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

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 27 (всего у книги 38 страниц)

Кода: будущее теории струн

Научные достижения, рассмотренные нами в этой главе, далеко выходят за рамки теории струн. Мы начали с идеи Уилера, что нашу Вселенную следует анализировать в терминах информации, потом мы увидели, что энтропия есть мера скрытой информации, затем мы поняли, что второй закон термодинамики мирно уживается с чёрными дырами, после чего осознали, что чёрные дыры хранят энтропию на поверхности горизонта, а также максимизируют количество информации, способной находиться в заданной области пространства-времени, – мы прошли извилистый путь сквозь многие десятилетия и познакомились с набором нетривиальных результатов. Этот процесс был наполнен замечательными открытиями и привёл нас к новой объединяющей идее – голографическому принципу. Этот принцип, как мы видели, предполагает, что наблюдаемые нами явления являются отражением происходящего на тонкой удалённой ограничивающей поверхности. Заглядывая в будущее, я ожидаю, что голографический принцип останется путеводной звездой для физиков в XXI столетии.

То что теория струн охватывает голографический принцип и даёт конкретные примеры голографических параллельных миров, демонстрирует, как сочетание передовых идей приводит к получению новых ярких результатов. То что эти примеры задали основу для явных вычислений, часть из которых могут быть сопоставлены с экспериментальными данными, является важным шагом на пути установления связи с окружающей нас реальностью. Однако внутри самой теории струн имеется более общий контекст, в рамках которого следует рассматривать эти результаты.

На протяжении почти тридцати лет после открытия теории струн физикам не хватало полного математического определения теории. В самом начале струнные теоретики выдвинули важные идеи о вибрирующих струнах и дополнительных измерениях, но даже спустя десятилетия активных разработок математические основания теории остаются приближёнными и, следовательно, неполными. Открытие Малдасены является выдающимся достижением на этом пути. Модели квантовой теории поля, которые, согласно Малдасене, живут на границе, активно изучались физиками с середины XX века и относятся к категории теорий элементарных частиц, хорошо понятых с математической точки зрения. Туда не входит гравитация и это большой плюс, поскольку мы видели, что непосредственная попытка совместить общую теорию относительности и квантовую теорию поля подобна разведению костра на пороховой фабрике. Теперь мы понимаем, что эта математически дружелюбная, негравитационная теория поля голографически порождает теорию струн – теорию с гравитацией. Живя по своим законам на границе вселенной специальной формы (рис. 9.5), эта квантовая теория поля охватывает все физические свойства, процессы и взаимодействия движущихся в объёме струн, и эта связь явно устанавливается с помощью словаря, переводящего явления из одной теории на язык другой. Поскольку у нас есть твёрдое математическое определение граничной квантовой теории, то его можно использовать как математическое определение теории струн, по крайней мере для струн, движущихся внутри этого пространства-времени. Таким образом, голографические параллельные вселенные могут стать чем-то бо́льшим, нежели просто следствием фундаментальных законов; они могут стать частью самого определения фундаментальных законов.^{92}

Когда я знакомил вас с теорией струн в главе 4, я отметил, что она является достойным претендентом на роль новой теории, которая объясняет фундаментальные законы природы, но при этом не отрицает предыдущие теории. Результаты, которые мы только что видели, поднимают это замечание на совершенно другой уровень. Теория струн не просто сводится к квантовой теории поля при определённых обстоятельствах. Гипотеза Малдасены говорит, что теория струн и квантовая теория поля являются эквивалентными подходами, но выраженными на разных языках. Переход между ними достаточно сложен и именно поэтому прошло более сорока лет, прежде чем эта взаимосвязь была обнаружена. Но если результаты Малдасены полностью верны, как на то указывают доступные нам данные, то теория струн и квантовая теория поля вполне могут оказаться двумя сторонами одной медали.

Физики упорно трудятся над обобщением этих идей, с тем чтобы их можно было применить к вселенным любой формы; если теория струн верна, то в них будет содержаться и наша Вселенная. Но даже при настоящих ограничениях, тот факт, что появилась надёжная формулировка теории, над которой мы работали много лет, является существенной основой для будущего прогресса. Этого вполне достаточно, чтобы вдохновить многих физиков петь и танцевать.

Глава 10. Вселенные, компьютеры и математическая реальность
Смоделированные мультивселенные и окончательная мультивселенная

Теории параллельных вселенных, рассмотренные в предыдущих главах, были основаны на математических законах, разработанных физиками в стремлении понять глубочайшие принципы устройства природы. Степень нашей веры в тот или иной свод законов весьма разнится – квантовая механика рассматривается как установленный факт; инфляционная космология имеет наблюдательную поддержку; теория струн в значительной степени умозрительна – в той же степени это верно и для типа и логической необходимости параллельных миров, ассоциированных с каждым из них. Но общий принцип ясен. Каждый раз, когда мы передаём управление математическому аппарату основных физических законов, мы вновь и вновь оказываемся в некоторой версии параллельных миров.

Теперь давайте пойдём другим путём. Что произойдёт, если мы возьмём управление в свои руки? Можем ли мы, люди, руководить космической эволюцией и по собственной воле создать вселенную, параллельную нашей собственной? Если вы, подобно мне, верите, что поведение живых существ определяется законами природы, то это можно считать не другим путём, а всего лишь сужением перспективы, когда действие физических законов рассматривается сквозь призму человеческого опыта. Такой способ мышления быстро приводит к болезненным вопросам, подобным стародавнему спору о детерминизме и свободе воли, и это не тот путь, котором я собираюсь пойти. Вопрос в другом: с тем же ощущением желания и контроля, что вы чувствуете, когда выбираете продукты или фильм, можете ли вы создать вселенную?

Вопрос звучит парадоксально. Так оно и есть. Должен вас предупредить, что задавая подобные вопросы, мы ступаем на почву ещё более зыбкую, чем прежде, и, если вспомнить, где мы уже прошли, это говорит о многом. Но позволим себе увлечься и посмотрим, куда мы придём. Итак, я очерчу дорогу, по которой мы последуем. Когда я рассуждаю о рождении вселенной, меня больше интересуют возможности, предоставляемые физическими законами, чем практические ограничения. Поэтому когда я говорю, что «вы» создаёте вселенную, то на самом деле я имею в виду вас, или ваших далёких потомков, или, возможно, армию таких потомков спустя тысячелетия. Эти настоящие или будущие люди также будут подчиняться законам физики, но при этом я буду считать, что в их распоряжении окажутся сколь угодно развитые технологии. Я также буду рассматривать рождение вселенных двух разных типов. Вселенные первого типа – это обычные вселенные, которые заключают в себе пространство и которые заполнены различными формами вещества и энергии. Вселенные второго типа не столь осязаемы: это виртуальные компьютерные вселенные. Данное обсуждение естественным образом установит связь с мультивселенными третьего типа. Эта разновидность вселенных не является следствием целенаправленных размышлений об образовании вселенных, а скорее здесь поднимается вопрос о том, «реальна» ли математика или она является порождением нашего разума.

Породить вселенную

Несмотря на то, что состав вселенной нам до конца неясен и есть много вопросов по поводу тёмной энергии или окончательного набора фундаментальных корпускулярных ингредиентов, учёные уверены, что если взвесить всё находящееся внутри нашего космического горизонта, то получится примерно 10 миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов грамм. Если содержимое будет весить значительно больше или меньше, то его гравитационное влияние на реликтовое излучение приведёт к тому, что пятна на рис. 3.4, будут больше или меньше, что войдёт в противоречие с современными измерениям их угловых размеров. Однако точный вес наблюдаемой вселенной вторичен; достаточно того, что он огромен. Настолько огромен, что мысль о нас, человеческих существах, создающих другой такой мир, видится крайне бессмысленной.

Опираясь на космологию Большого взрыва в качестве модели образования вселенной, мы не видим, как преодолеть эту трудность. В стандартной теории Большого взрыва наблюдаемая вселенная во всё более ранние времена имела всё меньший размер, но колоссальные значения вещества и энергии, которые мы теперь измеряем, присутствовали всегда; они были просто сжаты в меньшем объёме. Если вы хотите иметь вселенную подобную той, что мы сегодня наблюдаем, для начала необходимо обзавестись исходным материалом, масса и энергия которого совпадает с наблюдаемыми значениями. В теории Большого взрыва наличие такого исходного материала никак не объясняется, а рассматривается как данность.^{93}

Если кратко, то согласно инструкции по порождению вселенной типа нашей, следующей из теории Большого взрыва, требуется собрать гигантское количество массы и сжать её до фантастически малого размера. Однако, достигнув этого (что практически невозможно), мы столкнёмся с другой проблемой. Как инициировать взрыв? Данное затруднение становится ещё более серьёзным, если вспомнить, что Большой взрыв – это не взрыв, происходящий в статичной области пространства; Большой взрыв – это расширение пространства как такового.

Если бы теория Большого взрыва была вершиной космологической мысли, то научное изучение образования вселенной на этом бы и остановилось. Но это не так. Мы видели, что теория Большого взрыва дала дорогу более убедительной теории – инфляционной космологии, а инфляция предлагает стратегию дальнейшего развития. Мощный выброс расширяющегося пространства – характерная черта теории – задаёт взрыв в Большом взрыве, и действительно большой; согласно инфляционной теории, антигравитационная тяга приводит в движение расширение пространства. Столь же важным, как мы сейчас увидим, является то, что при инфляции огромное количество материи может возникнуть из очень скромных зёрнышек.

Вспомним из главы 3, что в инфляционном подходе вселенная, подобная нашей – дырка в космическом швейцарском сыре – образуется, когда значение инфлатона скатывается вниз по кривой потенциальной энергии, выплеснув феноменальную волну в окрестности нашего пузырька. При падении значения инфлатона содержащаяся в нём энергия трансформируется в газ частиц, равномерно заполняющий наш пузырёк-вселенную. Именно так образуется наблюдаемая материя. Налицо определённый прогресс в понимании, но возникает следующий вопрос: где источник энергии инфлатона?

Причина в гравитации. Вспомните, что инфляционное расширение очень похоже на репликацию вируса: поле инфлатона с большим значением заставляет расширяться область пространства, в которой он находится, при этом возникает всё более расширяющийся объём, который, в свою очередь, также заполняется полем инфлатона с большим значением. Поскольку однородное поле инфлатона приводит к постоянной энергии на единицу объёма, то чем больше заполняемый объём, тем больше энергии он содержит. Сила, подгоняющая расширение, – это отталкивающая гравитация, и поэтому гравитация является источником постоянно увеличивающейся энергии в данной области пространства.

Таким образом, можно считать, что инфляционная космология создаёт устойчивый энергетический поток от гравитационного поля к полю инфлатона. Такое объяснение может выглядеть как очередной уход от ответа на вопрос, откуда сама гравитация берёт свою энергию. Однако ситуация гораздо лучше. Гравитация отличается от других сил, потому что там, где имеется гравитация, там фактически неисчерпаемый резервуар энергии. Это известная идея, но выраженная на непривычном языке. Когда вы прыгаете с обрыва, ваша кинетическая энергия – энергия вашего движения – увеличивается. Гравитация – сила, заставляющая вас падать, – служит источником энергии. В любой реальной ситуации вы упадёте на землю, но в принципе можно падать бесконечно долго, кувыркаясь вниз по нескончаемой кроличьей норе, а кинетическая энергия будет постоянно расти. Причина, по которой гравитация служит источником такой неограниченной энергии, в том, что, подобно министерству финансов США, она не боится брать в долг. Во время падения ваша кинетическая энергия положительна и растёт, а гравитация компенсирует её своей растущей отрицательной энергией. Интуитивно вы понимаете, что гравитационная энергия отрицательна, потому что для того, чтобы выбраться из кроличьей норы, необходимо приложить положительную энергию – отталкиваться ногами, подтягиваться на руках; именно так вы отдаёте энергетический долг, который взяла гравитация.^{94}

Вывод по сути состоит в том, что во время быстрого расширения области пространства, заполненной инфлатоном, последний берёт энергию у неисчерпаемого гравитационного источника, что также приводит к быстрому увеличению энергии, содержащейся в данной области. Поскольку поле инфлатона поставляет энергию, которая затем перейдёт в обычную материю, инфляционная космология – в отличие от модели Большого взрыва – не нуждается в исходном материале для последующего образования планет, звёзд и галактик. Гравитация играет роль богатого покровителя материи во вселенной.

Единственное, в чём нуждается инфляционная космология, это независимый запас энергии для образования исходного инфляционного зёрнышка – маленькой сферической крупицы пространства, заполненной полем инфлатона с большим значением, которое запускает инфляционное расширение. Если обратиться к числам, то уравнения показывают, что такая крупица должна иметь всего примерно 10⁻²⁶ сантиметра в поперечнике и быть заполнена полем инфлатона, энергия которого, при пересчёте на массу, будет весить менее 10 грамм.^{95} Такое крохотное зёрнышко испытает молниеносное эффектное расширение, вырастая до размеров, превышающих наблюдаемую вселенную, и накапливая при этом постоянно увеличивающуюся энергию. Полная энергия инфлатона быстро превысит значение, необходимое для образования всех звёзд во всех наблюдаемых галактиках. Поэтому, если динамикой вселенной управляет инфляция, то начальное условие, невыполнимое в модели Большого взрыва – наличие исходной массы, превышающей 10⁵⁵ грамм, сжатой в бесконечно малую крупинку – подвергается радикальному пересмотру. Соберите 10 грамм поля инфлатона и сожмите их в комочек примерно 10⁻²⁶ сантиметра в поперечнике. Такой комочек вполне может уместиться в кошельке.

Тем не менее и здесь перед нами встают острые вопросы. Начать с того, что инфлатон остаётся чисто гипотетическим полем. Космологи свободно вводят поле инфлатона в уравнения, однако, в отличие от электронов и кварков, у нас пока нет никаких доказательств существования поля инфлатона. Даже если инфлатон существует, и даже если однажды мы разработаем способ управлять им так же, как электромагнитным полем, то плотность необходимого инфлатонного зёрнышка будет огромной: примерно в 10⁶⁷ раз больше плотности атомного ядра. Хотя это зёрнышко будет весить меньше горсти попкорна, необходимая сила сжатия в триллионы и триллионы раз превышает наши настоящие возможности.

Но это относится скорее к технологической проблеме, которую высокоразвитая цивилизация, как мы думаем, однажды сможет решить. Поэтому, если наши далёкие потомки смогут обуздать поле инфлатона и построить уникальный компрессор, способный создавать такие плотные крупинки, получим ли мы статус создателей вселенных? Если мы задумаем такое восхождение на Олимп, не следует ли нам озаботиться тем, что в случае искусственного рождения новых инфляционных миров наш собственный уголок пространства будет поглощён расширяющимся космосом? Алан Гут и его соавторы проанализировали эти вопросы в ряде статей и обнаружили как хорошие новости, так и плохие. Начнём с последнего вопроса, для которого новости хорошие.

Гут, совместно со Стивеном Блау и Эдуардо Генделманом, показал, что не стоит беспокоиться насчёт искусственности инфляционного расширения, пронзительно взрывающего нашу окружающую среду. Причина в давлении. Если инфляционное зёрнышко создадут в лаборатории, то оно будет наполнено полем инфлатона с характерной положительной энергией и иметь отрицательное давление, но при этом будет окружено обычным пространством, в котором значение поля инфлатона и его давление равно (или почти равно) нулю.

Обычно мы не обращаем особого внимания на ноль, но в данном случае весь смысл именно в нём. Нулевое давление больше отрицательного, поэтому давление снаружи зёрнышка будет больше давления внутри. Поэтому на зёрнышко будет давить внешняя сила, подобно давлению на барабанные перепонки во время глубоководного погружения. Разница в давлении достаточно существенна, чтобы не дать зёрнышку расшириться во внешнее пространство.

Однако это не помешает инфлатону стремиться к расширению. Если надувать воздушный шарик, но при этом крепко зажимать его руками, то резиновая поверхность шарика начнёт вылезать между пальцами. Инфлатонное зёрнышко может вести себя похожим образом. Оно может породить новый расширяющийся мир, отделяющийся от исходного пространства, как показано на примере небольшой растущей сферы, см. рис. 10.1. Вычисления показывают, что как только новый мир достигает критического размера, его связь с родительским пространством рвётся (крайнее справа изображение на рис. 10.1) и рождается независимая инфляционная вселенная.

Рис. 10.1. Из-за большего давления окружающей среды инфляционное зёрнышко вынуждено расшириться с образованием нового пространства. Пузырёк-вселенная растёт, затем отщепляется от исходной вселенной и становится отдельным, расширяющимся пространством. Для наблюдателя из окружающей среды этот процесс выглядит как образование чёрной дыры

Каким бы увлекательным ни был этот процесс – искусственное образование новой вселенной, – взгляд из лаборатории не оправдывает потраченных на это усилий. Хорошо, что инфляционный пузырёк не поглотит лабораторию и всё окружающее пространство, но обратная сторона медали такова, что практически невозможно будет доказать сам факт рождения. Новая расширяющаяся вселенная, которая затем отделится от нашей, – это вселенная, которую мы не можем наблюдать. Действительно, после отпочкования новой вселенной, единственным напоминанием о ней будет глубокая гравитационная яма (крайнее справа изображение на рис. 10.1), которая в нашей вселенной будет выглядеть как чёрная дыра. Поскольку мы не можем заглянуть внутрь чёрной дыры, то нет никакой уверенности в успешности нашего эксперимента; не имея доступа к новой вселенной, мы не сможем подтвердить её рождение с помощью наблюдений.

Физические законы стоят на нашей защите, но цена безопасности – отлучение нас от плодов нашего труда. Это хорошие новости.

Перейдём теперь к плохим новостям. Честолюбивых создателей вселенных отрезвит результат, полученный Гутом и его коллегой из Массачусетского технологического института Эдвардом Фархи. Проведённые ими аккуратные математические вычисления показали, что в последовательности картинок на рис. 10.1 пропущен один шаг. Вспомним ситуацию с воздушным шариком – если в него дунуть сильно в самом начале, то затем его надуть гораздо проще; аналогичным образом Гут и Фархи обнаружили, что зарождающаяся вселенная на рис. 10.1 для запуска инфляционного расширения требует сильного толчка в самом начале. Настолько сильного, что существует лишь единственная сущность, способная на такое – белая дыра. Белая дыра – противоположность чёрной дыры – это гипотетический объект, который фонтанирует веществом, а не поглощает его. Для этого нужны настолько экстремальные условия, что известные математические методы перестают работать (также как в случае с центром чёрной дыры); достаточно сказать, что никто не ожидает создания белых дыр в лаборатории. Никогда. Гут и Фархи обнаружили фундаментальный изъян в работах по созданию вселенных.

Ряд исследовательских групп предложили возможные способы для преодоления обнаруженной проблемы. Гут и Фархи совместно с Джемалом Гувеном выяснили, что если инфляционное зёрнышко образуется с помощью процесса квантового туннелирования (аналогичного тому, что обсуждалось в контексте ландшафтной вселенной), сингулярности белой дыры можно избежать; однако вероятность квантового туннелирования настолько ничтожна, что нет никакого шанса, что оно произойдёт за какое-нибудь разумное время. Группа японских физиков, куда входили Нобуюки Сакаи, Кен-ичи Накао, Хидеки Ишихара и Макото Кобаяши, показала, что магнитный монополь – гипотетическая частица, у которой есть только один полюс обычного магнита, либо северный, либо южный – может послужить катализатором инфляционного расширения без сингулярностей; но за почти сорок лет интенсивных поисков никому не удалось обнаружить хотя бы одну такую частицу.[61]61
  Забавно, но объяснение, почему магнитные монополи до сих пор не были обнаружены (хотя они предсказываются во многих вариантах единой теории), состоит в том, что они стали очень редкими, растворились в быстро расширяющемся пространстве, как это предписывает инфляционная космология. Гипотеза, которая выдвигается теперь, состоит в том, что магнитные монополи могут инициировать последующие инфляционные эпизоды.


[Закрыть]

На сегодняшний день ситуация такова, что дверь в мир создания новых вселенных приоткрыта, но лишь на чуть-чуть. Учитывая, что процесс создания в значительной мере основан на гипотетических элементах, будущие исследования могут захлопнуть эту дверь навсегда. Но если этого не случится – или, возможно, если последующие исследования предъявят веские доводы в пользу возможности создания вселенных – останется ли ещё мотивация для занятия этим? Зачем создавать вселенную, если нет возможности её увидеть или взаимодействовать с ней, или даже узнать наверняка, что она получилась? Андрей Линде, знаменитый не только благодаря своим достижениям в космологии, но и своим чувством юмора, заметил, что соблазн сыграть роль Бога просто невозможно будет преодолеть.

Я не знаю, как это будет. Безусловно, было бы полным восторгом обладать таким всеобъемлющим пониманием законов природы, что можно было бы заново проиграть самые важные события. Однако я подозреваю, что к тому времени, когда можно будет серьёзно рассматривать создание вселенной – если такое время вообще когда-нибудь наступит – наши научные и технологические достижения приведут ко многим другим красивым открытиям, результаты которых можно будет не только вообразить, но по-настоящему экспериментально проверить, так что создание ускользающих вселенных станет гораздо менее интересным.

Интерес к подобного рода занятиям был бы гораздо сильнее, если бы мы поняли, как сотворить вселенную, которую можно наблюдать или вступать с ней в контакт. Для «реальной» вселенной, в обычном смысле вселенной, составленной из стандартных ингредиентов в виде пространства и времени, материи и энергии, у нас нет какой-либо стратегии подобных действий, что согласуется с нашим настоящим пониманием законов физики.

Но что если отложить в сторонку реальные вселенные и задуматься о вселенных виртуальных?