Текст книги "Далекое будущее Вселенной Эсхатология в космической перспективе"
Автор книги: Джордж Эллис
Жанры:
Религиоведение
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 34 страниц)
6. Жизнь в мультивселенной
Мартин Дж. Риз
6.1. Биофилическая вселенная?Если когда‑нибудь нам удастся установить контакт с разумными инопланетянами – как мы преодолеем «культурную пропасть»? Одним из вариантов общей культуры для нас могла бы стать физика и космология. Иная разумная жизнь будет, как и мы, состоять из атомов, и мы сможем вместе проследить наше происхождение вплоть до «первого события», так называемого Большого взрыва, случившегося около 13 миллиардов лет назад. Общими будут и наши с ними будущие перспективы, быть может простирающиеся в бесконечность.
Однако наше существование (как и существование инопланетян, если они есть) зависит от особых свойств нашей вселенной. Всякая вселенная, благоприятная для жизни – то, что мы можем назвать «биофилической вселенной», – должна быть определенным образом на это «настроена». Предпосылки существования всякой жизни – стабильные долгоживущие звезды, стабильные ядра (углерод, кислород, кремний), способные объединяться в сложные молекулы, и так далее – чувствительны к физическим законам, а также к размерам, скорости расширения и содержимому вселенной. Будь изначальные условия, заложенные в миг Большого взрыва, чуть иными – и мы не могли бы существовать [39]39
См. [1, 10, 11].
[Закрыть].
Наша вселенная развилась из простого начала – Большого взрыва, определенного весьма коротким рецептом, но этот рецепт выглядит очень специфично. Иной «выбор» некоторых основных величин имел бы радикальный эффект, исключающий те благоприятные космические условия существования, в которых мы родились. Например, мы не смогли бы существовать в мире с более сильной гравитацией. В воображаемом «высокогравитационном» мире звезды (ядерные реакторы, связанные гравитацией) были бы маленькими; гравитация раздавила бы любое существо больше насекомого. Но в еще большей степени возникновению сложной экосистемы помешала бы ограниченность по времени. Минисолнце горело бы быстрее и истощило бы свою энергию еще до того, как органическая эволюция сделала бы даже свои первые шаги Большая, долгоживущая и стабильная вселенная очень существенно зависит от того, что гравитационная сила чрезвычайно слаба.
Реакция ядерного синтеза, снабжающая звезды энергией, зависит от тонкого баланса между двумя силами: электрическим отталкиванием протонов друг от друга и сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Будь ядерные силы чуть больше по сравнению с электрическими – и два протона склеивались бы друг с другом так легко, что не мог бы существовать обычный водород и звезды развивались бы совершенно по–другому. Есть и еще более чувствительные детали. Например, углерод – вещество, без которого невозможна никакая жизнь, не мог бы так легко производиться звездами, если бы не некоторая тонкая «настройка» свойств его ядра, еще более чувствительным образом зависящая от ядерной силы.
Даже большая вселенная, вроде нашей, могла бы быть очень скучна: в ней могло бы совсем не быть атомов, а могли быть только черные дыры или инертная темная материя. Даже если бы она имела такие же ингредиенты, как наши, она могла бы расширяться так быстро, что звезды и галактики не успевали образовываться, или быть столь турбулентной, что вся ее материя вместо звезд и галактик формировала бы лишь черные дыры, – обстановка, неблагоприятная для жизни. Кроме того, важной особенностью нашей вселенной является ее пространственная трехмерность. Четырехмерный мир был бы нестабильным; в двух измерениях не могло бы существовать ничто сложное.
6.2. Три интерпретации видимой «настройки»Если наше существование зависит от космического рецепта, который кажется весьма специфическим, то как нам следует реагировать на эту видимую тонкую настройку? По–видимому, есть три возможности: можно не придавать ей значения, считая простой случайностью; можно приветствовать ее как действие провидения; или (к чему склоняюсь я сам) можно предположить, что наша вселенная – это лишь особо благоприятный уголок в еще более обширной мультивселенной. Рассмотрим по очереди все эти возможности.
Возможно, все ключевые свойства нашей вселенной определяет фундаментальная система уравнений, которая в один прекрасный день будет написана на футболках. В таком случае то, что эти уравнения допускали процесс неизмеримо сложной эволюции, приведшей к возникновению нас самих, окажется неопровержимым фактом.
Однако, мне кажется, и в этом случае все же будет чему удивляться. Простые уравнения не обязательно имеют сложные следствия. Приведем математическую аналогию: рассмотрим красивую конструкцию, известную как множество Мандельброта. Эта конструкция задается коротким алгоритмом, но имеет бесконечно глубокую структуру: при любом увеличении ее тонких деталей они открывают все новые сложности. Однако можно легко написать и другие, внешне похожие алгоритмы, которые задают очень скучные конструкции. Почему же данные фундаментальные уравнения кодируют нечто с такой потенциальной сложностью, а не ту скучную и бесплодную вселенную, к которой должны были бы привести многие другие рецепты?
Один хитрый ответ заключается в том, что мы не могли бы существовать, если бы законы имели скучные последствия. Мы, очевидно, здесь – значит, удивляться нечему. Однако неужели не удивительно, что уникальный рецепт физического мира допускает такие интересные следствия, как те, что мы видим вокруг себя (а заодно – и наше собственное существование)?
Свидетельства разумного замысла в космосе – традиционная тема «естественного богословия». Двести лет назад кембриджский богослов Уильям Пейли предложил знаменитую метафору часов и часовщика, приводя глаз, большой палец (противопоставленный остальным) и тому подобное в качестве свидетельства о существовании благого творца. Однако в постдарвиновскую эпоху этот ход мысли вышел из моды даже среди большинства богословов. Теперь в любом биологическом изобретении мы видим плод долгого эволюционного отбора и симбиоза с окружающей средой.
Однако Пейли мог бы защищаться по–другому, если бы он знал о провиденциально–подобной физике – процессах, приведших к возникновению галактик, звезд, планет и девяносто двух элементов периодической таблицы. От «биофилических» черт фундаментальной физики и химии нельзя отмахнуться так же легко, как от старинных претензий на видение разумного замысла, порождаемых живыми существами: биологические системы развиваются в симбиозе с окружающей средой, но базовые законы, управляющие звездами и атомами, даны нам изначально, и ничто биологическое не может оказывать на них обратного воздействия с тем, чтобы как‑то их модифицировать. Современный продолжатель дела Пейли, Джон Полкинхорн, интерпретирует нашу «приспособленную» к жизни вселенную как «творение Творца, который желает, чтобы она была именно такой» [8].
Для тех, кто не верит в замысел провидения, но все же полагает, что тонкая «настройка» требует какого‑то объяснения, есть еще одна перспектива, правда, чисто спекулятивная. Возможно, существует множество «вселенных», и наша – лишь одна из них. В других вселенных некоторые законы и физические константы могут быть другими. Но возможно, что наша вселенная – это не просто случайность. Она может принадлежать к необычному подмножеству, предоставляющему благоприятные условия для возникновения сложности и сознания. Аналогия с часовщиком уходит со сцены. Скорее космос можно сравнить с магазином готовой одежды: если его ассортимент велик, мы не удивимся, обнаружив среди множества костюмов тот, что нам подходит. Аналогично, если наша вселенная – часть мультивселенной, то ее, по–видимому, сконструированные или тонко настроенные свойства уже не вызывают удивления.
6.3. Являются ли вопросы о других вселенных научными вопросами?Наука – это экспериментальная и наблюдательная деятельность, и естественно, что рассуждения, обращающиеся к чему‑либо принципиально ненаблюдаемому, вызывают беспокойство. Кто‑нибудь, пожалуй, скажет, что другие вселенные относятся к области метафизики, а не физики. Но я полагаю, что они лежат уже в сфере компетенции науки. Вопрос «Существуют ли ненаблюдаемые вселенные?» не абсурден и не бессмыслен даже в том случае, если ждать на него скорого ответа не приходится. Этот вопрос невозможно однозначно решить прямым наблюдением, но можно найти относящиеся к делу свидетельства, которые могут привести нас к ответу.
Между явлениями легко наблюдаемыми и абсолютно ненаблюдаемыми нет четкой границы, их соединяет весьма обширная «серая зона». Чтобы проиллюстрировать эту мысль, можно вообразить себе последовательность горизонтов, в которой каждый последующий горизонт уводит нас дальше от непосредственного опыта, чем предыдущий.
Существует предел того, как глубоко наши современные инструменты могут зондировать пространство. Очевидно, в этом ограничении нет ничего принципиального – оно связано с современной технологией. Несомненно, в ближайшие несколько десятилетий много новых галактик будет открыто с помощью более сильных телескопов, проектируемых в настоящее время. Нам не следует исключать эти галактики из сферы строго научного дискурса только потому, что мы их пока не видим. Когда древние мореплаватели рассуждали о том, что находилось за пределами известного им мира, или когда мы сегодня рассуждаем о том, что может скрываться под океанами спутников Юпитера, Европы и Ганимеда, мы рассуждаем о чем‑то «реальном» – мы задаемся научными вопросами. Таким же образом и гипотезы об отдаленных уголках вселенной, несомненно, относятся к науке, хотя для того, чтобы проверить их, мы вынуждены ждать появления лучших инструментов.
Даже если бы мощность телескопов не имела абсолютно никаких технических ограничений, наши наблюдения все равно были бы ограничены горизонтом, определяемым тем расстоянием, которое может пройти любой сигнал с момента Большого взрыва, двигаясь со скоростью света. Этот горизонт образует вокруг нас своего рода сферу, на поверхности которой красное смещение может быть бесконечным. В галактиках, находящихся на этой сфере, нет ничего особенного – не более, чем особенностей на той окружности, которая определяет ваш горизонт, когда вы находитесь посреди океана. В океане, чтобы увидеть больше, можно залезть на мачту. Но расширить наш космический горизонт невозможно, разве только вселенная изменится таким образом, что до нас начнет долетать свет из галактик, находящихся за горизонтом.
Если бы наша вселенная замедляла скорость, то горизонт наших отдаленных потомков включал бы в себя те галактики, которые сегодня в наш горизонт не включены. Разумеется, существует большая практическая разница между тем, чего нам придется ждать для проверки своих предположений о той или иной удаленной галактике, – космических изменений, требующих миллиардов лет, или достижений технического прогресса, занимающего (возможно) всего лишь несколько десятилетий. Но принципиальна ли эта разница? Очевидно, более длинное время ожидания – чисто количественное различие, не изменяющее эпистемологический статус этих далеких галактик.
А что сказать о галактиках, которых мы не увидим никогда, сколько не жди? По всеобщему убеждению, мы живем в ускоряющейся вселенной. Она, как и замедляющаяся вселенная, содержит в себе столь удаленные галактики, что сигналы от них до нас пока не дошли. Но если расширение космоса ускоряется, то мы сейчас удаляемся от этих далеких галактик со все увеличивающейся скоростью; если их свет еще не достиг нас – значит, никогда и не достигнет. Такие галактики не просто в принципе ненаблюдаемы сейчас – они навсегда останутся за пределами нашего горизонта. Но, если сейчас галактика ненаблюдаема, вряд ли имеет значение, останется ли она ненаблюдаемой навеки или войдет в наше поле зрения, если мы подождем триллион лет. (Выше, в разделе 6.3.2, я показал, что последнюю категорию, несомненно, следует рассматривать как реальную.)
Принципиально ненаблюдаемые галактики из раздела 6.3.3 возникли из того же Большого взрыва, что и мы сами. Но предположим, что вместо каузально не связанных регионов, возникших из единого Большого взрыва (в ходе эпизода инфляции), мы представим себе много отдельных «больших взрывов». Неужели пространства–времена, полностью отдельные от нашего, менее реальны, чем части того, что мы по традиции называем нашей вселенной, но которые никогда не войдут в пределы нашего горизонта? Очевидно, нет – значит, эти вселенные тоже могут считаться реальными частями нашего космоса.
Эта пошаговая аргументация (те, кому она не понравилась, могут назвать ее аргументацией «скользкого склона») наводит на мысль, что вопрос о существовании иных вселенных действительно научный вопрос. Как же мы можем на него ответить?
6.4. Сценарии мультивселеннойС первого взгляда ничто концептуально не выглядит более экстравагантным, более грубо нарушающим принцип бритвы Оккама, чем обращение к множеству вселенных. Однако это концепция вытекает сразу из нескольких различных теорий (хотя все они спекулятивны).
Линде [7], Гаррига и Виленкин [4] и другие разработали компьютерные модели, описывающие «вечную» фазу инфляции, в которой множество вселенных вырастает из отдельных «больших взрывов» в несоединенные друг с другом регионы пространства–времени. Гут [5] и Смолин [13] с разных точек зрения предположили, что новая вселенная может родиться внутри черной дыры, расширяясь затем в новую область пространства и времени, недоступную для нас. А Рэндалл и Сандрам [9] полагают, что другие вселенные могут существовать независимо от нашей в дополнительном пространственном измерении; эти разъединенные вселенные могут взаимодействовать гравитационно или же никак не влиять друг на друга. Если обратиться к избитой аналогии, в которой поверхность воздушного шарика представляет двухмерную вселенную, погруженную в наше трехмерное пространство, то эти другие вселенные будут представлены поверхностями других шариков; жучки, прикованные к поверхности шарика и не имеющие понятия о третьем измерении, не будут ничего знать о своих собратьях, ползающих по другим шарикам; другие вселенные будут отдельными доменами пространства и времени. В некоторых из этих сценариев оказывается бессмысленным даже вопрос о том, существовали ли другие вселенные прежде, будут существовать позже или существуют одновременно с нашей, поскольку эти понятия имеют смысл, только если мы можем ввести единое измерение времени, часы, одинаково тикающие во всех вселенных.
Фари и Гут [3], а также Харрисон [6] предположили даже, что вселенные можно создавать в лаборатории, взрывая сгусток материи таким образом, чтобы образовать маленькую черную дыру. Что, если вся наша вселенная – результат эксперимента, проведенного в другой вселенной? Тогда богословские аргументы относительно «замысла» могут воскреснуть в новом обличье. Смолин [13] предполагает, что дочерняя вселенная может управляться законами, несущими на себе отпечаток тех, что господствовали в родительской вселенной. Если эта новая вселенная будет похожа на нашу, значит, и в ней будут формироваться звезды, галактики и черные дыры; эти черные дыры, в свою очередь, породят новое поколение вселенных – и так далее, возможно, до бесконечности.
Кроме того, теория «множества миров», впервые выдвинутая Эвереттом и Уиллером в 1950–х годах, обращается к параллельным вселенным для разрешения некоторых парадоксов квантовой механики. Ранее эту концепцию описал Степлдон, как одно из наиболее изощренных творений своего Делателя Звезд [14]:
Всякий раз, когда существу представал выбор из нескольких возможных действий, оно совершало их все, создавая таким образом множество… различных историй космоса. Поскольку в каждой эволюционной последовательности этого космоса было много существ, каждое из них постоянно сталкивалось с множеством возможных путей, и комбинации всех этих путей были неисчислимы, то в каждый момент каждой временной последовательности возникало бесконечное множество отдельных вселенных.
Ни один из этих сценариев не был просто взят «с потолка»: за каждым стоит серьезная, хотя и спекулятивная теоретическая мотивация. Однако верным может быть, самое большее, один из них. А очень может быть, что неверен ни один – существуют альтернативные теории, которые приводят к представлениям только об одной вселенной.
Для подтверждения этих идей необходима теория, непротиворечиво описывающая экстремальную физику сверхвысоких плотностей, конфигурацию структур в дополнительных измерениях, и так далее. Но одной непротиворечивости недостаточно: нужны основания для уверенности в том, что эта теория – не просто математический конструкт, что она приложима к внешней реальности. Такая уверенность возникнет, если теория объясняет такие явления, которые мы можем наблюдать, но не можем объяснить другим способом.
На сегодняшний день у нас есть прекрасная физическая конструкция, называемая стандартной моделью, которая объясняет почти все наблюдаемые субатомные феномены. Но формулы «стандартной модели» включают в себя числа, которые невозможно вывести из теории – их приходится получать экспериментально. Возможно, в двадцать первом веке физики создадут теорию, объясняющую, например, почему существуют три вида нейтрино, или природу ядерной и электрической сил. Возможно к тому же, что данная теория окажется правдоподобной. Если эта теория, приложенная к началу нашей вселенной, будет предсказывать существование множества «больших взрывов», у нас будут такие же основания верить во множество отдельных вселенных, как сейчас – верить выводам из физики элементарных частиц о существовании кварков внутри атомов или выводам теории относительности о ненаблюдаемом содержимом черных дыр.
6.5. Универсальные законы или местные установления?«Уникальны ли законы физики?» – менее поэтический вариант знаменитого вопроса Эйнштейна: «Был ли выбор у Бога, когда он творил Вселенную?» Ответ определяет то, какую степень разнообразия можно предположить для иных вселенных (если они существуют). Если исходные данные нашей вселенной фундаментальны и неизбежны, то последствия любого большого взрыва были бы повторением нашей собственной вселенной. Но гораздо более интересная возможность (логически вполне допустимая при нашем современном уровне незнания фундаментальных законов) состоит в том, что фундаментальные законы, управляющие мультивселенной в целом, допускают разнообразие отдельных вселенных. В этой более монументальной перспективе кое‑что из того, что мы именуем «законами природы», может оказаться лишь местными установлениями, согласующимися с некоторой общей теорией, управляющей всем ансамблем, но не жестко зафиксированными этой теорией.
В качестве аналогии рассмотрим форму снежинок. Общая для них всех шестилучевая симметрия – прямое следствие свойств и формы молекул воды. Но снежинки обнаруживают огромное разнообразие структуры, поскольку каждая из них формируется своей микросредой: каждая снежинка растет в ответ на случайные изменения температуры и влажности, сопровождающие ее рост. Если физики когда‑нибудь создадут фундаментальную теорию, она объяснит нам, какие стороны природы являются прямыми следствиями этой теории (как симметрия снежинок есть следствие базовой структуры молекулы воды), а какие (вроде уникальной структуры каждой конкретной снежинки) – результатами случайностей. Случайные черты могли возникнуть в процессе остывания после Большого взрыва так же, как кусок раскаленного железа магнетизируется, когда остывает, но расположение полюсов при этом может зависеть от случайных факторов.
Космологические числа нашей вселенной, а также, возможно, некоторые из так называемых констант лабораторной физики могут оказаться «случайностями, обусловленными средой», а не зафиксированными единообразно по всей мультивселенной некоей окончательной теорией. Только в этом случае «тонко настроенные» черты нашей вселенной могут объясняться «антропными» аргументами, аналогичными тому, что делает наблюдатель или экспериментатор, отбирая те или иные эффекты в материалах своих измерений: если вселенных много и большинство из них необитаемы, стоит ли удивляться, что мы находимся в одной из обитаемых вселенных?!
Вся история вселенной может быть лишь эпизодом бесконечной мультивселенной; то, что мы называем законами природы (по крайней мере некоторые из них) – лишь местными установлениями нашей космической провинции. Подобные размышления резко расширяют наши представления о реальности. Чтобы поставить их на твердую почву, необходимо дождаться успешной фундаментальной теории, которая сообщит нам, действительно ли много «больших взрывов» вероятнее, чем один, и если так, то как велико разнообразие, которое они могли бы продемонстрировать. Эта теория должна объединить квантовую теорию (управляющую микромиром) с гравитацией, силой, правящей вселенной на макроуровне. Для большинства природных феноменов такое объединение не требуется: квантовая теория важна лишь в микромире атомов, где гравитация слишком слаба, чтобы иметь какое‑нибудь значение; напротив, гравитация важна только на уровне звезд и планет, где онтологическую «размытость», вызванную квантовыми эффектами, можно не принимать во внимание. Однако в самом начале все было сжато так плотно, что квантовые эффекты могли потрясать всю вселенную.
Можно ли надеяться, что такая теория, соединяющая гравитацию с квантовым принципом и изменяющая наши представления о пространстве и времени, появится в ближайшие десятилетия? Сейчас модно ставить на теорию суперструн, или М–теорию, в которой каждая точка нашего пространства является прочно свернутым оригами из шести или даже семи дополнительных измерений. Однако между лабиринтами десяти или одиннадцати измерений и тем, что мы можем пронаблюдать и измерить, по–прежнему зияет устрашающая пропасть. Теория дополнительных измерений пока что не предсказала никаких новых результатов, ни экспериментальных, ни космологических. И все же многие готовы поставить на суперструны едва ли не из чисто эстетических соображений. Как сказал Эдвард Уиттен: «Хорошие неправильные идеи встречаются чрезвычайно редко, а хороших неправильных идей, хотя бы отдаленно способных соперничать с величием теории струн, мир не видел никогда».
