Текст книги "Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 38 страниц)

II. Наука и недоступность: Довольно о принципах; что же происходит на практике?

Скептик правильно заметит, что одно дело – рассматривать принципиальный вопрос о том, как можно обосновать ту или иную теорию с мультивселенной, и совсем другое дело – оценить, может ли какой-либо из описанных нами вариантов мультивселенной привести к экспериментальному подтверждению теорий, совершенно определённо предсказывающих существование других вселенных. Сделаем попытку это оценить.

Лоскутная мультивселенная возникает из-за бесконечности пространства. Эта возможность прямо соответствует общей теории относительности. Загвоздка лишь в том, что общая теория относительности допускает бесконечность пространства, но вовсе этого не требует. Поэтому, хотя общая теория относительности и является подходящей основой, сценарий лоскутной мультивселенной остаётся умозрительным. Конечно, бесконечность пространства напрямую следует из вечной инфляции – напомним, что каждый пузырёк видится изнутри бесконечно большим, – но в этом подходе у лоскутной мультивселенной нет определённой опоры, так как основная гипотеза, вечная инфляция, остаётся недоказанной.

Аналогичные доводы применимы и в случае инфляционной мультивселенной, также возникающей благодаря вечной инфляции. Астрономические наблюдения за последние десять лет укрепили веру физической общественности в инфляционную космологию, но не дали никаких подтверждений тому, что инфляционное расширение является вечным. Теоретические исследования показывают, что хотя многие варианты теории приводят к вечной инфляции и возникновению пузырьков одного за другим, есть и другие варианты, характеризующиеся одним единственным раздувающимся пространством.

Бранная, циклическая и ландшафтная мультивселенные основаны на теории струн, поэтому они страдают от множества неопределённостей. Сколь бы ни были они поразительны и структурно богаты, как и сама теория струн, однако отсутствие проверяемых предсказаний и, как следствие, невозможность соотнесения с наблюдениями и экспериментами переводят эти теории в область научных спекуляций. Более того, так как многие вопросы теории всё ещё находятся на первоначальной стадии разработки, то неясно, какие из них будут играть важную роль в будущем. Останутся ли браны – основа для бранной и циклической мультивселенных – на передних позициях? Сохранится ли богатый выбор форм пространств дополнительных измерений – основа ландшафтной мультивселенной, или наконец будет найден математический принцип, отбирающий одну определённую форму? Мы просто не знаем.

В принципе, мы могли бы, наверное, подобрать убедительный довод в пользу теории с мультивселенной, который мало или никак не связан с предсказаниями других вселенных, но для рассмотренных нами мультивселенных сценариев этот способ не подойдёт. По крайней мере, пока не подошёл. Чтобы оценить каждый из них, нам придётся напрямую разбираться с теми предсказаниями, что они дают для мультивселенной.

Можем ли мы это? Может ли включение в теорию других вселенных привести к проверяемым предсказаниям, даже если эти вселенные находятся за пределами досягаемости экспериментов и наблюдений? Давайте рассматривать этот ключевой вопрос шаг за шагом, следуя от «принципов» к «практике», как было оглашено выше.

I. Предсказания в мультивселенной: Если вселенные, составляющие мультивселенную, недоступны, могут ли они давать осмысленный вклад в предсказания?

Те учёные, которые не принимают теорию мультивселенной, смотрят на эту деятельность как на признание поражения, на полное отступление от великой цели постижения того, почему Вселенная, какой мы её наблюдаем, обладает именно такими свойствами. Я могу понять такие чувства, потому что я был среди тех, кто в течение десятилетий пытался материализовать обещания, даваемые теорией струн, и вычислить все фундаментальные наблюдаемые свойства Вселенной, включая значения всех констант в природе. Если допустить, что мы являемся частью мультивселенной, в которой некоторые, а может быть и все константы изменяются от одной вселенной к другой, то следует признать, что подобная цель является ошибочной. Если фундаментальные законы разрешают, скажем, константе связи электромагнитного взаимодействия принимать в мультивселенной самые разные значения, то сама задача вычисления определённого значения константы связи столь же бессмысленна, как попросить пианиста подобрать какую-то одну ноту.

Здесь возникает вопрос: если характеристики могут варьироваться, означает ли это, что мы теряем способность предсказать (или объяснить) значения, присущие именно нашей Вселенной. Не обязательно. Даже если мультивселенная исключает единственность, всё равно можно сохранить в какой-то мере предсказательную силу. Правда, теперь это становится делом статистики.

Поговорим для наглядности о собаках. Они все разные по весу. Есть очень маленькие собаки, например чихуахуа, весящие пару килограммов; есть очень крупные собаки, такие как английский мастиф, вес которых может зашкаливать за 100 килограммов. Если бы я попросил вас предсказать вес собаки, которая вам встретится на улице, то, возможно, наилучшим выходом для вас было бы назвать любое число в указанном выше диапазоне. Однако, обладая чуть большей информацией, вы смогли бы назвать вес точнее. Если вам предоставят данные по собакам, живущим в вашем районе, например, сколько человек держат ту или иную породу, каким весом обладает та или иная порода, и даже скажут, сколько ежедневных прогулок необходимо собакам каждой породы, вы сможете более точно оценить вес собаки, которая наиболее вероятно вам встретится на улице.

Вряд ли это будет точным предсказанием; как правило, в статистике такого не происходит. Однако, опираясь на данные о распределении собак, вы сможете дать гораздо более точный ответ, чем просто назвать произвольное число с потолка. Если распределение собак в вашем районе имеет некую конкретную специфику, например, 80 процентов собак составляют лабрадоры, средний вес которых 27 килограмм, а остальные 20 процентов приходятся на породы от шотландского терьера до пуделей, средний вес которых составляет 13 килограмм, то вы с большой точностью попадёте в точку, назвав вес в диапазоне от 25 до 30 килограмм. Конечно же, вам может встретиться пушистый ши-тцу, но это маловероятно. Если распределение ещё более скошено, ваши предсказания могут стать точнее. Если 95 процентов собак вокруг вас – это лабрадоры весом 27 килограмм, то можно уверенно предсказать, что вам встретится именно лабрадор.

Аналогичный статистический подход можно применить к мультивселенной. Представьте, что вы изучаете теорию мультивселенной, в которой свойства различных вселенных находятся в широком диапазоне – различные значения констант взаимодействий, свойств частиц, космологических постоянных и так далее. Также представьте, что космологический процесс образования этих вселенных (как, например, образование пузырьков в ландшафтной мультивселенной) достаточно хорошо понят, поэтому мы можем вычислить распределение вселенных с различными свойствами по всей мультивселенной. Наличие такой информации вполне может привести к значимым открытиям.

Для наглядности предположим, что вычисления дают особенно простое распределение: некоторые физические свойства широко варьируются от вселенной к вселенной, а другие остаются неизменными. Например, представим, что вычисления говорят, что должен быть некий набор частиц, общих для всех вселенных в мультивселенной, массы и заряды которых одинаковы в каждой из вселенных. Подобное распределение приводит к совершенно однозначным предсказаниям. Если эксперименты, проведённые в нашей выделенной Вселенной, не обнаружат предсказанного набора частиц, то соответствующая теория, мультивселенная и всё остальное должны быть отброшены. Таким образом, если мы знаем распределение, то гипотеза мультивселенной становится фальсифицируемой. Наоборот, если в наших экспериментах предсказанные частицы будут обнаружены, это укрепит нашу в веру в правильность выбранной теории.^{61}

В качестве другого примера представьте мультивселенную, космологическая постоянная в которой варьируется в огромном диапазоне значений, но крайне неоднородно (рис. 7.1). На графике представлена доля вселенных внутри мультивселенной (вертикальная ось) с заданным значением космологической постоянной (горизонтальная ось). Если мы – часть такой мультивселенной, то загадка космологической постоянной имеет принципиально другой характер. Большинство вселенных в таком сценарии обладают космологической постоянной, значение которой близко к измеренному значению в нашей Вселенной; поэтому, хотя диапазон возможных значений огромен, скошенное распределение означает, что наблюдаемое нами значение ничем не примечательно. В такой мультивселенной удивляться тому, что космологическая постоянная в нашей Вселенной имеет значение 10⁻¹²³, следует не больше, чем встрече с лабрадором весом в 27 килограмм. Каждое из этих событий наиболее вероятно при подходящем распределении.

Рис. 7.1. Распределение космологической постоянной в гипотетической мультивселенной, показывающее, как очень скошенное распределение позволяет объяснить загадочные наблюдательные данные

Теперь рассмотрим другую ситуацию. Представим, что в некоторой теории мультивселенной значения космологической постоянной варьируются в широком диапазоне, но в отличие от предыдущего примера варьируются однородно; количество вселенных с заданным значением космологической постоянной сравнимо с количеством вселенных с любым другим значением. Допустим также, что при тщательном математическом анализе теории выяснилось неожиданное свойство такого распределения: оказалось, что во вселенных со значением космологической постоянной в наблюдаемом нами диапазоне, всегда существуют частицы, массы которых, скажем, в 5000 раз превосходят массу протона – они слишком тяжёлые, чтобы их можно было наблюдать на ускорителях XX века, однако их масса вполне вписывается в диапазон ускорителей XXI века. В силу такой тесной связи между этими двумя физическими свойствами эта теория мультивселенной также является фальсифицируемой. Если у нас не получится обнаружить предсказанные тяжёлые частицы, то гипотеза будет отброшена; а открытие таких частиц наоборот усилит нашу убеждённость в её правильности.

Я хочу подчеркнуть, что эти сценарии умозрительны. Я привёл их в качестве примера, потому что они прекрасно демонстрируют возможности для научной идеи и её проверки в рамках концепции мультивселенной. Ранее я высказывал мнение, что если теория мультивселенной приводит к проверяемым свойствам помимо предсказания существования других вселенных, тогда, в принципе, возможно найти в её поддержку весомые аргументы, даже если другие вселенные недоступны. Примеры, приведённые выше, служат тому подтверждением. Для таких типов мультивселенных ответ на искомый вопрос будет безоговорочно положительным.

Важно, что такие «предсказуемые мультивселенные» не собраны как попало из составляющих вселенных. Наоборот, предсказательная сила обусловлена характерной математической структурой мультивселенной: физические свойства распределены между составляющими вселенными либо с большим перекосом, асимметрично, либо очень коррелированным образом.

Как такое может быть? Если абстрагироваться от красивого «в принципе», имеет ли это место на самом деле в рассмотренных нами ранее мультивселенных?

II. Предсказания в мультивселенной: Довольно о принципах; что же происходит на практике?

Распределение собак в данном районе зависит от ряда условий, например: от культурного слоя, финансовых возможностей и просто обычной случайности. В силу этих сложностей чтобы сделать верный статистический прогноз, лучше всего обратиться за нужными данными в местный клуб собаководов, избежав тем самым размышлений, откуда взялось именно такое распределение собак. К сожалению, никто не ведёт перепись населения мультивселенных, поэтому такая возможность оказывается недоступной. Мы вынуждены опираться на наши теоретические идеи о том, как может возникнуть данная мультивселенная с тем или иным распределением составляющих её вселенных.

Ландшафтная мультивселенная, основанная на вечной инфляции и теории струн, вполне подходит для подобных исследований. В этом сценарии двумя генераторами новых вселенных являются инфляционное расширение и квантовое туннелирование. Напомним, как это происходит: вселенная в процессе инфляции, соответствующая той или иной долине в струнном ландшафте, квантово туннелирует сквозь одну из ближайших гор и оказывается в другой долине. Из первой вселенной – с определённым набором свойств, таких как константы взаимодействий, характеристики частиц, значение космологической постоянной и так далее – возникает расширяющийся пузырёк новой вселенной (см. рис. 6.7) с новым набором физических свойств, после чего процесс продолжается.

Подобные туннелирования, являясь квантовыми процессами, обладают вероятностным характером. Нельзя предсказать, где и когда они произойдут. Но можно предсказать вероятность того, что туннелирование произойдёт в любом заданном интервале времени и в любом заданном направлении – вероятность этого зависит от конкретных свойств струнного ландшафта, таких как высоты различных вершин и долин (то есть значения соответствующих космологических постоянных). Более вероятные туннелирования происходят чаще, что находит отражение в возникающем распределении вселенных. Поэтому стратегия должна быть следующей: с помощью математического аппарата инфляционной космологии и теории струн попытаться вычислить распределение вселенных с различными физическими свойствами внутри ландшафтной мультивселенной.

Загвоздка в том, что до сих пор это никому не удавалось сделать. Струнный ландшафт в том виде, как мы его сейчас понимаем, обладает необъятным количеством вершин и долин, поэтому вычислить свойства возникающей мультивселенной является невероятно трудной математической задачей. Пионерские работы космологов и струнных теоретиков значительно расширили наше понимание, однако следует признать, что исследования в этой области всё ещё находятся на начальном уровне.^{62}

Чтобы продвинуться дальше, сторонники мультивселенной предлагают добавить в анализ ещё один важный компонент. Это учёт эффекта отбора, о котором говорилось в предыдущей главе – антропного принципа.

III. Предсказания в мультивселенной: Антропный принцип

Многие вселенные в заданной мультивселенной обречены на безжизненность. Как мы видели, причина в том, что при отклонении значений фундаментальных параметров от наблюдаемых значений разрушаются условия, благоприятствующие возникновению жизни.[45]45
  Важно сделать оговорку, что хотя последствия небольших изменений нескольких констант можно достоверно просчитать, более значительные изменения значений большего числа констант значительно усложняют задачу. По крайней мере, нельзя исключить, что значительные отклонения разных фундаментальных констант скомпенсируют друг друга, или приведут к новым эффектам и таким образом окажутся совместимы с жизнью в обычном для нас виде.


[Закрыть] Сам факт нашего существования означает, что мы никогда не сможем оказаться в любой из таких безжизненных областей, и поэтому нечего дальше объяснять, почему мы не видим свойственную им комбинацию параметров. Если есть некий вариант мультивселенной, из которого гарантированно следует существование единственной вселенной с благоприятными условиями для возникновения жизни, то нам повезло. Мы сможем математически вывести свойства такой вселенной. Если они отличаются от измеряемых свойств нашей Вселенной, то этот вариант мультивселенной будет отброшен. Если же полученные свойства согласуются с нашими, это станет впечатляющим подтверждением антропного подхода, а также приведёт к неимоверному расширению существующей картины мира.

В более правдоподобном случае, когда вселенная с благоприятными условиями для возникновения жизни не является единственной, ряд теоретиков (таких как Стивен Вайнберг, Андрей Линде, Александр Виленкин, Джордж Эфстатиу и многие другие) ратуют за расширенный статистический подход. Вместо вычисления относительного соотношения разных вселенных в рамках мультивселенной, они предлагают вычислить число их обитателей – физики обычно называют их наблюдателями, – которые могли бы оказаться в той или иной вселенной. В некоторых вселенных условия вряд ли совместимы с жизнью, поэтому наблюдателей там будет немного, подобно случайному кактусу в безжизненной пустыне; вселенные с более благоприятными условиями будут изобиловать наблюдателями. Идея в том, что подобно тому как на основе данных по переписи собак можно предсказать, какая собака нам встретится сегодня, на основе данных по переписи наблюдателей можно предсказывать свойства, которые типичный житель мультивселенной – например, вы и я, согласно логике этого подхода, – ожидает увидеть.

Конкретный пример был проанализирован в 1997 году Вайнбергом и его соавторами Хьюго Мартелом и Полем Шапиро. Рассмотрев мультивселенную с космологической постоянной, варьирующейся от одной вселенной к другой, они вычислили, насколько возможной будет жизнь в каждой из них. Эта трудная задача поддалась решению при помощи трюка, предложенного Вайнбергом (см. главу 6): вместо жизни как таковой надо рассматривать образование галактик. Чем больше галактик, тем больше планетарных систем и, следовательно, согласно исходному предположению, бо́льшая вероятность жизни, например, разумной жизни. Тогда, как выяснил в 1987 году Вайнберг, даже совсем крошечная космологическая постоянная порождает достаточное гравитационное отталкивание, способное нарушить образование галактик, поэтому имеет смысл рассматривать лишь те области мультивселенной, в которых космологическая постоянная достаточно мала. Отрицательная космологическая постоянная соответствует вселенным, которые схлопываются прежде, чем успевают образоваться галактики, поэтому подобными областями мультивселенной также можно пренебречь. Таким образом, антропный принцип фокусирует наше внимание на части мультивселенной с очень узким диапазоном значений космологической постоянной; как обсуждалось в главе 6, вычисления показывают, что если в заданной вселенной имеются галактики, то её космологическая постоянная не должна превосходить приблизительно двухсоткратную критическую плотность (что эквивалентно по массе примерно 10⁻²⁷ грамма на кубический сантиметр пространства, или что составляет примерно 10⁻¹²¹ в планковских единицах).[46]46
  Более точно, если космологическая постоянная отрицательна и достаточно мала, процесс схлопывания будет продолжаться достаточно долго для того, чтобы смогли образоваться галактики. Простоты ради, мы будем игнорировать эту тонкость.


[Закрыть]

Для вселенных, космологическая постоянная которых находится в этих пределах, Вайнберг, Мартел и Шапиро провели более подробные вычисления. Они выяснили, какая доля материи в каждой такой вселенной будет слипаться в сгустки в течение космологической эволюции, что является ключевым шагом на пути образования галактик. Они обнаружили, что если значение космологической постоянной находится очень близко к верхней границе допустимого диапазона, будет образовываться сравнительно немного сгустков материи, потому что отталкивающее действие космологической постоянной будет проявляться подобно сильному ветру, разгоняющему сгустки пыли. Если же значение космологической постоянной находится вблизи нижней границы допустимого диапазона, то есть нуля, то может возникнуть значительное количество сгустков материи, потому что разрушительное влияние космологической постоянной минимизировано. Это означает, что с высокой долей вероятности вы окажетесь во вселенной, космологическая постоянная которой почти равна нулю, так как подобные вселенные содержат большое количество галактик, а потому, следуя логике этого подхода, велик шанс возникновения жизни. Есть совсем небольшая вероятность оказаться во вселенной с космологической постоянной вблизи верхней границы допустимого диапазона значений, что составляет примерно 10⁻¹²¹, ибо такие вселенные населены небольшим количеством галактик. И существует некая скромная вероятность того, что вы окажетесь во вселенной с промежуточной космологической постоянной между двумя крайними значениями.

Используя количественные данные этих результатов, Вайнберг и его соавторы рассчитали космический аналог встречи с 27-килограммовым лабрадором во время обычной прогулки по району, то есть они вычислили значение космологической постоянной, каким оно видится среднестатистическому наблюдателю мультивселенной. И каким был ответ? Чуть больше найденного в измерениях по сверхновым, но примерно того же порядка. Они оценили, что примерно от 1 из 10 до 1 из 20 обитателей мультивселенной будут ощущать примерно то же, что и мы, измеряя при этом значение космологической постоянной в их вселенных, равное 10⁻¹²³.

И хотя нам бы хотелось видеть более высокий процент, полученный результат всё равно впечатляет. До этих вычислений несоответствие между теорией и экспериментом составляло примерно 120 порядков величины, что, несомненно, указывало на громадный провал в наших знаниях. Однако подход Вайнберга и его соавторов продемонстрировал, что оказаться во вселенной с космологической постоянной, значение которой сопоставимо с измеряемым нами, не более удивительно, грубо говоря, чем натолкнуться на ши-тцу в районе, где преобладают лабрадоры. Иными словами, совсем не удивительно. Мы можем утверждать, что в рамках мультивселенного подхода то значение космологической постоянной, что мы наблюдаем, никак нельзя рассматривать как свидетельство нашего глубокого непонимания, а это громадный шаг вперёд.

Однако более детальный анализ выявил интересные тонкости, которые некоторые склонны рассматривать как слабое место этого результата. Ради простоты Вайнберг и его соавторы полагали, что в мультивселенной только значение космологической постоянной варьируется от вселенной ко вселенной; другие физические параметры считались фиксированными. Макс Тегмарк и Мартин Риз заметили, что если рассмотреть вариации не только значений космологической постоянной, но и, скажем, вариации размера исходных квантовых флуктуаций от вселенной ко вселенной, то конечный ответ будет другим. Напомним, что такие флуктуации являются первичными зёрнышками, из которых возникнут галактики: крохотные квантовые колебания, растянутые инфляцией, приводят к случайному набору областей, плотность вещества в которых чуть выше или чуть ниже среднего значения. Области с высокой плотностью сильнее притягивают материю по соседству, поэтому растут ещё быстрее, превращаясь в конце концов в галактики. Тегмарк и Риз указали, что первичные зёрнышки вещества легче противостоят гравитационному отталкиванию, порождаемому космологической постоянной, подобно тому как большая куча листьев лучше противостоит напорам ветра. Таким образом, мультивселенная, в которой варьируются как размеры первичных зёрнышек, так и значения космологической постоянной, будет содержать вселенные, в которых большие значения космологической постоянной окажутся скомпенсированы большим размером первичных зёрнышек; такая комбинация будет совместима с образованием галактик и, следовательно, – с жизнью как таковой. В мультивселенной такого сорта типичный наблюдатель увидит увеличенное значение космологической постоянной, что в свою очередь приводит к уменьшению – скорее всего, резкому – доли наблюдателей, которые обнаружат, что их космологическая постоянная так же мала, как наша собственная.

Преданные сторонники мультивселенной ссылаются на результат, полученный Вайнбергом и его соавторами, как на большой успех антропного принципа. А противники парируют результатами, полученными Тегмарком и Ризом и принижающими весомость антропных доводов. На самом деле, споры пока преждевременны. Это всё в высшей степени предварительные и пробные вычисления, которые в лучшем случае дают повод задуматься над самим антропным принципом. При определённых ограничениях из них следует, что антропный подход позволяет уложиться в диапазон измеряемых значений космологической постоянной; но стоит немножко ослабить эти ограничения, и вычисления мгновенно приводят к существенному росту диапазона допустимых значений. Такая чувствительность означает, что для более подробных вычислений в теории с мультивселенной потребуется более точное понимание характеристик составляющих вселенных и того, как они варьируются, что должно в конце концов привести к замене произвольных допущений чёткими теоретическими указаниями. Всё это очень важно для того, чтобы теория мультивселенной позволяла сделать определённые предсказания.

Учёные упорно трудятся над достижением этой цели, однако им предстоит ещё много чего преодолеть.^{63}