Текст книги "Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса"
Автор книги: Брайан Грин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 38 страниц)
А что с остальной физикой?
Космологическая постоянная является всего лишь одной из характеристик населяемой нами Вселенной. Эта задача находится, пожалуй, в ряду самых непонятных, потому что малость измеренного значения никак не вяжется с оценками, даваемыми устоявшимися теориями. Такое тотальное расхождение привлекает к космологической постоянной особое внимание, поэтому поиск идей, пусть даже экзотических, но способных объяснить малость космологической постоянной, является самой насущной задачей. Сторонники представленных выше идей утверждают, что струнная мультивселенная и есть именно то, что надо.
Но что делать с остальными свойствами нашей Вселенной – тремя типами существующих нейтрино, определённой массой электрона, величиной слабого ядерного взаимодействия и тому подобным? И хотя мы можем по крайней мере мечтать, что нам удастся вычислить эти фундаментальные константы, этого пока никому не удалось. Вы можете поинтересоваться, готовы ли эти числа к своему объяснению с помощью идеи мультивселенной? Оказалось, что физики, занимающиеся струнным ландшафтом, действительно обнаружили, что эти числа, подобно значению космологической постоянной, также изменяются от места к месту, и поэтому – если следовать нашему настоящему пониманию теории струн – они определены не однозначно. Это приводит к новому взгляду на проблему, весьма отличному от того, который преобладал в начале исследований. А именно мы видим, что попытка вычислить свойства фундаментальных частиц, так же как и попытка объяснить расстояние между Землёй и Солнцем, лишена, скорее всего, всякого смысла. Как и орбиты планет, некоторые (или все) свойства фундаментальных частиц будут меняться от одной вселенной к другой.
Чтобы такие рассуждения могли считаться осмысленными, мы должны по крайней мере знать, что найдутся пузырьки-вселенные с правильным значением космологической постоянной, и кроме того, что среди них будет хотя бы один пузырёк, в котором свойства взаимодействий и частиц согласуются с измерениями, полученными в нашей Вселенной. Необходимо знать наверняка, что наша Вселенная со всеми своими свойствами находится где-то внутри ландшафта. Это является целью очень активной области исследований, получившей название струнное моделестроение. Её программа состоит в математическом изучении струнного ландшафта и возможных форм дополнительных измерений с целью поиска вселенных, наиболее близко напоминающих нашу. Эта невероятно трудная задача, потому что ландшафт огромен и очень запутан, что препятствует исчерпывающему систематическому изучению. Продвижение в этом направлении требует выдающихся вычислительных способностей, а также интуитивного понимания, какие составляющие должны входить в искомую комбинацию – форма дополнительных измерений, их размер, потоки поля, пронизывающие дырки, наличие различных бран и так далее. Подобные исследования находятся на стыке строгой науки, искусства и проницательности. На сегодняшний день никому не удалось найти пример, точно воспроизводящий свойства нашей Вселенной. Однако, имея 10500 возможностей, ожидающих своего изучения, легко согласиться, что где-то внутри ландшафта есть место и для нашей Вселенной.
А это наука?
В этой главе мы совершили логический поворот. До сего момента мы рассматривали возможные сценарии для реальности, опирающиеся на достижения фундаментальной физики и космологические исследования. Я прихожу в восторг от мысли, что где-то в глубине космоса существуют, возможно, копии нашей Земли, или что наша Вселенная – это лишь один из многих пузырьков в инфляционном космосе, или что мы живём в одном из многих миров на бране, как на ломте гигантского космического хлеба. Такие идеи, безусловно, будоражат ум.
Однако в ландшафтной мультивселенной параллельные миры возникают совсем иным образом. Ландшафтная мультивселенная – это не просто более широкий взгляд на то, что может происходить где-то там. Наоборот, целый массив параллельных вселенных – миров, находящихся за рамками наших способностей видеть, изучать, как-то влиять, посещать сейчас, а возможно и никогда, нужен самым непосредственным образом для того, чтобы объяснить данные наблюдений, полученные нами здесь, в этом мире.
А это ставит перед нами очень важный вопрос: является ли это наукой?
Глава 7. Наука и мультивселенная
О выводах, объяснениях и предсказаниях
Когда Дэвид Гросс, один из нобелевских лауреатов 2004 года по физике, яростно критикует струнную ландшафтную мультивселенную, он вполне мог бы процитировать речь Уинстона Черчилля, произнесённую им 29 октября 1941 года: «Никогда не уступайте… никогда, никогда, никогда – ни в чём, ни в большом, ни в малом, ни в великом, ни в мелочах – не уступайте никогда». Когда Пол Стейнхард, профессор Принстонского университета, соавтор современной инфляционной космологии, говорит о своём неприятии ландшафтной мультивселенной, он не столь патетичен, но будьте уверены, что в какой-то момент вы услышите не самое лицеприятное сравнение теории с религией. Мартин Риз, удостоенный звания Королевского астронома Великобритании, рассматривает мультивселенную как естественный шаг в нашем понимании всего сущего. Леонард Сасскинд утверждает, что те, кто игнорируют возможность того, что мы являемся частью некоей мультивселенной, просто не могут переварить богатство этой идеи. Я привёл лишь несколько примеров. Есть ещё много других – и яростных скептиков, и ревностных поклонников, по обе стороны баррикад, и своё мнение они часто облекают не в столь красивые формы.
Я занимаюсь теорией струн почти четверть века, но мне никогда прежде не доводилось встречать такого накала эмоций и резкости высказываемых мнений, как при обсуждении струнного ландшафта и возникающей из него мультивселенной. И совершенно ясно, почему это происходит, – многие рассматривают эту дискуссию как сражение за научный дух как таковой.
Научный дух
Хотя ландшафтная мультивселенная и стала катализатором, в спорах оказались затронуты вопросы, центральные для всех теоретических подходов, включающих понятие мультивселенной. Допустимо ли с научной точки зрения говорить о мультивселенной, о понятии, вовлекающем миры, недостижимые не только на практике, но во многих случаях даже в принципе? Является ли понятие мультивселенной проверяемым или фальсифицируемым? Сможет ли привлечение понятия мультивселенной помочь в объяснении того, что иными способами объяснить не удаётся?
Противники мультивселенной считают, что ответ на все эти вопросы отрицательный, однако её сторонники считают, что всё дело в непривычном взгляде на вещи. Непроверяемые и нефальсифицируемые гипотезы, содержащие в себе скрытые миры за границами достижимости, отстоят, как кажется, слишком далеко от того, что большинство из нас хотело бы называть наукой. Именно тут проскакивает искра, распаляющая страсти. Сторонники мультивселенной на это возражают, что хотя способ, которым мультивселенные могут проявить себя в наблюдениях, будет скорее всего сильно отличаться от привычного – будет не столь явным, опосредованным, и фортуна должна сильно к нам благоволить, чтобы такая связь была выявлена в будущих экспериментах, – нельзя сказать, что в разумных гипотезах подобные связи исключены на фундаментальном уровне. Если судить непредвзято, такой способ рассуждений даёт более широкий взгляд на возможности наших теорий и наблюдений и на способ проверки наших идей.
Критика понятия мультивселенной также зависит от понимания сути науки. Общие рассуждения обычно основаны на том, что наука является поиском закономерностей в нашей Вселенной, объяснением того, как эти закономерности отражают и подтверждают фундаментальные законы природы, а также проверкой предполагаемых законов путём формулировки предсказаний, которые можно проверить или опровергнуть экспериментальным путём или в наблюдениях. Но сколь бы разумным не было такое определение, оно обходит стороной тот факт, что настоящий научный процесс гораздо менее упорядочен и что постановка правильных вопросов зачастую так же важна как получение и проверка предлагаемых ответов. Было бы странно думать, что все вопросы живут себе спокойненько где-то в изначальной реальности и роль науки состоит в том, чтобы вытаскивать их на свет божий один за другим. Наоборот, сегодняшние вопросы зачастую обусловлены вчерашними достижениями. Как правило, прорывы в понимании дают ответы на часть вопросов, но одновременно приводят ко многим другим, о которых раньше и подумать было нельзя. При оценке любой идеи, включая теории с мультивселенными, необходимо принимать во внимание не только её способность выявлять скрытые истины, но также её влияние на задачи, к которым мы намереваемся подступиться. То есть влияние на саму научную деятельность. Далее станет ясно, что теории с мультивселенными обладают способностью пролить новый свет на некоторые важнейшие вопросы, над которыми учёные бьются в течение десятилетий. Эта перспектива даёт силы одним и приводит в ярость других.
Очертив арену действий, давайте приступим к систематическому анализу проверяемости, правильности и полезности теорий, где наша Вселенная является лишь одной из многих.
Доступные мультивселенные
Тяжело достичь согласия по всем этим вопросам, отчасти потому, что концепция мультивселенной не является монолитной. Мы рассмотрели уже пять различных версий – лоскутную, инфляционную, бранную, циклическую и ландшафтную, – в последующих главах нам встретятся ещё четыре. По вполне понятным причинам считается, что общее определение мультивселенной не поддаётся проверке. Обычные рассуждения, как правило, сводятся к тому, что мы конечно можем анализировать вселенные, отличные от нашей, но поскольку у нас есть доступ только к нашей, то с тем же успехом можно обсуждать приведения или домовых. Действительно, это центральная проблема, к которой мы вскоре вернёмся, но сперва заметим, что есть некоторые мультивселенные, которые действительно допускают взаимодействие между вселенными – членами мультивселенной. Мы видели, что в мультивселенной на бране струнные петельки могут свободно перемещаться с одной браны на другую. В инфляционной вселенной пузырьки могут взаимодействовать ещё более непосредственным образом.
Напомним, что в инфляционной мультивселенной пространство между двумя дочерними вселенными, вырастающими из пузырьков, заполнено полем инфлатона, чья энергия и отрицательное давление остаются большими, поэтому в промежуточном пространстве происходит инфляционное расширение. Это расширение отдаляет пузырьки друг от друга. Однако если скорость расширения самих пузырьков превышает скорость расширения пространства, пузырьки будут сталкиваться. Учитывая, что инфляционное расширение кумулятивно – чем больше расширяющегося пространства между пузырьками, тем быстрее они удаляются друг от друга, – приходим к интересному выводу. Если пузырьки действительно находятся близко друг к другу, промежуточного пространства между ними мало, то скорость разбегания окажется меньше скорости собственного расширения. Тогда пузырьки лягут на курс столкновения.
Эти рассуждения подкрепляются математическими расчётами. В инфляционной мультивселенной вселенные могут сталкиваться. Более того, ряд исследовательских групп (включая Джауме Гарригу, Алана Гута и Александра Виленкина; Бена Фрайфогеля, Мэтью Клебана, Альберто Николиса и Криса Сигурдсона; а также Энтони Эквайра и Мэтью Джонсона) установили, что хотя при некоторых столкновениях внутренняя структура пузырьков-вселенных может сильно разрушиться – что не очень приятно для его возможных обитателей, подобных нам с вами, – возможны и более мягкие соударения, без каких-либо катастрофических последствий, но дающие при этом наблюдаемые эффекты. Вычисления показывают, что если произойдёт такое мелкое ДТП с участием другой вселенной, то возникнут ударные волны, распространяющиеся в пространстве и изменяющие картину холодных и горячих областей в реликтовом излучении.{58} Учёные внимательно изучают возможные следы от такого столкновения и закладывают основу для наблюдений, которые однажды смогут доказать, что наша Вселенная столкнулась с другой вселенной, получив тем самым указания на существование других вселенных.
Однако сколь бы заманчивой не казалась такая возможность, что если ни один эксперимент по поиску свидетельств взаимодействия или столкновения с другой вселенной не окажется успешным? По здравому рассуждению, как тогда поддерживать идею мультивселенной, если мы не можем обнаружить каких-либо экспериментальных или наблюдательных доказательств существования других вселенных?
I. Наука и недоступность: Оправданно ли с научной точки зрения рассматривать ненаблюдаемые вселенные?
Каждый теоретический подход имеет свою архитектуру, куда входят основные составляющие теории и математические уравнения, которые их описывают. Архитектура не только задаёт теорию, но также указывает на то, какие вопросы могут быть заданы в рамках этой теории. Архитектура Исаака Ньютона была вполне осязаемой. В его уравнения входили положения и скорости объектов, с которыми мы непосредственно сталкиваемся в повседневной жизни или которые можем легко наблюдать, будь то горы и шары или Солнце и Луна. Великое множество наблюдений подтвердили предсказания теории Ньютона, что убедило нас в том, что соответствующие уравнения действительно описывают движение привычных объектов. Джеймс Клерк Максвелл и его архитектура привели к новому уровню абстракции. Колебания электрических и магнитных полей не относятся к тому роду вещей, которые наши органы чувств могут ощущать непосредственно. Хотя мы видим «свет» – электромагнитные колебания с длиной волны в том диапазоне, который воспринимает наш глаз, – наше зрение не может напрямую отследить колеблющиеся поля, постулируемые в теории Максвелла. Но несмотря на это, мы можем построить хитроумные приборы, измеряющие эти вибрации, которые совместно с множеством подтверждённых теоретический предсказаний дадут исчерпывающее доказательство того, что мы погружены в вибрирующий океан электромагнитных волн.
Фундаментальная наука в XX столетии всё больше и больше стала руководствоваться недоступными критериями. Пространство и время в своём спаянном единстве являются каркасом для специальной теории относительности. Наделённые затем Эйнштейном способностью к трансформации, они стали тем пластичным фоном, на котором развиваются события, описываемые общей теорией относительности. Я знаю, как тикают часы, и я могу измерить расстояния с помощью линейки, однако я никогда не смогу прикоснуться к пространству-времени, подобно тому как я касаюсь подлокотников своего кресла. Я ощущаю проявления гравитации, но если вы заставите меня ответить на вопрос, ощущаю ли я напрямую, что нахожусь в искривлённом пространстве-времени, я окажусь в ситуации как с теорией Максвелла. Я убеждён в правильности специальной и общей теорий относительности не потому, что непосредственно ощущаю их основные положения, а потому, что если следовать их подходу, то математические вычисления приведут к проверяемым на опыте предсказаниям. И эти предсказания оказываются в высшей степени точны.
Квантовая механика выводит подобного рода недоступность на новый уровень. Центральное понятие квантовой механики – это волны вероятности, удовлетворяющие уравнению, открытому в середине 1920-х годов Эрвином Шрёдингером. Хотя эти волны являются определяющим понятием для квантовой механики, в главе 8 мы увидим, что архитектура квантовой физики говорит о том, что они абсолютно ненаблюдаемы. Волны вероятности позволяют предсказать, где та или иная частица может находиться, но сами они находятся за кулисами повседневной реальности.{59} Однако, поскольку полученные предсказания очень хорошо подтверждаются на эксперименте, поколения учёных приняли эту странную ситуацию: в теории определяется радикально новая и необходимая конструкция, которая согласно самой теории является ненаблюдаемой.
Эти примеры объединяет та общая идея, что успешность теории может быть использована для оправдания постфактум её базисной архитектуры, даже в том случае, когда архитектура находится за рамками наших возможностей для её непосредственного восприятия. Это настолько вошло в обиход физиков-теоретиков, что они без малейших колебаний используют язык и ставят вопросы, в которых содержатся понятия совсем не такие осязаемые, как предметы обычного обихода, а некоторые и подавно находятся за пределами нашего чувственного опыта.[43]43
Поскольку есть различные взгляды на роль научных теорий в изучении природы, излагаемые мной утверждения могут допускать разную интерпретацию. Есть две выделенные позиции, одну из которых занимают реалисты, уверенные, что математические теории напрямую описывают устройство природы, и инструменталисты, которые верят, что теория является лишь удобным инструментом предсказания того, что измеряют приборы, но при этом ничего не говорит об устройстве самой реальности. В течение десятилетий изнурительных споров, философы от науки развили множество уточнённых вариантов этих направлений и связанных с ними взглядов. Несомненно, моя собственная позиция и подход, развиваемый в этой книге, принадлежат к лагерю реалистов. В этой главе, в которой рассматривается научная состоятельность теорий определённого типа и даётся оценка их значения для понимания природы, поднимаются вопросы, на которые различные философские школы предложили бы существенно разные точки зрения.
[Закрыть]
Если продвинуться дальше и использовать архитектуру теории для изучения предсказываемых ею явлений, возникнут и другие типы недоступности. Чёрные дыры возникают как следствие математических вычислений в общей теории относительности, и астрономические наблюдения дают достаточно оснований считать, что они не только существуют, но при этом являются совершенно рядовым явлением. Однако внутренность чёрной дыры весьма экзотична. Согласно уравнениям Эйнштейна, край чёрной дыры, её горизонт событий, – это поверхность невозвращения. Её можно пересечь, но вернуться обратно невозможно. Мы, живущие снаружи горизонта событий, никогда не узнаем, что находится внутри, не только в силу практических ограничений, но как следствие самих законов общей теории относительности. И всё же имеется полное согласие в том, что область внутри горизонта событий чёрной дыры вполне реальна.
Применение общей теории относительности к космологическим вопросам даёт ещё более экстремальные примеры недоступности. Если вы не возражаете против путешествия в один конец, то внутренность чёрной дыры вполне подходит для этой цели. Однако миры за пределами нашего космического горизонта недостижимы, даже если бы мы могли путешествовать с околосветовыми скоростями. В ускоряющейся вселенной, такой как наша, это становится особенно очевидным. При данном измеренном значении космологического ускорения (в предположении, что оно неизменно) любой объект, отстоящий от нас на расстоянии, превышающем 20 миллиардов световых лет, будет всегда находиться вне нашего поля зрения, у нас никогда не будет возможности посетить его, измерить или как-то повлиять на него. Дальше этого расстояния пространство всегда будет отступать от нас настолько быстро, что любая попытка сократить дистанцию будет так же бесплодна, как стремление байдарочника плыть против потока, более быстрого, чем он может грести.
Объекты, всегда находившиеся за пределами нашего космического горизонта, никогда не наблюдались нами и никогда не будут наблюдаться; и наоборот, они никогда не видели нас и никогда не увидят. Объекты, которые в течение некоторого времени в прошлом находились внутри нашего космического горизонта, но были вытянуты за его пределы пространственным расширением, – это объекты, которые однажды прошли перед нашими глазами и исчезли навсегда. Но я думаю, мы согласны с тем, что такие объекты так же реальны, как ощущаемые нами вещи, и также реальны населяемые ими миры. Было бы довольно странно утверждать, что галактика, попавшая однажды в наше поле зрения, но впоследствии исчезнувшая с космического горизонта, ушла в несуществующий мир, который в силу своей перманентной недоступности должен быть стёрт с карты реальности. Даже если мы не можем наблюдать или воздействовать на такие миры, а они на нас, они вполне вписываются в нашу картину того, что существует.{60}
Эти примеры со всей очевидностью демонстрируют, что науке не чужды теории, в которые включены недоступные элементы, от основных ингредиентов до выводимых следствий. Наше принятие такого рода недоступности основано на нашей уверенности в теории. Когда квантовая механика вводит волны вероятности, её впечатляющая способность описывать такие измеряемые явления как движение атомов и субатомных частиц заставляет нас принять ту эфемерную реальность, которую она постулирует. Когда общая теория относительности предсказывает существование мест, недоступных для наблюдения, её феноменальный успех в описании тех явлений, которые можно наблюдать, таких как движение планет и траектория света, заставляет нас серьёзно отнестись к этим предсказаниям.
Поэтому для укрепления нашей веры в ту или иную теорию не надо требовать проверяемости всех её свойств; вполне достаточно разнообразного ассортимента подтверждённых предсказаний. Примерно столетие назад наука приняла, что теория может иметь скрытые и недоступные элементы – при условии, что при этом из неё также следуют интересные, новые и проверяемые предсказания для множества наблюдаемых явлений.
Это наводит на мысль, что можно подвести убедительный базис под теорию мультивселенной, даже если мы не сможем получить какого-либо прямого доказательства существования других вселенных, отличных от нашей. Если экспериментальные и наблюдательные данные говорят в пользу теории и побуждают вас принять её, если эта теория зиждется на математических структурах, которые не оставляют места для произвольного манёвра, то вы должны принять её целиком. Если эта теория приводит к существованию других вселенных, значит эту реальность следует принять на борт, как того требует теория.
Поэтому, в принципе, – и будьте уверены, я очень принципиален в этом вопросе – то, что теория допускает существования недоступных вселенных, не выводит само по себе теорию за научные рамки. Я разверну это утверждение: представим, что в один прекрасный момент мы получим убедительные экспериментальные и наблюдательные свидетельства в пользу теории струн. Например, в будущем на ускорителе мы сможем зафиксировать ряд струнных вибраций и отпечаток дополнительных измерений, а астрономические наблюдения выявят струнные черты у реликтового излучения и обнаружат следы длинных растянутых струн, вибрирующих в пространстве. Далее предположим, что наше понимание теории струн существенно улучшится и мы выясним, что эта теория абсолютно, точно и неоспоримо приводит к ландшафтной мультивселенной. Теория, опирающаяся на сильную экспериментальную и наблюдательную поддержку, внутренняя структура которой требует существования мультивселенной, приведёт нас к неумолимому заключению, что пришла пора «уступить», не взирая ни на какие призывы к обратному.[44]44
В мультивселенной с огромным количеством разных вселенных возникает разумное опасение, что независимо от результатов экспериментов и наблюдений, среди гигантского количества вселенных теории найдётся некоторая вселенная, для которой подойдут полученные результаты. Если так, то не будет существовать никакого экспериментального свидетельства, способного доказать неправильность теории; в свою очередь, никакие данные не смогут быть интерпретированы подходящим образом как доказательства в поддержку теории. Мы ещё вернёмся к этому вопросу.
[Закрыть]
Поэтому, возвращаясь к вопросу, вынесенному в заголовок этого раздела, я подчеркну, что имеются все основания для рассмотрения идеи мультивселенной в подходящем научном контексте; более того, если мы этого не сделаем, то проявим неоправданную ненаучную предубеждённость.
