можно считать похороненными.
Определить, насколько далеки друг от друга разные вселенные и существуют ли они одновременно, вероятно, невозможно. В некоторых из них могут быть такие же звезды и галактики, как в нашей. В других нет. Некоторые могут быть конечными, другие – бесконечными. Это многообразие вселенных физики называют мультивселенной. Один из ведущих космологов, Алан Гут, говорит, что «идея мультивселенной подрывает наши надежды на то, чтобы понять мир, исходя из фундаментальных принципов». Философский этос науки вырван с корнем. Как сказал мне недавно лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг, который в выборе слов аккуратен не меньше, чем в математических расчетах: «Мы шли по дороге понимания законов природы и теперь оказались на исторической развилке. Если идея мультивселенной верна, стиль фундаментальной физики радикально изменится».
Из всех ученых больше всего из-за описанной Вайнбергом «развилки на дороге» расстроились теоретические физики. Теоретическая физика – самая глубокая и чистая ветвь науки. Это аванпост науки на стыке с философией и религией. Экспериментальные физики занимаются наблюдением за космосом и его измерением, выясняют, что существует, каким бы странным оно ни было. А вот теоретическим физикам наблюдений за Вселенной недостаточно. Они хотят знать почему. Они хотят объяснить все свойства Вселенной на основании ограниченного числа фундаментальных принципов и параметров. Эти фундаментальные принципы, в свою очередь, порождают «законы природы», которые управляют поведением материи и энергии. Вот пример фундаментального принципа в физике, открытого в 1632 году Галилеем и дополненного в 1905 году Эйнштейном: «Все наблюдатели, движущиеся относительно друг друга с постоянной скоростью, должны наблюдать идентичные законы природы». В качестве фундаментального параметра можно привести массу электрона, считающегося одной из двух десятков элементарных частиц природы. Ученые всегда считали или хотя бы надеялись, что эти основные принципы настолько строги, что возможна только одна непротиворечивая вселенная. Это, разумеется, та самая Вселенная, в которой живем мы. Теоретические физики – как платоники. До недавнего времени они считали, что вся Вселенная, наша единственная Вселенная, подчиняется нескольким математическим истинам и принципам симметрии; возможно, к ним можно добавить несколько параметров – вроде массы электрона. Казалось, что мы близки к созданию модели вселенной, которая позволит все просчитать, предсказать и понять.  
Однако две теории в физике – хаотическая инфляция и теория струн – позволяют предположить, что, исходя из тех же самых фундаментальных принципов, на которых основаны законы природы, возможны другие непротиворечивые вселенные с различными свойствами. Это как если бы вы пришли в обувной магазин, узнали свой размер и вдруг увидели, что вам подходит обувь не только пятого размера, но еще и восьмого, и двенадцатого. Такая путаница чрезвычайно расстраивает теоретических физиков. Получается, что фундаментальные законы природы не позволяют постулировать существование единственной и уникальной Вселенной. По мнению многих современных физиков, мы живем в одной из множества вселенных. Мы живем в случайной Вселенной. Мы живем во Вселенной, которую наука не может просчитать.

«В70-х и 80-х годах XX века, – говорит Алан Гут, – нам казалось, что мы очень умные, что мы почти все понимаем». Тогда физики выдвинули весьма точные теории о трех-четырех фундаментальных взаимодействиях: сильном, сцепляющем атомное ядро; слабом, ответственном за некоторые формы радиоактивного распада, и электромагнитном взаимодействии между двумя электрически заряженными частицами. Ожидалось, что в скором времени теорию, известную как квантовая физика, объединят с эйнштейновской теорией четвертой силы, то есть гравитации, и таким образом получится то, что физики называли теорией всего, или окончательной теорией. Для этих теорий 70–80-х годов требовалось уточнить примерно два десятка параметров, связанных с массой элементарных частиц, и еще пять-шесть параметров, связанных с величиной фундаментальных взаимодействий. Предполагалось, что в дальнейшем это позволит вывести массы большинства элементарных частиц из одной-двух фундаментальных масс и определить величины всех фундаментальных сил через единую фундаментальную силу.
Были все основания полагать, что физики готовы к этому шагу. Ведь, начиная с Галилея, они крайне успешно открывали принципы и законы, у которых было все меньше и меньше свободных параметров и которые хорошо согласовывались с данными наблюдений. Например, наблюдаемая ротация эллиптической орбиты Марса – 0,012 градуса за 100 лет – была успешно рассчитана на основании общей теории относительности, а наблюдаемая величина магнитного поля электрона – 2,002319 магнетона – была получена благодаря применению квантовой электродинамики. Физика в большей степени, чем любая другая наука, может похвастаться совпадением данных, полученных теоретическим и практическим путем.
Гут начал карьеру физика в безоблачном научном мире. Сейчас ему 64, он профессор Массачусетского технологического института, а когда ему было чуть за тридцать, он существенно скорректировал теорию Большого взрыва с помощью понятия инфляции. Сейчас у нас есть множество свидетельств того, что изначально наша Вселенная представляла собой точку бесконечной плотности и температуры и примерно 14 миллиардов лет назад она начала расширяться, охлаждаясь и разрежаясь. Согласно теории инфляции, когда наша Вселенная была возрастом в одну триллионную одной триллионной части одной триллионной секунды, космос начал расширяться под действием необычной энергии. Крохотную долю секунды спустя Вселенная вернулась к более спокойной скорости расширения, описываемой стандартной теорией Большого взрыва. Инфляция решила множество важных проблем в космологии – например, почему Вселенная кажется такой однородной в больших масштабах.
Как-то прохладным майским днем я зашел к Гуту в его кабинет на третьем этаже. Я едва заметил его за столом между кипами бумаги и пустыми бутылками из-под диетической «Кока-колы». На полу стопок из бумаг и журналов было еще больше. Не случайно несколько лет назад Гут выиграл объявленный газетой «Бостон глоуб» конкурс на самый большой беспорядок в рабочем кабинете. Призом были услуги профессиональной уборщицы на один день. «Она на самом деле больше мешала, чем помогала, –  взяла с пола пачку конвертов и принялась сортировать их по размеру». У него длинные волосы и авиаторские очки, он не переставая пьет диетическую «Кока-колу». «В теоретическую физику я пошел потому, – говорит мне Гут, – что мне нравилась мысль, будто мы можем понять все – т.е. Вселенную – в математических и логических терминах». Он грустно смеется. Мы говорим с ним о мультивселенной.

Теория мультивселенной не соответствует платоновским чаяниям теоретических физиков, но тем не менее она объясняет один из аспектов нашей Вселенной, который много лет не давал покоя ученым: согласно различным расчетам, если бы значения фундаментальных параметров нашей Вселенной были бы чуть больше или чуть меньше, жизнь бы не возникла. Например, если бы сила ядерного взаимодействия была бы на несколько долей процента больше, чем она есть, то атомы водорода в зарождающейся Вселенной слились бы между собой, и получился бы гелий, а водорода бы не было. Нет водорода – значит, нет воды. И хотя мы отнюдь не так хорошо знаем, какие условия необходимы для зарождения жизни, большинство биологов считают, что без воды не обойтись. С другой стороны, если бы сила ядерного взаимодействия была существенно ниже, чем она есть, то не было бы сложных атомов, без которых невозможна биология. Или другой пример: если бы отношение между величиной гравитационного взаимодействия и электромагнитной силой было бы другим, в космосе не было бы взрывающихся звезд, которые выбрасывают в космос необходимые для жизни химические элементы, или звезд, из которых рождаются планеты. Оба этих типа звезд необходимы для возникновения жизни. Величины основных сил и некоторых других фундаментальных параметров нашей Вселенной как будто бы «тонко настроены» так, чтобы существовала жизнь. Осознав эту тонкую настройку, британский физик Брэндон Картер сформулировал так называемый антропный принцип, который гласит, что у Вселенной должны быть те параметры, которые у нее есть, потому что в ней есть мы, наблюдающие ее. Вообще говоря, корень «антропос» – по-гречески «человек» – здесь не вполне уместен: если бы фундаментальные параметры существенно отличались от имеющихся, не было бы не только человека, но и жизни как таковой.
Если эти выводы верны, то большой вопрос, разумеется, в том, почему эти фундаментальные параметры находятся в пределах, допускающих появление жизни. Неужели Вселенная заботится о жизни? Разумный замысел – один из возможных ответов. В самом деле, немало теологов, философов и даже ученых считают тонкую настройку и антропный принцип доказательством существования Бога. Например, на конференции христианских ученых 2011 года в Университете Пеппердайна Френсис Коллинз, директор и ведущий генетик Национального института здравоохранения, сказал: «Чтобы получить нашу Вселенную со всем ее потенциалом к сложным соединениям и потенциалом к любым формам жизни, все должно быть определено с точностью на грани невероятного… Нам надо увидеть руки творца, который задал параметры именно таким образом, потому что творец интересовался чем-то немного более сложным, чем случайными частицами».
Однако разумный замысел как ответ на проблему точной настройки не устраивает большинство ученых. Другим ответом оказалась мультивселенная. Если существует бесконечное количество вселенных с разными свойствами – например, с более сильным или более слабым, чем у нас, ядерным взаимодействием, – то в некоторых из этих вселенных возможно появление жизни, в других же нет. Некоторые вселенные будут безжизненными скоплениями материи и энергии, зато в других могут возникнуть клетки, растения, животные, разумная жизнь. Из огромного числа возможных вселенных, предсказанных этими теориями, доля вселенных с жизнью будет, несомненно, мала. Но это не важно. Мы живем во Вселенной, в которой жизнь возможна, иначе мы бы не смогли спрашивать об этом.
Это объяснение похоже на то, почему мы живем на планете, где так много вещей, облегчающих наше существование: кислород, вода, разница температур между точкой кипения и замерзания и т.д. Является ли это удачное совпадение просто везением или Провидением? Нет, все дело лишь в том, что на планете, не обладающей этими свойствами, мы бы не жили. Есть много планет с непригодными условиями для жизни – например, Уран с температурой -223 градуса или Венера, где льют дожди из серной кислоты.
Мультивселенная позволяет объяснить парадокс тонкой настройки, не прибегая к идее Творца. Вот что говорит Стивен Вайнберг: «На протяжении многих веков наука подрывала власть религии, но не тем, что опровергала бытие Бога, а тем, что показывала несостоятельность доказательства его бытия на основании наблюдений природного мира. Идея мультивселенной позволяет объяснить, почему мы оказались во Вселенной, в которой есть условия для жизни, и дело тут не в благосклонности создателя. Если эта идея верна, аргументов в пользу религии становится еще меньше».
Некоторые физики критически отнеслись к антропному принципу и гипотезе о множественных вселенных как способу объяснить значения фундаментальных физических величин. Другие – как Вайнберг и Гут – скрепя сердца согласились с антропным принципом и множественностью вселенных, поскольку они лучше всего объясняют наблюдаемые факты.
Если идея мультивселенной верна, то историческая миссия физики объяснять свойства нашей Вселенной через фундаментальные принципы – точнее, объяснять, почему свойства нашей Вселенной с необходимостью такие, какие они есть, – станет бесполезным делом, ложной философской мечтой. Наша Вселенная такова, потому что мы в ней. Это можно сравнить с косяком разумных рыб, которые вдруг задаются вопросом, почему весь их мир состоит из воды. Отдельные рыбы, теоретики, решают доказать, что весь космос с необходимостью заполнен водой. Многие годы они бьются над этой задачей, но окончательного доказательства так и не находят. И вот несколько испещренных морщинами рыбин заявляют, что они, возможно, стали жертвой самообмана. Возможно, говорят они, существуют другие миры, одни из которых совершенно сухие, а другие смешанные.

Самым поразительным примером тонкой настройки, объяснить который невозможно, не прибегая к теории мультивселенной, является неожиданное обнаружение темной энергии. Чуть больше десяти лет назад астрономы с помощью роботизированных телескопов, установленных в Аризоне, Чили, на Гавайях и в космосе и способных прочесывать почти миллион галактик за ночь, обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Как я уже говорил, то, что Вселенная расширяется, было известно уже в конце 20-х годов XX века; это одна из центральных характеристик теории Большого взрыва. В соответствии с положениями традиционной космологии расширение должно замедляться. Тяготение все-таки должно притягивать, массы под его воздействием должны сближаться. Поэтому когда две группы ученых объявили в 1998 году, что какая-то неизвестная сила как будто вдавливает в пол педаль газа, стремясь разогнать нашу Вселенную, это стало огромной неожиданностью. Расширение Вселенной ускоряется. Галактики улетают друг от друга, как если бы на них воздействовала сила антигравитации. Роберт Киршнер, входивший в группу, сделавшую это открытие, так прямо и говорит: «Это уже не та Вселенная, которую знали наши отцы». (В октябре члены обеих групп получили Нобелевскую премию по физике.)
Энергию, связанную с этой космологической силой, физики называли темной. Никто не знает, что она собой представляет. Она не просто невидима – судя по всему, она специально скрывается в пустом пространстве. Тем не менее, судя по наблюдениям над увеличением скорости расширения, темная энергия составляет колоссальную часть общего количества энергии во Вселенной – три четверти. Это тот самый невидимый слон, которого наука почему-то не приметила.
Количество темной энергии или, точнее, количество темной энергии в каждом кубическом сантиметре пространства составляет, по подсчетам ученых, примерно одну стомиллионную (10-8) эргов на кубический сантиметр. (Для сравнения: если уронить монетку в один пенни с высоты талии взрослого человека, она ударится о пол с энергией около трехсот тысяч – то есть 3 x 105 – эргов.) Может показаться, что это не так уж и много, но в масштабах Вселенной набирается изрядное количество. Астрономы получили эти цифры, измерив скорость расширения Вселенной в разные эпохи: если расширение ускоряется, то в прошлом скорость расширения должна была быть меньше. Исходя из величины ускорения, ученые смогли вычислить количество темной энергии во Вселенной.
В теоретической физике выдвигается несколько гипотез касательно того, что могла бы представлять собой темная энергия. Она может оказаться энергией призрачных элементарных частиц, способных ненадолго возникать из ничего, чтобы тут же самоуничтожиться, обратившись вакуумом. Для квантовой физики пустое пространство – кромешный ад, по которому носятся элементарные частицы, исчезающие раньше, чем мы успеваем их увидеть. Кроме того, темная энергия может оказаться связанной с еще не обнаруженным экспериментально силовым полем – полем Хиггса: о нем периодически вспоминают, когда нужно объяснить, почему определенные виды материи обладают массой. (Физики-теоретики имеют привычку задумываться над тем, над чем другие люди не задумываются.) В моделях же, выдвигаемых теорией струн, темная энергия выступает как способ компрессии всех прочих, кроме известных нам трех (длины, ширины, высоты), измерений пространства до субатомных размеров, благодаря которым мы их и не замечаем.
Все эти гипотезы предлагают необычайно широкие теоретически возможные оценки количества темной энергии во Вселенной: от порядка 10 115 эргов на кубический сантиметр до -10 115 эргов на кубический сантиметр. (Отрицательное значение для темной энергии будет означать, что она замедляет расширение Вселенной, что противоречит наблюдаемым данным.) Таким образом, в абсолютных величинах количество присутствующей во Вселенной темной энергии либо крайне невелико, либо, наоборот, огромно по сравнению с тем, каким оно могло бы быть. Что само по себе неожиданно. Если теоретически возможные положительные величины темной энергии от нуля до 10 115 эргов на кубический сантиметр расположить на шкале, один конец которой упирался бы в Землю, а другой – в Солнце, то количество темной энергии, действительно обнаруженной в нашей Вселенной (10-8 эргов на кубический сантиметр), от нуля отделяло бы расстояние меньше размера атома.
В одном все физики сходятся: если бы темной энергии в нашей Вселенной было чуть больше или чуть меньше, чем на самом деле, жизнь в ней никогда бы не возникла. Чуть больше – и Вселенная стала бы расширяться настолько быстро, что материя молодого космоса никогда не сконцентрировалась бы в достаточной степени, чтобы сформировать звезды, а следовательно, и сложные атомы, формирующиеся уже в них. Чуть меньше (тут мы обращаемся уже к отрицательным величинам темной энергии) – и Вселенная бы начала сжиматься с такой скоростью, что взорвалась бы повторно, так и не успев сформировать даже простейшие атомы.
Здесь мы имеем дело с чистейшим случаем тонкой настройки: действительное количество темной энергии во Вселенной попадает именно в тот крошечный сегмент в диапазоне ее возможных количеств, где возникновению жизни ничего не мешает. Этот тезис мало кто оспаривает. Он никак не связан с дискуссиями о том, что именно требуется для возникновения жизни, – вода в жидком виде, кислород или какие-то определенные биохимические процессы. Здесь, как и в предыдущем случае, напрашивается вопрос: что стоит за этой тонкой настройкой? Ответ, к которому в настоящее время склоняются многие физики, гласит: мультивселенная. Существует сколько угодно вселенных с разным количеством темной энергии. В нашей конкретной Вселенной ее мало, что и обусловило возникновение жизни. Раз мы здесь, значит, наша Вселенная должна быть именно такой. Мы – чистая случайность. Из невообразимого количества вселенных, крутившихся в космическом лотерейном барабане, мы вытянули ту, в которой возможна жизнь. Но опять-таки: если бы мы не вытянули этот билет, некому было бы раздумывать над тем, каковы на это были шансы.

Понятие мультивселенной привлекает не только тем, что оно способно объяснить проблему тонкой настройки. Как я уже говорил, возможность мультивселенной была на самом деле предсказана современными физическими теориями. Одна из них, теория вечной инфляции, была предложена в середине 80-х годов прошлого века Андреем Линде, Полом Стейнхартом и Дмитрием Виленкиным – она является переработкой теории инфляции Гута. В обычной теории инфляции невероятно быстрое расширение молодой Вселенной объясняется тем, что энергетическое поле вроде темной энергии на время оказалось в состоянии, не представляющем самую низкую энергию Вселенной, – это как стеклянный шарик, застрявший в щербинке на столе: он неподвижен, но если выкатить его из щербинки, он прокатится по столу и упадет на пол (который представляет самый низкий энергетический уровень). Согласно теории вечной инфляции, у поля темной энергии много различных значений в различных точках пространства: как будто множество стеклянных шариков застряло в щербинках на космическом столе. Более того, поскольку пространство быстро расширяется, количество шариков растет. Каждый из этих шариков выталкивает с места случайный процесс, свойственный квантовой механике, и некоторые из них катятся по столу и падают на пол. Каждый шарик становится новым Большим взрывом, то есть по сути новой вселенной. Таким образом изначальная быстро расширяющаяся вселенная порождает множество новых вселенных, и процесс этот бесконечен.
Струнная теория также предсказывает возможность мультивселенной. Изначально она была задумана как теория сильных ядерных взаимодействий, однако оказалась гораздо шире. Теория струн постулирует, что материя сводится не к элементарным частицам вроде электрона, а к микроскопическим одномерным «струнам» энергии. Эти струны, как и скрипичные, могут вибрировать с разной частотой, и разные виды вибрации соответствуют разным фундаментальным частицам и силам. Обычно теории струн оперируют семью измерениями в пространстве, не считая трех, которые нам знакомы, но они замкнуты на себя на таких малых расстояниях, что не могут быть обнаружены в опыте, – подобно тому, как с большого расстояния трехмерный садовый шланг видится лишь одномерной линией. Дополнительных измерений в теории струн может быть множество, и каждое по-своему соответствует специфической вселенной со специфическими физическими свойствами.
Изначально физики надеялись, что теория таких струн с добавлением некоторых элементов позволит объяснить все силы и частицы в природе: реальность будет лишь проявлением вибраций изначальных струн. В этом случае теория струн стала бы окончательной реализацией платоновского идеала полностью понятного космоса. Однако в последние годы физики осознали, что теория струн описывает не уникальную Вселенную, а огромное число возможных вселенных с различными свойствами. По некоторым оценкам, «струнный пейзаж» содержит 10 500 возможных вселенных. Для практических задач можно говорить, что их число бесконечно.
Важно отметить, что ни теория вечной инфляции, ни теория струн и близко не подтверждены экспериментально, в отличие от более ранних специальной теории относительности и уже упомянутой квантовой электродинамики. Вечная инфляция или теория струн, или обе вместе, вполне могут оказаться неправильными. Однако ряд ведущих мировых физиков посвятили всю свою научную деятельность именно этим двум теориям.

Новернемся к разумным рыбам. Испещренные морщинами рыбы допускают существование множества миров, некоторые из которых состоят из суши, а некоторые из воды. Кто-то из остальных рыб нехотя принимает это объяснение. Кто-то чувствует облегчение. Кто-то понимает, что все, о чем они размышляли прежде, оказалось бессмыслицей. А некоторые глубоко встревожены. Потому что нет никаких способов проверить эту гипотезу. Точно такая же неопределенность беспокоит многих физиков, пытающихся работать с идеей мультивселенной. Мы не только должны принять, что основные свойства нашей Вселенной случайны и ни из чего не следуют, более того: мы должны поверить в существование множества других вселенных, не зная, как их можно увидеть или хотя бы доказать их существование. Получается, для того чтобы объяснить, что мы видим в реальности и в наших дедуктивных построениях, мы должны верить в то, что невозможно доказать.
Кажется, это на что-то похоже. Теологи привыкли принимать постулаты на веру. Ученые – нет. Мы можем лишь надеяться, что теории, позволяющие описать мультивселенную, дадут нам и другие описания, которые можно проверить в нашей Вселенной. Однако другие вселенные совершенно точно останутся лишь догадкой.
«Мы были уверены в своих знаниях, пока не открыли темную энергию и идею мультивселенной, – говорит Гут. – Еще многое предстоит понять, но нам всегда будет не хватать той радости, которую испытываешь, когда все можно вывести из первых принципов».
Глядя на сегодняшнее состояние науки, задаешься вопросом: а правильно ли молодой Алан Гут выбрал профессию физика-теоретика?

Harper’s Magazine, декабрь 2011 г.