Текст книги "Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса"
Автор книги: Брайан Грин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 38 страниц)
Космический порядок
Обсуждение параллельных вселенных в большой степени умозрительно. Нет никаких экспериментов или наблюдений, свидетельствующих о том, что какой-либо из вариантов этой идеи реализуется в природе. Поэтому при написании этой книги я не ставил перед собой задачу убедить вас, что мы – часть мультивселенной. Я не убеждён (и, вообще говоря, никто не обязан быть убеждённым) ни в чём, что не подкреплено надёжными данными. В то же время я нахожу одновременно занятным и интригующим тот факт, что многие направления развития физики, если следовать по ним достаточно далеко, упираются в ту или иную вариацию на тему параллельных вселенных. Не то чтобы физики стояли наготове с мультиверсными сетями, отлавливая любую проходящую мимо теорию, которую можно с грехом пополам втиснуть в парадигму параллельных вселенных. Вовсе нет: все гипотезы о параллельных вселенных, которые мы принимаем всерьёз, пришли к нам непрошеными гостями из математических выкладок тех теорий, которые разрабатывались для объяснения вполне традиционных данных и наблюдений.
Моё намерение, таким образом, состоит в том, чтобы ясно и сжато описать те интеллектуальные шаги и цепочки теоретических озарений, которые вынудили физиков с разных точек зрения рассматривать возможность того, что наша Вселенная – лишь одна из многих. Я хочу, чтобы вы увидели, как эта поразительная возможность возникает не в безудержных фантазиях вроде моих детских отражательных иллюзий, а в современных научных исследованиях. Я хочу показать, как некоторые сбивающие с толку результаты наблюдений могут стать совершенно понятными в контексте той или иной конструкции параллельных вселенных; вместе с тем я опишу не решённые до сих пор критические вопросы, которые удерживают нас от того, чтобы в полной мере принять такие объяснения. Моя цель состоит в том, чтобы к последней странице этой книги ваша точка зрения на возможное, ваше представление о том, в какой степени границы реальности могут быть однажды полностью пересмотрены благодаря уже идущим научным исследованиям, стали более насыщенными и яркими.
Некоторых людей пугает одно лишь упоминание о параллельных мирах; им кажется, что если мы вдруг окажемся частью мультивселенной, наше значение и наше место в космосе станут ничтожными. У меня иной взгляд на вещи. Я не нахожу особой доблести в том, чтобы измерять нашу значимость относительной плотностью. Скорее радость быть человеком, восторг от занятий научной деятельностью возникают благодаря нашей способности применять аналитическое мышление, чтобы охватить безбрежные пространства, проникнуть во внешние и внутренние области реальности и – если подтвердятся какие-то из идей, изложенных в этой книге, – возможно, даже выйти за границы нашей Вселенной. На мой взгляд, именно то, что мы, затерянные посреди чернильно-чёрной тишины холодного и равнодушного космоса, обладаем таким глубоким пониманием, и есть знак нашего присутствия, отражённый необъятными просторами реальности.
Глава 2. Бесконечные двойники
Лоскутная мультивселенная
Если бы вы отправились в космос, забираясь всё глубже и глубже, что бы вы обнаружили – что пространство тянется бесконечно или же где-то внезапно заканчивается? Или, может быть, вы описали бы круг и вернулись в начальную точку, подобно сэру Фрэнсису Дрейку, совершившему кругосветное плавание? Обе эти возможности – космос бесконечно протяжённый и космос громадный, но конечный – находятся в согласии со всеми нашими наблюдениями, и ведущие учёные на протяжении последних десятилетий энергично исследовали каждую из них. Однако несмотря на столь пристальное изучение, если Вселенная бесконечна, то из этого следует один захватывающий вывод, который был обойдён должным вниманием.
Где-то в отдалённом уголке бесконечного космоса есть галактика, которая выглядит в точности как Млечный Путь, в которой есть солнечная система, как две капли воды похожая на нашу, с планетой, которая является вылитой копией Земли, на которой стоит дом, неотличимый от вашего, в котором живёт кто-то, абсолютно похожий на вас, и он прямо сейчас читает точно такую же книгу и представляет себе вас, затерянного где-то в далёкой галактике и только что добравшегося до конца этой фразы. И такая копия не одна. В бесконечной Вселенной их бесконечно много. В каких-то ваш двойник сейчас читает это предложение вместе с вами. В других он перескочил вперёд или же отложил книгу, чтобы подкрепиться. Ещё где-то жизнь у него сложилась далеко не так удачно, и вы вряд ли захотели бы встретиться с ним в тёмном переулке.
И вы никогда не встретитесь. Эти копии обитают в настолько далёких друг от друга областях, что даже у луча света, начавшего своё путешествие в момент Большого взрыва, не хватило бы времени пересечь разделяющее их пространство. Но даже не имея возможности наблюдать эти далёкие области, мы понимаем: из ключевых физических принципов вытекает, что бесконечно большой космос является вместилищем для бесконечного числа параллельных миров – какие-то из них идентичны нашему, какие-то отличаются, а какие-то вовсе на него не похожи.
На пути к этим параллельным мирам мы должны сначала в общих чертах выстроить каркас космологии – научной теории о происхождении и эволюции космоса как целого.
Приступим.
Отец Большого взрыва
«Ваши математические выкладки корректны, но ваши физические выводы чудовищны». Сольвеевский конгресс по физике 1927 года был в самом разгаре, когда этими словами Альберт Эйнштейн встретил сообщение бельгийца Жоржа Леметра о том, что уравнения общей теории относительности, которые Эйнштейн опубликовал десятилетием раньше, влекут за собой драматическую перекройку истории творения. Согласно вычислениям Леметра, начало Вселенной положила крошечная пылинка немыслимой плотности («первородный атом», как он её назвал), которая на протяжении долгого времени разрасталась, чтобы превратиться в наблюдаемый нами космос.
На фоне десятков именитых физиков, которые, вместе с Эйнштейном, собрались на неделю в брюссельском отеле «Метрополь» для интенсивных дебатов о квантовой теории, Леметр был довольно необычной фигурой. К 1923 году он не только закончил работу над докторской диссертацией, но также завершил своё обучение в семинарии Сен-Ромбо и был посвящён в духовный сан ордена иезуитов. Во время перерыва между выступлениями Леметр, в пасторском воротнике, подошёл к человеку, чьи уравнения, как он считал, были основой новой научной теории происхождения космоса. Эйнштейн знал о теории Леметра, несколькими месяцами раньше прочёл его статью на эту тему и не смог найти никакого изъяна в его манипуляциях с уравнениями общей теории относительности. На самом деле Леметр был не первым, кто показал Эйнштейну этот результат. В 1921 году русский математик и метеоролог Александр Фридман нашёл класс решений уравнений Эйнштейна, описывающий вселенную, растущую благодаря расширению пространства. Вначале Эйнштейн отверг эти решения, считая их ошибочными. Позже он признал, что был не прав, и взял свои слова назад. Однако он не желал быть заложником математиков и попытался исправить свои уравнения, руководствуясь интуитивным представлением о том, каким должен быть космос, и опираясь на свою глубоко укоренившуюся веру в то, что вселенная вечна и на больших масштабах статична и неизменна. Вселенная, – убеждал Леметра Эйнштейн, – не расширяется и никогда не расширялась.
Шестью годами позже на семинаре в обсерватории Маунт-Вильсон Эйнштейн внимательно выслушал, как Леметр излагает более подробный вариант своей теории о том, что Вселенная началась с первичной вспышки, а галактики были тлеющими углями этой вспышки в разливающемся море пространства. Когда семинар подошёл к концу, Эйнштейн встал и объявил, что теория Леметра – это «самое прекрасное и убедительное объяснение творения», которое ему когда-либо доводилось слышать.{2} Самый знаменитый физик склонился к тому, чтобы изменить своё мнение о самой интригующей тайне. Хотя широкой публике имя Леметра ни о чём не говорит, среди учёных он известен как отец Большого взрыва.
Общая теория относительности
Космологические теории, разработанные Фридманом и Леметром, опираются на работу Эйнштейна, отправленную в немецкий журнал «Annalen der Physik» 25 ноября 1915 года. Эта статья подводила итог примерно десятилетней математической одиссеи, а представленному в ней результату – общей теории относительности – суждено было стать наиболее целостным научным достижением Эйнштейна, влекущим за собой чрезвычайно глубокие следствия. В своей теории Эйнштейн задействовал элегантный геометрический язык, чтобы переосмыслить наши представления о гравитации. Если вы уже знакомы с основными положениями этой теории и её космологическими следствиями, можете спокойно пропустить три следующих раздела. Если же вам нужно освежить в памяти основные моменты, давайте вместе пойдём дальше.
Эйнштейн начал работу над общей теорией относительности примерно в 1907 году – в то время, когда большинство учёных считали, что гравитация давным-давно получила объяснение в трудах Исаака Ньютона. Во всём мире студентов год за годом учили, что в конце XVII века Ньютон сформулировал так называемый закон всемирного тяготения, который стал первым математическим описанием этой наиболее известной силы природы. Закон Ньютона настолько точен, что инженеры НАСА до сих пор используют его при расчёте траекторий космических кораблей, а астрономы с его помощью предсказывают поведение комет, звёзд и даже целых галактик.{3}
Эта поразительная эффективность тем более стоит упоминания, что, как осознал в начале XX века Эйнштейн, ньютоновский закон тяготения содержит глубокий изъян. Обманчиво наивный вопрос, который задал себе Эйнштейн, обнажает это со всей очевидностью: как действует гравитация? Каким образом, к примеру, Солнце сквозь 150 миллионов километров практически пустого пространства дотягивается до Земли, чтобы повлиять на её движение? Они не связаны друг с другом никакой верёвкой, их не соединяет никакая цепь – так посредством чего распространяется гравитационное влияние?
Публикуя в 1687 году свои «Математические начала натуральной философии», Ньютон отдавал себе отчёт в важности этого вопроса, но признавал, что закон всемирного тяготения обходит его тревожным молчанием. Ньютон был уверен, что должно быть нечто, передающее гравитационное воздействие от места к месту, но не мог определённо сказать, что это. В «Началах» он иронично оставил этот вопрос «на усмотрение читателя» – и на протяжении более чем двух столетий те, кто читал эти бросающие вызов слова, просто продолжали чтение дальше. Эйнштейн не смог так поступить.
Добрую половину десятилетия Эйнштейн был занят поисками механизма, лежащего в основе тяготения; в 1915 году он предложил ответ. Хотя этот ответ опирался на изощрённую математику и требовал невиданных в истории физики концептуальных пируэтов, ему был присущ тот же дух простоты, что и исходному вопросу. Посредством какого процесса гравитация распространяет своё влияние в пустом пространстве? Кажется, что пустота пустого пространства оставляет нас с пустыми руками. Однако на самом деле в пустом пространстве всё же кое-что есть: само пространство. Это подтолкнуло Эйнштейна к мысли о том, что пространство как таковое может быть посредником, передающим гравитационные силы.
Идея состоит в следующем. Представьте себе мраморный шарик, который катится по большому металлическому столу. Поскольку поверхность стола плоская, шарик будет катиться по прямой линии. Но если стол будет внезапно охвачен огнём, который заставит его вздуваться и изгибаться, траектория шарика изменится, потому что его будет направлять скрученная и вздыбившаяся поверхность стола. Эйнштейн утверждал, что сходную идею можно применить к структуре пространства. Совершенно пустое пространство напоминает плоский стол – оно позволяет объектам беспрепятственно двигаться по прямой. Но присутствие массивных тел влияет на форму пространства, подобно тому как жар пламени влияет на поверхность стола. Солнце, например, создаёт поблизости от себя изгиб, похожий на пузырь, вздувшийся на раскалённом столе. И так же как искривлённая поверхность стола заставляет шарик двигаться по кривой, искривлённая форма пространства вокруг Солнца ведёт Землю и другие планеты по их орбитам.
В этом кратком описании опущены некоторые существенные детали. Искривляется не только пространство, но и время (это называется кривизной пространства-времени); сила притяжения Земли помогает столу влиять на шарик, поскольку прижимает его к поверхности стола (Эйнштейн отстаивал идею, что искривлениям в пространстве и времени не нужен помощник, потому что они сами и есть гравитация); пространство трёхмерно, и когда оно искривляется, то становится искривлённым со всех сторон вокруг объекта, а не только «под» ним, как в аналогии со столом. Тем не менее метафора искривлённого стола отражает суть того, что предложил Эйнштейн. До Эйнштейна гравитация была таинственной силой, которая каким-то образом передаётся через пространство от одного тела к другому. После Эйнштейна под гравитацией стали понимать искажения окружающего пространства, создаваемые одним объектом и направляющие движение других. В соответствии с этой идеей вы здесь и сейчас прижаты к полу, потому что ваше тело стремится соскользнуть в пространственное (на самом деле пространственно-временное) углубление, созданное Землёй.[1]1
Изобразить искривлённое пространство легче, чем искривлённое время, поэтому во многих популярных изложениях теории гравитации Эйнштейна внимание уделяют только первому. Однако в действительности основной вклад в притяжение хорошо известных нам объектов, таких как Земля и Солнце, вносит кривизна времени, а не пространства. В качестве иллюстрации представьте себе двое часов: одни у земной поверхности, а вторые – на верхнем этаже Эмпайр-стейт-билдинг. Поскольку те часы, которые находятся внизу, расположены ближе к центру Земли, на них действует более мощная сила притяжения, чем на часы, которые размещены высоко над Манхэттеном. Общая теория относительности указывает, что из-за этого скорость течения времени для тех и других часов будет слегка различной: нижние часы будут идти чуть медленнее (на несколько миллиардных долей секунды в год), чем часы на высоте. Эта нестыковка во времени является примером того, что мы имеем в виду, когда говорим об искривлённом времени. Общая теория относительности утверждает, что объекты двигаются в те области пространства, где время течёт медленнее, – в каком-то смысле все объекты «хотят» стареть как можно медленнее. С точки зрения Эйнштейна, это объясняет, почему любой объект падает, когда вы его отпускаете.
[Закрыть]
Эйнштейн потратил годы на то, чтобы оформить эту идею в виде строгого математического каркаса, и возникшие в результате полевые уравнения Эйнштейна – ядро его общей теории относительности – рассказывают нам, как в точности искривляются пространство и время в присутствии заданного количества материи (более точно – материи и энергии; в соответствии с эйнштейновской формулой E = mc2, где E – это энергия, а m – масса, эти две величины взаимозаменяемы).{4} С той же точностью эта теория описывает, как такая кривизна пространства-времени повлияет на движение чего угодно – звезды, планеты, кометы, самого луча света, – движущегося через него; это позволяет физикам делать детальные предсказания о движении космических объектов.
Свидетельства, подтверждающие общую теорию относительности, не заставили себя ждать. Астрономам давно было известно, что движение Меркурия по орбите вокруг Солнца несколько отклоняется от предсказаний ньютоновской математики. В 1915 году Эйнштейн применил свои уравнения для того, чтобы заново рассчитать траекторию Меркурия, и смог объяснить расхождения; как он сказал позже своему коллеге Адриану Фоккеру, этот момент был настолько волнующим, что он несколько часов не мог унять сердцебиение. Затем в 1919 году астрономические наблюдения, организованные Артуром Эддингтоном и его коллегами, показали, что свет далёких звёзд, по дороге к Земле проходящий вблизи Солнца, следует по кривой в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности.{5} Вместе с этим подтверждением (и заголовком на первой полосе «Нью-Йорк Таймс», гласившим: «ВЕСЬ СВЕТ В НЕБЕСАХ ИСКРИВЛЯЕТСЯ – УЧЁНЫЙ МИР ВЗБУДОРАЖЕН») к Эйнштейну пришла всемирная известность – в нём увидели нового мирового научного гения и прямого наследника Исаака Ньютона.
Однако самые впечатляющие проверки общей теории относительности были ещё впереди. В 1970-х годах эксперименты с часами на основе водородного мазера (мазеры подобны лазерам, но действуют в микроволновой части спектра) подтвердили предсказанное теорией искривление пространства-времени вблизи Земли с отклонением не более чем на 1/15 000. В 2003 году для детального изучения траектории радиоволн, проходящих вблизи Солнца, был использован космический аппарат «Кассини-Гюйгенс»; собранные данные соответствуют картине искривления пространства-времени, предсказанной общей теорией относительности, с отклонением не более 1/50 000. А сейчас, как и должно происходить с теорией, достигшей истинной зрелости, доказательства общей теории относительности многие из нас держат буквально в руках: счётчики времени спутников системы глобального позиционирования, к услугам которой вы обращаетесь с помощью своих смартфонов, регулярно делают поправку на кривизну пространства-времени на своей орбите вокруг Земли. Если бы они это не учитывали, указанные ими значения пространственного положения довольно быстро стали бы неточными. То, что в 1916 году было набором абстрактных уравнений, предложенных Эйнштейном в качестве нового описания пространства, времени и гравитации, сегодня привычно используется устройством, которое помещается у вас в кармане.
Вселенная и чашка чая
Эйнштейн вдохнул жизнь в пространство-время. Он бросил вызов тысячелетней интуиции, основанной на повседневном опыте и считавшей пространство и время лишь неизменной декорацией спектакля. Кто бы мог вообразить, что пространство-время способно скручиваться и изгибаться, становясь невидимым балетмейстером космического движения? Эйнштейн представил себе этот революционный танец, а наблюдения подтвердили его правоту. Но вскоре он сам был сбит с толку старыми, хотя и безосновательными предубеждениями.
В течение года после публикации своей общей теории относительности Эйнштейн изучал её применение к самому масштабному объекту – космосу в целом. Может показаться, что это ошеломительная задача, однако искусство теоретической физики состоит в упрощении ужасающе сложных вещей таким образом, чтобы сделать их поддающимися анализу, сохранив при этом важные физические черты. Это искусство игнорирования. Посредством так называемого космологического принципа Эйнштейн выстроил упрощённый теоретический каркас, который лёг в основу теоретической космологии как науки и искусства.
Космологический принцип состоит в утверждении, что вселенная, рассматриваемая на больших масштабах, предстанет перед наблюдателем однородной. Представьте себе чашку с чаем. На микроскопическом уровне чай в значительной степени неоднороден: здесь молекулы H2O, тут немного пустого пространства, там чуть-чуть молекул полифенола и танина, ещё пустое пространство и так далее. Но на макроскопическом уровне, доступном невооружённому глазу, мы увидим однородный красно-коричневый напиток. Эйнштейн был убеждён в том, что Вселенная в этом смысле напоминает чашку чая. Те отклонения, которые мы видим, – Земля здесь, потом немного пустого пространства, Луна там, ещё немного пространства, за ним Венера, Меркурий, ещё клочки пустоты, а дальше Солнце, – всё это мелкомасштабные неоднородности. Он предположил, что в космологических масштабах этими отклонениями можно пренебречь, потому что, как и ваш чай, в среднем они образуют нечто однородное.
Во времена Эйнштейна свидетельства в поддержку космологического принципа были в лучшем случае призрачными (а вопрос о других галактиках ещё даже не стоял), но им руководило мощное интуитивное чувство, говорившее, что в космосе нет какого-либо особого выделенного места. Он ощущал, что в среднем любая область вселенной должна быть равноправной с другими и иметь в значительной степени идентичные общие физические свойства. За прошедшие годы астрономические наблюдения дали нам большое количество данных, подтверждающих космологический принцип – но только если рассматривать пространство в масштабах по крайней мере сотен миллионов световых лет (это примерно тысячекратная длина Млечного Пути). Если вы возьмёте коробку, каждая сторона которой имеет длину сто миллионов световых лет, и бросите её где-нибудь тут, возьмёте другую такую же коробку и оставите её где-нибудь там (скажем, в миллиарде световых лет отсюда), а затем измерите средние значения общих физических характеристик внутри каждой коробки – среднее число галактик, среднее количество материи, среднюю температуру и так далее, – вы увидите, что эти коробки трудно отличить друг от друга. Короче говоря, если вы видели один кусок космоса размером сто миллионов световых лет, то вы видели их все.
Такая однородность критически необходима, чтобы можно было применить уравнения общей теории относительности к вселенной в целом. Чтобы понять, почему это так, вообразите прекрасный, ровный, гладкий пляж и представьте себе, что я прошу вас описать его свойство в малом масштабе – то есть по сути свойства каждой-каждой песчинки. Вы воспротивитесь: задача слишком объёмна. Но если я попрошу описать только общие черты пляжа (такие, как средний вес песка на кубический метр, средняя отражательная способность поверхности в расчёте на квадратный метр и тому подобное), задача станет реально выполнимой. И выполнимой её делает именно однородность пляжа. Измерьте средний вес, температуру, отражательную способность песка где-нибудь в одном месте – и готово. Измерения в других местах дадут по существу такие же результаты. То же верно и для однородной вселенной. Описать каждую планету, звезду и галактику – задача безнадёжная, но дать усреднённое описание свойств однородного космоса – цель несравнимо более простая, и с появлением общей теории относительности она стала вполне достижимой.
Вот каким образом это происходит. Содержимое большого объёма пространства в целом характеризуется тем, как много «всякой всячины» содержит этот объём; более точно, речь идёт о плотности материи, а ещё точнее – о плотности материи и энергии в этом объёме. Уравнения общей теории относительности описывают, как эта плотность меняется с течением времени. Однако без привлечения космологического принципа эти уравнения безнадёжно сложны для анализа. Их десять, а поскольку каждое из них хитроумно связано с другими, то вместе они образуют весьма тугой математический гордиев узел. К счастью, Эйнштейн обнаружил, что в приложении к однородной вселенной математическая задача упрощается: набор из десяти уравнений становится избыточным и сводится по сути дела к одному уравнению. Космологический принцип позволяет разрубить гордиев узел, устранив математическую сложность и сведя анализ распределения материи и энергии в космосе к решению единственного уравнения (вы найдёте его в примечаниях).{6}
Не столь удачной, на взгляд Эйнштейна, оказалась другая находка: при изучении этого уравнения он обнаружил нечто неожиданное и для него неприемлемое. Среди учёных и философов того времени преобладала точка зрения, согласно которой в крупном масштабе вселенная не только однородна, но и неизменна. Подобно тому как быстрое движение молекул в вашем чае, будучи усреднённым, формирует жидкость, которая выглядит статичной, перемещения астрономических тел (такие как вращение планет по орбите вокруг Солнца и движение самого Солнца вокруг ядра галактики) при усреднении дают нам картину в целом неизменного космоса. Эйнштейн, который был приверженцем такого взгляда на космос, испытал ужас, когда обнаружил, что эта картина не стыкуется с уравнениями общей теории относительности. Математика указывала на то, что плотность материи и энергии не может оставаться неизменной с течением времени. Она либо растёт, либо уменьшается, но не может быть постоянной.
Хотя математические выкладки, ведущие к такому заключению, являются довольно изощрёнными, стоящая за ними физическая картина весьма проста. Представьте себе траекторию бейсбольного меча, летящего с основной базы к центру поля. Сперва он взмывает вверх, затем замедляется, достигает высшей точки и, наконец, летит вниз. Мяч не парит в воздухе, как воздушный шар, потому что гравитация, будучи силой притяжения и действуя в одном направлении, притягивает мяч к земной поверхности. Статическая ситуация – как ничья в перетягивании каната – требует действия равных и противоположно направленных сил, которые сводят друг друга на нет. В случае воздушного шара сила, направленная вверх и противодействующая силе притяжения, порождается давлением воздуха (воздушный шар наполнен гелием, который легче воздуха); на бейсбольный мяч над землёй не действует никакая сила, противоположная гравитации (на движущийся мяч воздействует сопротивление воздуха, но в статической ситуации оно не играет никакой роли), и потому мяч не может сохранять своё положение.
Эйнштейн обнаружил, что вселенная ведёт себя скорее как мяч, а не как воздушный шар. Поскольку нет никакой внешней силы, противодействующей гравитации, общая теория относительности показывает, что вселенная не может быть статичной. Ткань пространства или растягивается, или сжимается, но не может оставаться неизменной. Область пространства, которая сегодня имеет размер сто миллионов световых лет, завтра будет другого размера. Она или вырастет, и тогда плотность материи в ней станет ниже (то есть материя будет более свободно распределена по большему объёму), или сократится, и тогда плотность материи возрастёт (материя будет более тесно размещена в меньшем объёме).{7}
Эйнштейн был обескуражен. Согласно формулам общей теории относительности, вселенная в больших масштабах оказалась меняющейся, поскольку изменчивой была самая её основа – пространство. Картина вечного и статичного космоса, которую ожидал увидеть Эйнштейн, отсутствовала. Он, заложивший основы космологии как науки, был глубоко расстроен тем, куда привела его математика.
