Теории всего на свете - Ричард Форман

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.

Как ни странно, именно так и происходило с нашей новообразованной Вселенной в соответствии с теорией инфляции, предложенной Аланом Гатом и др. Начав с частицы, значительно меньшей по размеру и весу, чем атом, она многократно удваивала свой размер, расширяясь с головокружительной скоростью, пока не стала более массивной, чем вся обозримая Вселенная. При этом она удваивалась не ежедневно, а практически непрерывно. Другими словами, инфляция создала наш Большой взрыв почти из ничего за считанные доли секунды. К тому времени, когда вы в утробе матери достигаете размера около 10 см, ваш рост из ускоренного превращается в замедленный. В простейших моделях инфляции с нашей Вселенной произошло то же самое: когда она была размером около 10 см, ее экспоненциальный рост резко замедлился до более неторопливого расширения, в то время как горячая плазма разбавлялась и остывала, а составляющие ее частицы постепенно соединялись в ядра, атомы, молекулы, звезды и галактики.

Инфляция похожа на величественное волшебное зрелище. Мой внутренний голос подсказывает: «Это не должно подчиняться законам физики». Например, каким образом один грамм расширяющейся материи способен превратиться в два грамма? Очевидно, что масса не может возникнуть из ничего. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что может. Любопытно, что Эйнштейн учел такую возможность в своей специальной теории относительности, которая предполагает, что энергия e и масса m связаны между собой посредством знаменитой формулы e = mc², где c – скорость света. Это означает, что можно увеличить массу какого-либо объекта, добавив к ней энергию. Например, вы можете сделать кусок резины тяжелее, растянув его: вы вкладываете энергию в растяжение, и эта энергия переходит в кусок резины, придавая ему дополнительную массу. Кусок резины обладает отрицательным сжатием, поскольку вам нужно приложить усилие, чтобы растянуть его. Подобным образом расширяющаяся материя должна обладать отрицательным сжатием, чтобы подчиняться законам физики, и это сжатие должно быть таким огромным, чтобы энергии, необходимой для расширения ее в два раза, оказалось достаточно для удвоения ее массы. Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что отрицательное сжатие служит причиной негативной гравитации. Это, в свою очередь, вызывает повторяющиеся удвоения, в конечном итоге создавая все, что мы можем наблюдать, практически из ничего.

По-моему, признаком глубокого и красивого объяснения служит то, что оно объясняет больше, чем вы спрашиваете. И теория инфляции доказала, что способна дать множество ответов – один за другим. Она объяснила, почему пространство такое плоское, что было подтверждено с точностью до 1 %. Она объяснила также, почему удаленная Вселенная выглядит в среднем одинаково во всех направлениях с отклонениями всего лишь на 0,002 % от одного места к другому. Она объяснила и происхождение этих 0,002 % как квантовых флуктуаций, вызванных инфляцией от микроскопического уровня к макроскопическому и превратившихся затем благодаря гравитации в современные галактики и другие структуры космического масштаба. Она объяснила даже космическое ускорение – инфляцию, возобновляющуюся в замедленном режиме и удваивающую размер нашей Вселенной не каждую долю секунды, а каждые 8 миллиардов лет, – открытие, удостоенное Нобелевской премии по физике 2011 года. В результате, теперь спорят не о том, была инфляция или нет, а о том, была она однажды или дважды.

Становится очевидно, что инфляция – объяснение, которому нет конца.

Так же как клеточное деление, производя одного ребенка, на этом не останавливается, а образует многочисленную и разнообразную человеческую популяцию, так и инфляция не ограничивается одной Вселенной, а создает множество различных параллельных вселенных, вероятно, реализуя все возможные варианты того, что мы привыкли считать физическими константами. Это объясняет еще одну загадку: то, что множество констант в нашей Вселенной так точно настроены, что малейшее их изменение сделало бы жизнь, как мы ее знаем, невозможной – скажем, не было бы ни галактик, ни атомов. Даже если большинство созданных инфляцией параллельных Вселенных – мертворожденные, некоторые из них должны соответствовать условиям для жизни, и нет ничего удивительного, что мы находимся в одной из них.

Инфляция поражает нас своей продуктивностью – и она действительно такова. Бесконечность вселенных вызвала так называемую проблему измерений, которую я рассматриваю как крупнейший кризис современной физики. Физика, опираясь на прошлое, призвана строить предположения относительно будущего, но инфляция, очевидно, этому противоречит. Теоретическая физика переполнена моделями и закономерностями, но, когда мы пытаемся применить их, чтобы подсчитать вероятность какого-нибудь конкретного события, инфляция дает нам один и тот же бесполезный ответ: бесконечность, поделенная на бесконечность.

Проблема состоит в том, что какой бы эксперимент вы ни поставили, инфляция предсказывает, что существуют бесконечные ваши копии, получающие все физически возможные результаты в бесконечном количестве параллельных вселенных, и, несмотря на годы обсуждений, космологическое сообщество не пришло ни к какому соглашению по поводу того, как получить вразумительные ответы от этих бесконечностей. Поэтому, строго говоря, мы, физики, больше не способны предсказать что бы то ни было вообще. Наша Вселенная превратилась из ребенка в непредсказуемого подростка.

Все это настолько плохо, что, по-моему, необходима радикально новая идея. Мы должны каким-то образом отделаться от бесконечности. Может быть, пространство, как кусок резины, не способно бесконечно расширяться и не разорваться? Или эти бесконечные параллельные вселенные уничтожены каким-нибудь еще не открытым процессом, или по каким-то причинам они – всего лишь миражи? Самые глубочайшие объяснения не только дают ответы, но также задают вопросы. Я думаю, инфляция еще нуждается в некоторых объяснениях.

Кеплер и др. и несуществующая проблема

Джино Сегре

Физик (Пенсильванский университет); автор книги Ordinary Geniuses: Max Dellbruck, George Gamov and the Origin of Genomics and Big Bang Cosmology («Обычные гении: Макс Дельбрюк, Джордж Гамов и происхождение геномики и космологии Большого взрыва»)

В 1595 году Иоганн Кеплер предложил глубокое, элегантное и красивое решение проблемы определения расстояния от Солнца до шести известных к тому времени планет. Поместив внутри сферы (как в русской матрешке) каждое из пяти тел Платона в определенном порядке – октаэдр, икосаэдр, додекаэдр, тетраэдр, куб, – он предположил, что последовательность их сферических радиусов будет иметь те же относительные пропорции, что и расстояния до планет. Конечно, глубокое, элегантное и красивое решение оказалось к тому же неверным, но, как звучит знаменитое высказывание персонажа Джо Брауна в финале фильма «В джазе только девушки», «у всех есть недостатки».

За пару тысяч лет до этого, в рассуждении, которое позднее получило название «Гармония сфер», Пифагор уже придумал решение этой задачи, связав данные расстояния с местами на струне, извлечение звука из которых было бы приятно слуху. Почти через 200 лет после Кеплера Иоганн Боде и Иоганн Титиус предложили, не вдаваясь в объяснения, простую числовую формулу, которая, по общему мнению, соответствовала этим расстояниям. Таким образом, предположение Кеплера не было ни первой, ни последней попыткой определить пропорции планетарных орбит, но в своем стремлении связать динамику с геометрией оно остается для меня самым глубоким, при этом простым и элегантным объяснением.

В строгом смысле ни одно из этих трех предположений нельзя назвать неверным. Они служат решениями несуществующей проблемы, так как теперь мы понимаем, что положение планет совершенно случайно и представляет собой побочный продукт развития пылевого диска, вращавшегося вокруг нашего новообразованного Солнца под действием гравитации, в современную планетарную систему. Понимание, что проблемы не существует, пришло с расширением наших представлений – от уникальности нашей планетарной системы до бесконечного количества подобных систем, разбросанных по бесчисленным галактикам, составляющим нашу Вселенную.