Рассуждения Рѕ космологии Рё окончательная теория
Космология оказывает РЅР° нас глубочайшее, почти гипнотическое, воздействие. Понимание того, как РІСЃРµ происходило РІ начале, является, РїРѕ крайней мере для некоторых РёР· нас, наиболее близким прикосновением Рє тайне того, почему РІСЃРµ это началось. Здесь РЅРµ утверждается, что современная наука устанавливает СЃРІСЏР·СЊ между РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј «Как?В», Рё РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј «Почему?В» — РѕРЅР° этого РЅРµ делает, Рё вполне может оказаться, что подобная научная СЃРІСЏР·СЊ РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ будет установлена. РќРѕ космология держит СЃРІРѕРµ слово Рё постепенно ведет нас Рє наиболее полному пониманию арены действия «почему» — Рє пониманию рождения Вселенной. Рэто, РїРѕ крайней мере, позволяет нам развивать научный РїРѕРґС…РѕРґ, РІ рамках которого такие РІРѕРїСЂРѕСЃС‹ РјРѕРіСѓС‚ ставиться. РРЅРѕРіРґР° глубокая осведомленность РІ РІРѕРїСЂРѕСЃРµ — лучшая замена отсутствующего ответа.
В процессе поисков окончательной теории эти высокопарные фразы уступают место более конкретным соображениям. Наше сегодняшнее видение Вселенной, безусловно, зависит от фундаментальных законов физики, но может зависеть и от факторов космической эволюции (т. е. от того, что находится слева на рис. 14.1), и, вообще говоря, может лежать за рамками обсуждения даже самой фундаментальной теории, описывающей то, что находится на этом рисунке на самом правом крае.
Р’ этом несложно убедиться. Рассмотрим, например, что РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РїСЂРё бросании мяча. Его движение будет определяться законами гравитации, РЅРѕ, пользуясь лишь этими законами, нельзя предсказать, РіРґРµ упадет РјСЏС‡. Нам также РЅСѓР¶РЅРѕ знать величину Рё направление его скорости РІ момент Р±СЂРѕСЃРєР°. Рначе РіРѕРІРѕСЂСЏ, РјС‹ должны знать начальные условия. Р’Рѕ Вселенной также РІРѕР·РјРѕР¶РЅС‹ аналогичные исторические взаимосвязи: то, почему звезда образовалась РІ РѕРґРЅРѕРј месте, Р° планета РІ РґСЂСѓРіРѕРј, определяется сложной цепью событий.
По крайней мере, в принципе, эту цепь можно раскрутить назад во времени, и объяснить определенным событием при рождении Вселенной. Возможно, однако, что и более фундаментальные свойства Вселенной, например фундаментальные свойства частиц материи или частиц, передающих взаимодействие, могут прямо зависеть от эволюции, которая, в свою очередь, зависит от начальных условий во Вселенной.
В самом деле, мы уже упоминали об одном возможном воплощении этой идеи в теории струн. В процессе эволюции ранней Вселенной дополнительные измерения могли трансформироваться от одного вида к другому и в конце концов, когда температура достаточно спала, принять вид одного конкретного пространства Калаби—Яу. Но, как и в случае брошенного мяча, результат многочисленных изменений пространств Калаби—Яу может зависеть и от конкретных условий в начале этого процесса. А так как вид окончательного многообразия Калаби— Яу влияет на массы частиц и свойства взаимодействий, то космологическая эволюция и состояние в момент рождения Вселенной сильно влияют на наблюдаемые сегодня физические явления.
Мы не знаем, какими были начальные условия во Вселенной. У нас даже нет идей, понятий и языка, которые нужно использовать для их описания. По нашему мнению, безумные начальные условия с бесконечной энергией, плотностью и температурой в стандартной и инфляционной моделях есть признак того, что эти модели неверны и дают неправильное описание действительно существовавших начальных условий. Теория струн позволяет улучшить описание, доказывая, что такие экстремальные условия можно обойти. Однако ни у кого так и нет ответа на вопрос, как все начиналось на самом деле. Недостаточность наших знаний распространяется даже на более грубый уровень: мы не знаем, можно ли вообще ставить вопрос об определении начальных условий, или будет ли этот вопрос всегда лежать за рамками любой теории, и задавать его столь же бессмысленно, сколь бессмысленно пытаться с помощью теории относительности пролить свет на то, с какой силой
Глава 14. Размышления Рѕ космологииВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 237
бросили РјСЏС‡. Некоторые физики, такие как РҐРѕРєРёРЅРі Рё Джеймс Хартл РёР· Калифорнийского университета, предпринимали отчаянные попытки направить РІРѕРїСЂРѕСЃ Рѕ начальных космологических условиях РІ русло теоретической физики, РЅРѕ РІСЃРµ эти попытки заканчивались плачевно. Р’ настоящее время наш уровень понимания космологии РІ контексте теории струн/Рњ-теории слишком примитивен для того, чтобы определить, достоин ли кандидат РЅР° «теорию всего» своего высокого предназначения, Рё определяются ли РІ его рамках начальные космологические условия, которые РјРѕРіСѓС‚ быть возведены затем РІ ранг физических законов. Рто — главная тема будущих исследований.
Однако, даже безотносительно от проблемы начальных условий и их влияния на последующие зигзаги космической эволюции, в последнее время высказываются спекулятивные предположения о том, что существуют и другие потенциальные ограничения на способность объяснения мира любой окончательной теорией. Неизвестно, верны эти предположения или нет; на современном уровне развития науки это, разумеется, не важно. Однако сам факт провоцирует умозрительные доводы о том, что в любой окончательной теории могут возникнуть серьезные препятствия.
Рдея основана РЅР° следующей возможности. Представим себе, что то, что РјС‹ называем нашей Вселенной, есть лишь крошечная часть гораздо более широких космологических просторов, РѕРґРёРЅ РёР· бесчисленного множества островов грандиозного космологического архипелага вселенных. Конечно, такое предположение может показаться искусственным (Рё оказаться, РІ конце концов, неверным), РЅРѕ существует конкретный механизм, который РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє такой ситуации. Ртот механизм был предложен Андреем Линде, обнаружившим, что рассмотренный выше резкий Рё кардинальный взрыв СЃ инфляционным расширением РјРѕРі быть РЅРµ однократным. Напротив, согласно Линде, условия для возникновения инфляционного расширения могли создаваться многократно РІ рассеянных РїРѕ пространству изолированных областях, каждая РёР· которых затем проходила СЃРІРѕСЋ стадию расширения Рё формировала СЃРІРѕСЋ вселенную. Р РІ каждой РёР· этих вселенных процесс продолжается: РІ удаленных областях старых вселенных появляются ростки новых, Рё паутина расширяющихся вселенных продолжает разрастаться РґРѕ бесконечности. Терминология становится немного РіСЂРѕРјРѕР·РґРєРѕР№, РЅРѕ РІ РґСѓС…Рµ веяний РјРѕРґС‹, дадим этому существенно обобщенному понятию вселенной название мульти-вселенная*), Р° компоненты мульти-вселенной будем называть вселенными.
Важно отметить, что из утверждения главы 7 о единстве и согласованности законов физики во всей нашей Вселенной не следует то, что на эти законы будут влиять законы физики в других вселенных, коль скоро эти вселенные отделены от нашей или, по крайней мере, находятся так далеко, что свет из этих вселенных еще не дошел до нас. Поэтому можно допустить, что физика в разных вселенных разная. В некоторых вселенных различия могут быть небольшими. Например, масса электрона или константа связи сильных взаимодействий могут отличаться на тысячные доли процента. В других вселенных могут быть более существенные различия. Например, «-кварк может весить в 10 раз больше, чем «-кварк в нашей Вселенной, а электромагнитное взаимодействие может быть в 10 раз сильнее, чем у нас, со всеми вытекающими последствиями для жизни звезд и для свойств окружающего мира, рассмотренных в главе 1. Наконец, могут быть вселенные, разительно отличающиеся от нашей: набор элементарных частиц и взаимодействий может быть совершенно иным; даже число протяженных измерений может отличаться. Для некоторых вселенных это число может быть равно нулю или единице, а для других — восьми, девяти или даже десяти. Если дать волю фантазии, даже сами законы могут быть совершенно разными в разных вселенных. Число возможностей бесконечно.
Но в этом-то и дело. Если перебрать вселенные из этого огромного архипелага, окажется, что в большинстве из них нет благоприятных условий для жизни, по крайней
*) В оригинале multiverse (в противовес universe). — Прим. ред.
238ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Часть IV. Теория струн Рё структура пространства-времени
мере РІ нашем ее понимании. Для вселенных СЃ существенно иными характеристиками это СЏСЃРЅРѕ: если Р±С‹ наша Вселенная действительно выглядела, как вселенная Садового шланга, Р¶РёР·РЅСЊ РЅР° ней, РІ нашем понимании, была Р±С‹ невозможной. Однако даже очень слабые различия СЃ нашим физическим РјРёСЂРѕРј повлияли Р±С‹ РЅР° процесс образования звезд Рё, например, РЅР° РёС… способность служить космическими фабриками РїРѕ производству сложных жизненно-важных атомов (таких, как углерод или кислород), которые разлетаются РїРѕ всей Вселенной РІ результате взрывов сверхновых. Если, учитывая высокую чувствительность Р¶РёР·РЅРё Рє деталям физической конструкции, задаться теперь РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј Рѕ том, почему взаимодействия Рё частицы РІ РїСЂРёСЂРѕРґРµ именно такие, какими РјС‹ РёС… наблюдаем, то напрашивается следующий возможный ответ. РќР° просторах мульти-вселенной РѕРЅРё РјРѕРіСѓС‚ сильно отличаться, так что физические свойства РІ РґСЂСѓРіРёС… вселенных РјРѕРіСѓС‚ быть Рё являются РґСЂСѓРіРёРјРё. Уникальность наблюдаемых нами свойств как раз РІ том, что РІ этих условиях РІРѕР·РјРѕР¶РЅРѕ возникновение Р¶РёР·РЅРё. Рђ Р¶РёР·РЅСЊ, точнее Р¶РёР·РЅСЊ разумных существ, есть необходимая предпосылка самого РІРѕРїСЂРѕСЃР° Рѕ том, почему свойства нашей Вселенной именно такие. Рли, выражаясь яснее, РѕРЅРё такие, потому что если Р±С‹ РѕРЅРё были РґСЂСѓРіРёРјРё, некому было Р±С‹ задавать этот РІРѕРїСЂРѕСЃ. РџРѕРґРѕР±РЅРѕ тому, как удивление РёРіСЂРѕРєР°, выигравшего РІ смертельную СЂСѓСЃСЃРєСѓСЋ рулетку СЃ ничтожным шансом выжить, ослабевает СЃ осознанием того, что РІ случае проигрыша некому было Р±С‹ удивляться, принятие гипотезы мульти-вселенной снижает потребность получить объяснение, почему наша Вселенная выглядит так, Р° РЅРµ иначе.
Рта аргументация является РѕРґРЅРёРј РёР· вариантов идеи, давно известной РїРѕРґ названием антропного принципа. Так, как РѕРЅР° излагается, эта позиция диаметрально расходится СЃ грезами Рѕ единой Рё жесткой теории СЃ абсолютной предсказательной силой, РІ которой РІСЃРµ выглядят так потому, что РїРѕ-РґСЂСѓРіРѕРјСѓ РІРѕ Вселенной быть РЅРµ может. Вместо того, чтобы быть воплощением поэтической красоты, РіРґРµ РІСЃРµ идеально связано РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј СЃ неизменным изяществом, мульти-вселенная Рё антропный принцип РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє чудовищному переизбытку вселенных СЃ неутолимой жаждой Рє изменениям. Установить справедливость гипотезы Рѕ мульти-вселенной будет крайне сложно, если вообще РІРѕР·РјРѕР¶РЅРѕ. Даже если РґСЂСѓРіРёРµ вселенные Рё существуют, вполне РІРѕР·РјРѕР¶РЅРѕ, что РјС‹ РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ вступим СЃ РЅРёРјРё РІ контакт. Однако безграничное расширение просторов «снаружи» РІ концепции мульти-вселенной, созвучное СЃ выводом Хаббла Рѕ том, что Млечный путь есть лишь РѕРґРЅР° РёР· РјРЅРѕРіРёС… галактик, РїРѕ крайней мере, предостерегает нас, РЅРµ слишком ли РјРЅРѕРіРѕРіРѕ РјС‹ ожидаем РѕС‚ окончательной теории?
Мы должны требовать, чтобы окончательная теория давала непротиворечивое квантово-механическое описание всех взаимодействий и всей материи. Мы должны требовать, чтобы окончательная теория приводила к неоспоримой космологической модели для нашей Вселенной. Однако если картина мульти-вселенной верна (а это еще большой вопрос), то требовать от окончательной теории еще и объяснения детальных свойств природы (например, масс и зарядов частиц) может означать требовать слишком многого.
Необходимо подчеркнуть, что даже если принять гипотезу Рѕ мульти-вселенной, вывод Рѕ том, что это СЃРЅРёР·РёС‚ предсказательную силу теории далеко РЅРµ бесспорен. Причина, если объяснять ее РЅР° пальцах, состоит РІ следующем. Если дать волю фантазии Рё взять РЅР° вооружение гипотезу мульти-вселенной, следует также напрячь воображение Рё рассмотреть СЃРїРѕСЃРѕР±С‹, как РјРѕР¶РЅРѕ обуздать столь явный РїСЂРѕРёР·РІРѕР», присущий этой гипотезе. Размышляя РІ консервативном РґСѓС…Рµ, РјС‹ можем предположить (считая верной картину мульти-вселенной), что было Р±С‹ возможным расширить окончательную теорию РґРѕ ее максимальных границ, Рё тогда «расширенная окончательная теория» сможет точно ответить РЅР° РІРѕРїСЂРѕСЃС‹, как Рё почему значения фундаментальных параметров разбросаны именно так РІРѕ всех составляющих вселенных.
Родним из умеренных способов будет предположение о возможности обобщения окончательной теории на все вселенные, в котором «обобщенная окончательная те-
Глава 14. Размышления Рѕ космологииВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 239
ория» сможет точно ответить на вопросы о значениях фундаментальных параметров во всех составляющих вселенных.
Более радикальный способ следует из предположения Ли Смолина из университета штата Пенсильвания. Под впечатлением схожести условий в момент Большого взрыва и в центре черных дыр, которые характеризуются колоссальной плотностью сжатой материи, он предположил, что черная дыра есть семя новой вселенной, рождающейся в муках Большого взрыва, но навеки спрятанной от нас за горизонтом событий черной дыры. Тем самым, предложив другой механизм образования мульти-вселенной, Смолин внес и новый элемент — космический вариант генетической мутации, — устраняющий теоретические ограничения антропного принципа9). Допустим, рассуждает он, что свойства дочерней вселенной, распустившейся из почки черной дыры, близки, но не тождественны свойствам породившей ее вселенной. Так как черные дыры образуются из потухших звезд, а интенсивность образования звезд определяется точными значениями масс и зарядов, то плодовитость конкретной вселенной сильно зависит от этих параметров. Следовательно, небольшие изменения параметров в дочерних вселенных приведут к появлению отпрысков, еще более приспособленных к воспроизводству черных дыр, число дочерних вселенных в которых будет еще больше10'. За многие поколения вселенные будут настолько оптимизированы к воспроизводству черных дыр, что заполонят мульти-вселенную. Таким образом, Смолин предложил расходящийся с антропным принципом динамический механизм, в котором параметры следующих поколений вселенных будут все ближе к значениям, оптимальным для образования черных дыр.
Даже РІ контексте мульти-вселенной этот РїРѕРґС…РѕРґ РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє РЅРѕРІРѕРјСѓ СЃРїРѕСЃРѕР±Сѓ объяснения характеристик материи Рё взаимодействий. Если теория Смолина верна, Рё если наша Вселенная является типичным элементом зрелой мульти-вселенной (конечно, РѕР±Р° эти «если» РјРѕР¶РЅРѕ оспорить СЃ РјРЅРѕРіРёС… точек зрения), то наблюдаемые нами характеристики частиц Рё взаимодействий должны быть оптимизированы для воспроизводства черных дыр. Рными словами, любое отклонение РѕС‚ этих параметров должно уменьшить эффективность образования черных дыр. Физики начали исследовать это утверждение, РЅРѕ РІ настоящее время РѕРЅРё РЅРµ пришли Рє согласию РїРѕ этому РІРѕРїСЂРѕСЃСѓ. Однако даже если предположение Смолина окажется неверным, РѕРЅРѕ показывает, что окончательная теория может принять еще РѕРґРёРЅ облик. РЎ первого взгляда, этой теории может РЅРµ хватать строгой определенности. Может оказаться, что РѕРЅР° будет описывать РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ царство вселенных, большинство РёР· которых РЅРµ имеет отношения Рє нашей. Более того, РјРѕР¶РЅРѕ предположить, что это обилие вселенных действительно реализуется физически Рё образует мульти-вселенную — нечто, РЅР° первый взгляд, навсегда ограничивающее нашу предсказательную силу. Однако данное обсуждение иллюстрирует, что окончательное объяснение РІСЃРµ Р¶Рµ РІРѕР·РјРѕР¶РЅРѕ, если нам удастся РЅРµ только найти окончательные законы, РЅРѕ Рё установить РёС… влияние РЅР° космологическую эволюцию РІ непредсказуемо широких масштабах.
Рзучение космологических следствий РёР· теории струн/Рњ-теории будет, несомненно, главной темой исследований РІ XXI РІ. РќРµ обладая ускорителями, способными разгонять частицы РґРѕ энергий РїРѕСЂСЏРґРєР° планковской, РјС‹ будем вынуждены постоянно опираться РЅР° данные экспериментов «космологического ускорителя» Большого взрыва — РЅР° то, что разбросано этим взрывом РїРѕ всей Вселенной. Ресли РјС‹ будем настойчивы, Рё нам будет сопутствовать удача, РІ конце концов нам удастся ответить РЅР° РІРѕРїСЂРѕСЃС‹ Рѕ том, что происходило РїСЂРё рождении Вселенной, или Рѕ том, почему РѕРЅР° преобразовалась Рє РІРёРґСѓ, который предстает перед нами РЅР° земле Рё РЅР° небе. Конечно, РѕС‚ области, РіРґРµ зарыты разгадки фундаментальных проблем, нас отделяет пропасть неизведанного. Однако развитие квантовой теории гравитации РІ рамках теории суперструн усиливает уверенность РІ том, что современный теоретический аппарат поможет преодолеть эту пропасть Рё, после РјРЅРѕРіРёС… лет напряженной работы, найти ответы РЅР° глубочайшие РёР· РєРѕРіРґР°-либо ставившихся РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРІ.
Часть V. ЕДРРќРђРЇ ТЕОРРРЇ Р’ XXI ВЕКЕ
Глава 15. Перспективы
РџСЂРѕР№РґСѓС‚ века, Рё теория суперструн (или результат ее развития РІ рамках Рњ-теории) преобразится настолько РїРѕ сравнению СЃ современной формулировкой, что станет неузнаваемой даже для ведущих современных исследователей. Р’РѕР·РјРѕР¶РЅРѕ, РІ С…РѕРґРµ РїРѕРёСЃРєРѕРІ «теории всего» обнаружится, что теория струн — всего лишь РѕРґРёРЅ РёР· множества необходимых шагов РЅР° пути Рє гораздо более величественной концепции РєРѕСЃРјРѕСЃР°, которая оперирует понятиями, совершенно непохожими РЅР° те, СЃ которыми РјС‹ РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ сталкивались. Рстория науки учит тому, что каждый раз, РєРѕРіРґР° РІСЃРµ РІРѕРєСЂСѓРі складывается РІ единую схему, РїСЂРёСЂРѕРґР° обязательно приберегает для нас СЃСЋСЂРїСЂРёР·С‹, которые требуют существенных, Р° РёРЅРѕРіРґР° Рё радикальных изменений наших представлений РѕР± устройстве РјРёСЂР°. Как Рё РјРЅРѕРіРёРµ РґРѕ нас, РјС‹ СЃРЅРѕРІР° Рё СЃРЅРѕРІР° самонадеянно убеждаем себя, что живем РІ тот самый период истории человечества, РєРѕРіРґР° РїРѕРёСЃРє фундаментальных законов Вселенной наконец-то близок Рє завершению. РџРѕ словам Рдварда Виттена, «разгадка теории струн кажется нам столь близкой, что РІ моменты оптимистического подъема РјРЅРµ представляется, как РІ РѕРґРёРЅ прекрасный день окончательная форма теории может просто свалиться СЃ небес РєРѕРјСѓ-то РЅР° голову. Скорее всего, однако, путь Рє этой теории — гораздо более глубокой, чем любая РёР· построенных РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ, — будет долгим, Рё РєРѕРіРґР°-РЅРёР±СѓРґСЊ РІ XXI РІ., РєРѕРіРґР° СЏ Р±СѓРґСѓ СѓР¶Рµ слишком стар, чтобы придумать что-либо полезное РїРѕ этому РІРѕРїСЂРѕСЃСѓ, молодые физики должны Р±СѓРґСѓС‚ решать, нашли РјС‹ окончательную теорию или нет»1).
Хотя мы все еще ощущаем последствия второй революции в теории суперструн и продолжаем брать на вооружение порожденные ею открытия, по мнению большинства теоретиков, потребуется третий или даже четвертый переворот такой же силы, чтобы высвободить все могущество теории струн и оценить ее роль как окончательной теории. Как мы видели, теория струн уже рисует новую замечательную картину того, как работает Вселенная, однако остаются значительные препятствия и слабые места, которые, без сомнения, станут объектом основного внимания теоретиков XXI в. Таким образом, в этой последней части книги мы не сможем закончить историю поиска человечеством наиболее глубоких законов Вселенной. Поиск продолжается. Вместо этого устремим наш взгляд в будущее теории струн и обсудим пять основных вопросов, с которыми струнные теоретики обязательно будут иметь дело в процессе поиска окончательной теории.
Глава 15. ПерспективыВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 241