Текст книги "Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса"
Автор книги: Брайан Грин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 38 страниц)
Брайан Грин
Скрытая реальность
Параллельные миры и глубинные законы космоса
Алеку и Софии.
Предисловие
Если на пороге двадцатого столетия ещё и оставались сомнения, то в двадцать первом вывод был предрешён – в вопросах познания истинной природы реальности наш повседневный опыт вводит нас в заблуждение. Если вдуматься, это не так уж странно. Когда наши дальние предки охотились в саванне и собирали лесные дары, умение рассчитывать квантовое поведение электрона или определять космологическую роль чёрных дыр вряд ли могло быть подспорьем в выживании вида. Однако увеличившийся размер мозга действительно стал преимуществом, и за ростом наших интеллектуальных способностей открылись и новые возможности для более глубокого исследования окружающего мира. Одни представители вида создали инструменты, расширяющие сферу восприятия наших органов чувств, другие овладели методом систематического выявления и описания закономерностей – математикой. Вооружённые этим арсеналом, мы стали заглядывать за границы повседневного опыта.
То, что мы при этом обнаружили, потребовало масштабных перемен в нашей картине космоса. Путём интуитивных озарений в понимании физических явлений и строгих математических рассуждений, вдохновляемые экспериментами и подтверждающими наблюдениями, мы выяснили, что поведение пространства, времени, материи и энергии может разительно отличаться от всего, с чем мы непосредственно сталкивались. Теперь же, вдумчиво анализируя эти открытия и связанные с ними находки, мы приближаемся к тому, что может вызвать новый переворот в нашем понимании реальности, – мы допускаем возможность, что наша Вселенная – не единственная. В книге «Скрытая реальность» исследуется это предположение.
Работая над этой книгой, я исходил из того, что её читатели могут не иметь специальной подготовки в области физики или математики. Как и в предыдущих своих книгах, вместо формул я прибегаю к помощи метафор и аналогий, перемежающихся историческими отступлениями, чтобы в общедоступной форме рассказать о некоторых весьма странных и удивительных (если их правильность подтвердится) положениях современной физики. Многие из представленных здесь идей потребуют от читателя готовности отбросить привычный образ мышления и посмотреть на реальность с весьма необычной стороны. Но путь нам будут освещать научные достижения, так что путешествие будет ясным и захватывающим. Я придирчиво отобрал самые впечатляющие идеи на пути, ведущем от повседневного к неизведанному.
В этой книге, в отличие от предыдущих, нет вводных глав, где систематически излагались бы предварительные сведения по специальной и общей теории относительности и квантовой механике. Вместо этого я ввожу элементы этих теорий по мере необходимости; если я вижу, что в том или ином месте книга потеряет самодостаточность без подробного технического изложения, я предупреждаю об этом более подготовленных читателей и отмечаю те разделы, которые они могут пропустить без опасений. А вот последние страницы различных глав, наоборот, ведут к углублённому рассмотрению материала, который может оказаться сложным для некоторых читателей. Когда мы переходим к таким разделам, я предлагаю менее искушённым читателям краткое резюме и возможность перескочить вперёд, не потеряв при этом из виду целостную картину. Вместе с тем я хотел бы призвать всех читателей попытаться вникнуть в материал этих разделов настолько глубоко, насколько позволит любопытство и терпение. Несмотря на всё сказанное выше, этот материал предназначен для широкой аудитории, и единственным предварительным требованием для его освоения по-прежнему является лишь наличие у читателя упорства.
Примечания с этой точки зрения составлены иначе. Читатель-новичок может полностью пропустить их; читатель, обладающий более серьёзной подготовкой, найдёт в примечаниях дальнейшее развитие высказанных идей или те пояснения, которые я счёл важными, но слишком громоздкими для включения в основной текст книги. Многие из примечаний предполагают наличие у читателя специального образования в области математики или физики.
В процессе написания этой книги многие мои друзья, коллеги, члены моей семьи прочли отдельные главы или всю книгу целиком и поделились со мной своим мнением и критическими замечаниями, из которых я извлёк немало пользы. Мне хотелось бы особо отметить Дэвида Альберта, Кена Винберга, Риту Грин, Саймона Джудса, Трейси Дэй, Ричарда Истера, Дэниела Кабата, Дэвида Кагана, Пола Кайзера, Рафаэля Каспера, Хуана Малдасену, Катинку Мэтсон, Малика Париха, Маркуса Пёсселя и Майкла Поповица.
Работа с Марти Эшером, моим редактором в издательстве «Knopf», неизменно доставляет мне удовольствие. Благодарю Эндрю Карлсона, профессионально опекавшего мою книгу на заключительных этапах подготовки к печати. Прекрасные иллюстрации, созданные Джейсоном Северсом, сделали книгу гораздо более доступной, и я благодарен ему как за талант, так и за терпение. С удовольствием благодарю также моих литературных агентов – Катанку Мэтсон и Джона Брокмана.
В ходе многочисленных бесед с коллегами я оттачивал свой подход к материалу, изложенному в этой книге. Кроме тех, кого я уже упомянул, хочу особо поблагодарить Роберта Бранденбергера, Рафаэля Буссо, Эрика Вайнберга, Кумруна Вафу, Фредерика Денефа, Жака Дистлера, Майкла Дугласа, Лоуренса Краусса, Жанну Левин, Барри Лоевера, Андрея Линде, Сета Ллойда, Сола Перлмуттера, Леонарда Сасскинда, Пола Стейнхарда, Эндрю Строминджера, Генри Тая, Макса Тегмарка, Дэвида Уолласа, Лама Ху, Стива Шенкера, Юргена Шмидхубера и Шин-Туна Яу.
Свою первую научно-популярную книгу – «Элегантная Вселенная» – я начал писать летом 1996 года. На протяжении последующих пятнадцати лет у меня была возможность наслаждаться новыми неожиданными и плодотворными связями между областью моих технических исследований и вопросами, которые я поднимал в своих книгах. Я благодарен моим студентам и коллегам из Колумбийского университета за ту живую и творческую исследовательскую обстановку, которую они создали, Министерству энергетики – за финансирование моих научных изысканий, а также недавно нас покинувшему Пентти Коури – за щедрую поддержку исследовательского центра при Колумбийском университете – Института теории струн, космологии и астрофизики.
Наконец, спасибо Трейси, Алеку и Софии: благодаря им эта Вселенная стала лучшей из всех возможных!
Глава 1. Границы реальности
О параллельных мирах
Если бы, когда я был ребёнком, в моей комнате было лишь одно зеркало, мои детские мечты были бы, вероятно, совсем другими. Но зеркал было два. И каждое утро, когда я открывал шкаф, чтобы достать одежду, зеркало в дверце шкафа оказывалось напротив зеркала на стене, порождая бесконечную череду отражений всего, что попадало в пространство между зеркалами. Это было чарующее зрелище. Я восхищённо наблюдал за картинами, заполнявшими параллельные зеркальные плоскости и уходившими вглубь, насколько хватало взгляда. Казалось, что все отражения двигаются в такт, – но я понимал, что причиной тому является ограниченность человеческих органов чувств: с довольно юных лет я знал о том, что скорость распространения света конечна. А потому мысленным взором я видел, как свет путешествует взад-вперёд – туда, обратно и снова туда. Бесшумное эхо от кивка головы, от взмаха руки носилось между зеркалами, поочерёдно отражавшими образы. Порой я воображал, что одно из моих далёких отражений дерзко отказывается встать на место и ломает строгий ряд, творя новую реальность, которая формирует все следующие за ней. А когда на уроке в школе вдруг наступало затишье, я иногда задумывался о том луче света, который покинул меня этим утром и до сих пор скачет между зеркалами, и мысленно присоединялся к одному из своих отражений, входя в воображаемый параллельный мир, созданный светом и оживлённый моей фантазией.
Конечно, отражения сами по себе не стоят особого упоминания. Но полёты детской фантазии в воображаемых параллельных реальностях перекликаются с одной научной темой, звучащей всё громче и громче, – с идеей о том, что за пределами известного нам мира могут существовать другие миры. Эта книга представляет собой исследование такой возможности – вдумчивую экскурсию в теорию параллельных вселенных.
Вселенная и вселенные
Когда-то слово «вселенная» означало «всё сущее». Абсолютно всё. Всё и всякую всячину вокруг нас. Упоминание о более чем одной вселенной, более чем одном «всём» выглядело бы терминологическим противоречием. Однако постепенно исследователи в своих теоретических изысканиях понемногу уточняли интерпретацию слова «вселенная». Значение этого слова стало зависеть от контекста. Иногда «вселенной» по-прежнему называли всё. Иногда под этим понимали только ту часть всего, до которой кто-либо вроде вас или меня может так или иначе добраться. А иногда это понятие применяют, чтобы обозначить самостоятельные области реальности, которые частично или полностью, временно или навсегда недоступны для нас; в таком значении это слово низводит нашу Вселенную до положения одной из широкого (возможно, бесконечно широкого) набора других.
Лишённое своего господствующего положения, слово «вселенная» открыло путь другим терминам, охватывающим то более обширное полотно, на котором можно разместить картину всей полноты реальности. Параллельные миры, или параллельные вселенные, или множественные миры, или альтернативные вселенные, или метаверс, мегаверс либо мультиверс, мультивселенные – всё это синонимы в ряду тех слов, с помощью которых люди стремятся охватить не только нашу Вселенную, а весь спектр других вселенных, возможно, существующих за пределами известного.
Вы можете заметить, что эти термины несколько расплывчаты. Из чего в точности составлен мир, или Вселенная? По какому критерию мы можем отличить разные области одной вселенной от самостоятельных вселенных? Возможно, в один прекрасный день наше понимание того, что такое множественные вселенные, станет достаточно полным, чтобы мы смогли дать точные ответы на эти вопросы. Пока же мы не станем сражаться с абстрактными определениями, а используем подход, который с успехом применил судья Поттер Стюарт, – когда Верховный суд США бился над выработкой стандарта для определения порнографии, Стюарт провозгласил: «Если я её увижу, то сразу узнаю».
В конечном итоге вопрос о том, назвать ли ту или иную область реальности параллельной вселенной, – исключительно лингвистический. Действительно важный вопрос, который является средоточием проблемы, звучит так: существуют ли такие области, которые бросают вызов устоявшимся взглядам и заставляют нас предположить, что то, что мы до сих пор считали всей Вселенной, – лишь составная часть значительно большей, гораздо более странной и по большей части скрытой от нас реальности.
Разнообразие параллельных вселенных
Поразительный факт (послуживший одним из толчков к написанию этой книги) состоит в том, что многие из магистральных разработок в фундаментальной теоретической физике – в релятивистской физике, квантовой физике, космологии, теории объединения, вычислительной физике – приводят к размышлениям о той или иной разновидности параллельных вселенных. Маршрут нашего повествования в последующих главах проходит через девять вариаций на тему мультивселенной. В каждой из них наша Вселенная предстаёт как часть неожиданно более масштабного целого, но сложность этого целого и природа составляющих его вселенных весьма отличаются от главы к главе. В одних картинах параллельные вселенные разделены колоссальными расстояниями или промежутками времени; в других они ведут призрачное существование в считанных миллиметрах от нас; в третьих же сама попытка говорить об их местоположении наивна и лишена всякого смысла. Подобное многообразие возможностей обнаруживается и в тех законах, которые управляют этими параллельными вселенными. Где-то эти законы – такие же, как в нашей Вселенной; в других вселенных они выглядят иначе, но имеют похожую родословную; в третьих они по форме и структуре не похожи ни на что из того, с чем нам доводилось иметь дело прежде. Попытки представить себе, насколько разнообразной и необъятной может быть реальность, заставляют чувствовать одновременно и восторг, и покорность перед её величием.
Первые ранние научные вылазки в параллельные миры начались в 1950-х годах. Их предприняли исследователи, ломавшие голову над некоторыми вопросами квантовой механики – теории, призванной объяснить те явления, которые происходят на микроскопическом уровне – в царстве атомов и субатомных частиц. Квантовая механика сокрушила прежний каркас физики – классическую механику, – установив, что научные предсказания являются с неизбежностью вероятностными. Мы можем предсказать шансы одного исхода событий, мы можем предсказать шансы другого, но мы, вообще говоря, не можем с уверенностью сказать, какой из них действительно произойдёт. Этот хорошо известный отход от многовековых наработок научной мысли сам по себе поразителен. Но есть ещё более изумительный аспект квантовой теории, на который обращают мало внимания. После десятилетий пристального изучения квантовой механики, имея в распоряжении богатейший набор данных, накопленных за это время и подтверждающих её вероятностные предсказания, никто не в состоянии объяснить, почему в каждой конкретной ситуации в действительности случается только один из многих возможных исходов. Когда мы ставим эксперименты, когда мы исследуем наш мир, мы все сходимся в том, что имеем дело с единственной вполне определённой реальностью. Однако спустя более столетия после квантовой революции среди учёных-физиков нет согласия относительно того, как этот основополагающий факт согласуется с математической формулировкой квантовой теории.
С течением времени этот существенный пробел в нашем понимании породил множество творческих гипотез, но самая поразительная возникла одной из первых. Возможно, утверждает эта гипотеза, привычное представление о наличии одного и только одного исхода у любого эксперимента – в корне неверно. Математика, лежащая в основе квантовой механики, допускает (по крайней мере под некоторым углом зрения), что случаются все возможные исходы, но каждый из них обитает в собственной отдельной вселенной. Если квантовые расчёты предсказывают, что частица может находиться тут, а может – там, то в одной вселенной она находится тут, а в другой находится там. И в каждой такой вселенной есть копия вас, которая наблюдает за тем или иным исходом, полагая – ошибочно, – что окружающая её реальность единственна. Если вы задумаетесь о том, что квантовая механика стоит за всеми физическими процессами, от слияния атомов на Солнце до электрических перестрелок между нейронами, что составляет основу мышления, вам станет очевидно, как далеко могут завести нас следствия этой гипотезы. Она говорит нам, что нехоженых тропинок не бывает. Но каждая такая тропинка – каждая реальность – спрятана от всех остальных.
В последние десятилетия этот интригующий подход к квантовой механике, опирающийся на множественность миров, дразнит воображение. Однако исследования показали, что в качестве каркаса теории он слишком хрупок и противоречив (мы обсудим это в главе 8); поэтому даже сегодня, после более чем полувека проверок, это допущение остаётся спорным. Одни специалисты по квантовой теории утверждают, что его корректность уже доказана, тогда как другие столь же уверенно заявляют, что математические подпорки под этой гипотезой не стыкуются друг с другом.
Несмотря на столь неопределённое положение в науке, эта ранняя версия гипотезы о параллельных вселенных перекликается с идеями о затерянной земле или альтернативной истории, которые проникли в литературу, телесериалы, фильмы и которые продолжают творчески переосмыслять и в наши дни. (Среди моих любимых с детства произведений на эту тему – «Волшебник страны Оз», «Эта прекрасная жизнь», эпизод «Город на краю вечности» из сериала «Звёздный путь», рассказ Борхеса «Сад расходящихся тропок» и, из более позднего, «Осторожно, двери закрываются» и «Беги, Лола, беги».) Благодаря этим и многим другим творениям массовой культуры тема параллельных реальностей стала частью духа нашего времени и обрела притягательность для широкой публики. Однако квантовая механика – лишь один из многочисленных путей, на которых в современной физике возникает понятие параллельных вселенных. И этот путь мы будем обсуждать даже не в первую очередь.
В главе 2 мы изберём другой подход к теме параллельных вселенных – возможно, наиболее простой из всех. Мы увидим, что если пространство бесконечно – идея, которая находится в согласии со всеми наблюдениями и является частью той космологической модели, которую предпочитают многие физики и астрономы, – то где-то там обязаны существовать области, где копия меня, и копия вас, и копии всего вокруг нас наслаждаются альтернативной версией той реальности, с которой имеем дело мы. В главе 3 мы заберёмся глубже в космологические вопросы: инфляционная теория – подход, в котором ранние моменты существования связаны с колоссальным взрывом молниеносно расширяющегося пространства, – порождает собственную версию параллельных миров. Если инфляционный сценарий верен (а об этом свидетельствуют самые тщательные астрономические наблюдения), то взрыв, создавший нашу область пространства, мог быть не единственным. Инфляционное расширение в отдалённых областях прямо сейчас может порождать вселенную за вселенной и делать это вечно. Более того, каждая такая дочерняя вселенная сама бесконечно расширяется в пространстве и содержит бесконечное число параллельных миров, о которых говорится в главе 2.
В главе 4 наш маршрут свернёт к теории струн. После беглого ознакомления с основами я расскажу о нынешнем состоянии этого подхода к объединению всех законов природы. Опираясь на этот обзор, в главах 5 и 6 мы рассмотрим последние достижения теории струн, из которых следуют три новых вида параллельных вселенных. Первый возникает из сценария мира на бране, в котором наша Вселенная – один из по-видимому многочисленных «листов», парящих в многомерном пространстве, наподобие ломтя грандиозной космической буханки хлеба.{1} Если нам повезёт, то в не столь отдалённом будущем этот подход сможет пройти проверку на Большом адронном коллайдере в Женеве (Швейцария). Параллельные вселенные второго вида возникают, когда миры на бранах сталкиваются друг с другом, уничтожая всё своё содержимое и приводя к новому горячему большому взрыву – как тому началу, которое породило каждого из них. Подобно хлопкам двух огромных ладоней, это может происходить снова и снова: браны могут соударяться, отскакивать друг от друга, притягиваться силами тяготения и снова сталкиваться – циклический процесс, порождающий вселенные, параллельные не в пространстве, а во времени. Третий сценарий – это сценарий «ландшафта» в теории струн, в основе которого лежит колоссальное разнообразие форм и размеров дополнительных пространственных измерений, требуемых теорией. Мы увидим, что струнный ландшафт, будучи объединённым с идеей инфляционной мультивселенной, подразумевает наличие безграничного набора вселенных, реализующих все возможные формы дополнительных измерений.
В главе 6 мы сосредоточимся на том, как все эти соображения проливают свет на самые удивительные результаты наблюдений последнего столетия: похоже, что пространство равномерно заполнено рассеянной энергией, которая может оказаться вариацией на тему известной космологической постоянной Эйнштейна. Это наблюдение послужило отправной точкой для многих актуальных изысканий в области параллельных вселенных и стало причиной одной из самых горячих дискуссий за последние десятилетия – дискуссии о том, какими должны быть приемлемые научные объяснения. Глава 7 развивает эту тему, поднимая более общий вопрос: можно ли вообще рассматривать размышления о вселенных за пределами нашей как область науки? Можем ли мы проверить эти идеи? Продвигаемся ли мы вперёд, привлекая эти идеи для решения стоящих перед нами выдающихся проблем, – или просто заметаем эти проблемы под ковёр, удобный своей космической недоступностью? Я стремился к тому, чтобы изложить как есть основные доводы противоборствующих позиций, подчеркнув при этом мою собственную точку зрения: при определённых условиях параллельные вселенные несомненно попадают в сферу компетенции науки.
Квантовая механика с её вариантом параллельных вселенных в форме множественных миров является предметом обсуждения в главе 8. Я кратко напомню основные положения квантовой механики, а затем сосредоточусь на самой трудной проблеме теории: как получить чётко определённые результаты от теории, базовая парадигма которой допускает сосуществование несовместимых реальностей в аморфном (хотя и математически точно описанном) вероятностном тумане. Я бережно проведу вас через рассуждения, которые в поисках ответа на этот вопрос приводят нас к идее разместить квантовую реальность в её собственном изобилии параллельных миров.
Глава 9 погружает нас в квантовую реальность ещё глубже, рассказывая о том, что, на мой взгляд, является самым странным вариантом идеи параллельных вселенных. Речь идёт о предложении, которое исподволь вызревало в ходе теоретического изучения квантовых свойств чёрных дыр в течение последних тридцати лет. Эта работа достигла кульминации в последнее десятилетие, когда теория струн дала ошеломительный результат, из которого следует удивительный вывод: весь наш опыт – не что иное как голографическая проекция процессов, происходящих на некоторой очень далёкой поверхности, окружающей нас. Вы можете ущипнуть себя, и ваши ощущения будут при этом реальными, но они отразят собой параллельный процесс, который имеет место в другой, далёкой реальности.
Наконец, в главе 10 на сцену выходит ещё более причудливая возможность – искусственные вселенные. Первым пунктом нашей повестки дня будет вопрос о том, позволяют ли нам законы физики создавать новые вселенные. Затем мы обратим свой взгляд на вселенные, создаваемые не физическим путём, а программным – на такие вселенные, которые мог бы смоделировать некий сверхмощный компьютер, – и поразмыслим над тем, уверены ли мы, что не являемся обитателями созданной кем-то или чем-то имитации. Это приведёт нас к самому необузданному предположению о параллельных вселенных, выдвинутому философским сообществом: каждый возможный вариант вселенной реализован где-то внутри того, что с уверенностью можно назвать величайшей из мультивселенных. Это обсуждение естественным образом упирается в вопрос о роли математики в распутывании научных загадок и, в конечном итоге, о нашей способности или неспособности достичь глубочайшего понимания природы реальности.
