Теории всего на свете - Ричард Форман

Если пример Вселенной с высокой плотностью выглядит несколько экстремальным, давайте рассмотрим другие варианты. Существует три основных типа Вселенных: закрытая, открытая и плоская. Типичная закрытая Вселенная, возникшая в результате Большого взрыва, в течение 10−43 секунды сожмется в состояние плотности Планка, если только в самом начале она не обладает огромными размерами. Типичная открытая Вселенная, возникшая в результате Большого взрыва, будет увеличиваться с такой скоростью, что образование галактик станет невозможным, а наши тела (если нам не повезет, и мы родимся) будут незамедлительно разорваны на куски. Никто не сумеет жить во Вселенной, а тем более познавать ее в обоих этих случаях. Мы можем радоваться жизни в плоской (или почти плоской) Вселенной (что мы сейчас и делаем), но чтобы не случилось что-нибудь особенное (инфляция, см. ниже), необходима тонкая настройка исходных данных с невероятной точностью 10−60 в момент Большого взрыва.

Недавние разработки теории струн – наиболее популярной кандидатуры на «всеобщую теорию» – обнаружили еще большее разнообразие возможных, но непознаваемых Вселенных. Если мы допускаем, что теория струн способна описать нашу Вселенную, то означает ли это, что мы знаем все об окружающем мире? Рассмотрим более простой пример: вода может быть жидкой, замерзшей или парообразной. Химически это одно и то же вещество. Но дельфины могут существовать и по-своему познавать Вселенную, только если они окружены жидкой водой. В этом примере у нас лишь три варианта выбора: жидкость, лед и пар.

В соответствии с последними выводами теории струн у нас может быть 10500 (или более) вариантов состояния окружающего мира. Все эти возможности следуют из той самой основополагающей теории. Однако каждый из вариантов Вселенной будет выглядеть так, как будто он управляется разными законами физики, а их общие свойства станут незаметны. Поскольку существует такое великое множество вариантов, некоторые из них, надо надеяться, описывают Вселенную, в которой мы живем. Но большинство представляют собой вселенные, в которых мы не смогли бы существовать, создавать измерительные приборы, записывать события или использовать законы математики и физики, чтобы строить предположения относительно будущего.

Когда Эйнштейн и Вигнер пытались понять, почему наша Вселенная познаваема, а математика эффективна, предполагалось, что Вселенная уникальна и единообразна, а законы физики соблюдаются повсеместно. Это допущение называлось космологическим принципом. Мы не знаем, почему Вселенная везде одинакова, мы просто воспринимаем это как данность. Следовательно, проблема, поставленная Эйнштейном и Вигнером, относится ко всей Вселенной. В таком контексте недавние разработки лишь заостряют постановку проблемы: если типичная Вселенная враждебна по отношению к жизни, как мы это теперь знаем, значит, нам невероятно повезло, что мы, по счастливому случаю, оказались во Вселенной, в которой возможна жизнь и которая познаваема. Это действительно чудо, «чудесный дар, который мы не понимаем и которого не заслуживаем». Способны ли мы на что-то большее, чем полагаться на чудо?

За последние 30 лет наши представления о происхождении и устройстве мира коренным образом изменились. Прежде всего, мы обнаружили, что инфляция – экспоненциально быстрое расширение новообразованной Вселенной – сделало ее плоской и тем самым потенциально приспособленной для жизни. Более того, стремительное растяжение Вселенной придало той ее части, где мы живем, чрезвычайную однородность. Таким образом, мы нашли объяснение наблюдаемому однообразию Вселенной. Однако мы также обнаружили, что в гораздо более крупном масштабе (далеко за пределами наблюдаемого нами горизонта примерно в 1010 световых лет) Вселенная становится на 100 % неоднородной из‑за квантовых эффектов, усиленных взрывным расширением пространства.

Согласно теории струн в сочетании с инфляционной космологией, это означает, что наш мир выглядит не как расширяющаяся симметричная сфера, а, скорее, как множественная Вселенная – невероятно обширная совокупность экспоненциально расширяющихся огромных «пузырей». Каждый из этих «пузырей» выглядит как Вселенная, и мы используем понятие «Вселенная» для описания протяженных, локально однообразных участков мироздания. Один из 10500 законов физики, вытекающих из теории струн, справедлив для каждой из этих вселенных.

В некоторых из них квантовые флуктуации столь велики, что никакие вычисления невозможны. Математика там бесполезна, потому что предположения не могут быть сохранены и применены. У одних вселенных очень короткое время существования, у других – долгое, но они необитаемы, так как их физические законы не позволяют никаким организмам существовать достаточно длительное время, чтобы выучить математику и физику.

К счастью, среди множества вселенных есть и такие, в которых возможна жизнь, как мы ее себе представляем. Но наша жизнь допустима, только если законы физики, действующие в нашей части множественной Вселенной, позволяют формирование стабильных, долгоживущих структур, поддающихся вычислениям. Это предполагает наличие математических взаимосвязей, которые могут быть использованы для долгосрочных прогнозов. Быстрое развитие человека оказалось возможным только потому, что мы живем в той части множественной Вселенной, где строить отдаленные планы настолько полезно и эффективно, что это позволило нам выживать во враждебном окружении и побеждать в соревновании с другими видами.

Подводя итог (и обобщая), следует сказать, что инфляционная Вселенная состоит из несметного числа «вселенных», в каждой из которых действуют собственные законы математики и физики. Мы можем жить только в тех из них, где законы физики позволяют наше существование, для чего необходимы надежные предположения. Другими словами, математики и физики могут жить только в постижимой Вселенной, в которой математические законы эффективны.

Вы вольны выбросить из головы все, только что мной написанное, как безответственную спекуляцию. Тем не менее любопытно, что в соответствии с новыми космологическими принципами, разработанными за последние 30 лет, мы впервые можем найти ответ на один из самых запутанных и сложных вопросов, которые беспокоили двух величайших ученых XX столетия.

Космос Альфвена

Джордж Дайсон

Историк науки; автор книги Turing’s Cathedral. The Origin of the Digital Universe («Собор Тьюринга. Происхождение цифровой Вселенной»)

Иерархическая Вселенная может иметь среднюю плотность, равную нулю, и при этом обладать бесконечной массой.

Ханнес Альфвен (1908–1995) – первооткрыватель магнитогидродинамики, предложивший нам, вопреки бытовавшему скептицизму, Вселенную, пронизанную тем, что теперь называется волнами Альфвена, – никогда не отказывался от собственного скептицизма по отношению к Большому взрыву. «Они сражаются против общепринято го креационизма и в то же время фанатично борются за свой собственный креационизм»[23], – утверждал он в 1984 году, предлагая взамен иерархическую космологию, математическое обоснование которой, по его мнению, принадлежало Эдмунду Эдварду Фурнье Д’Альбе (1868–1933) и Карлу Вильгельму Людвигу Шарлье (1861–1934). Иерархическая не означает изотропная, и наблюдаемая анизотропия этого не опровергает.

Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716), адвокат и ученый, верил, что наша Вселенная была выбрана из бесконечного множества возможных Вселенных, чтобы создать максимальное разнообразие при минимальном наборе законов природы. Трудно представить более прекрасные ограничивающие условия, чем нулевая плотность и бесконечная масса. Но тот же самый принцип бесконечного разнообразия предостерегает нас, что может потребоваться все время Вселенной, чтобы выяснить в деталях ее устройство.

Наша вселенная растет, как ребенок

Макс Тегмарк

Космолог, профессор физики Массачусетского технологического института, научный директор Института фундаментальных проблем

Что послужило причиной Большого взрыва? Лучшее объяснение, которое я знаю, состоит в том, что наша Вселенная растет, как ребенок, – в буквальном смысле. Сразу после зачатия каждая из ваших клеток удваивается примерно раз в день, увеличивая общее число клеток вашего тела в виде последовательности 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. Повторяющееся удвоение – могущественный процесс, поэтому ваша мама попала бы в беду, если бы вы продолжали удваивать свой вес каждый день, начиная с рождения: через 9 месяцев (около 274 удвоений) вы бы обладали большим весом, чем вся материя в обозримой Вселенной вместе взятая.