Текст книги "Тринадцать вещей, в которых нет ни малейшего смысла"

Автор книги: Майкл Брукс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 18 страниц)

Все эти взаимные претензии, образно говоря, – много шума из ничего. Под «ничего» в данном случае подразумевается «пустующее» пространство Вселенной, которое на самом деле вовсе не пусто.

Космос, невзирая на то, есть ли в нем вообще какая-либо масса или нет, бурлит энергией. В 1920-е годы, вскоре после рождения квантовой теории, описавшей поведение природы на уровне атомов и субатомных частиц, британский физик Пол Адриен Морис Дирак воспользовался этим, чтобы построить свою квантовую механику на основе свойств электрических и магнитных полей. Квантовая теория поля в итоге привела Дирака к заключению, что пустота обладает энергией. А поскольку в лексиконе физики пустое пространство принято называть вакуумом, энергия Дирака получила известность как вакуумная.

Самое разумное, что можно предположить, – как раз эта энергия и ускоряет «антигравитацию», убедительно продемонстрированную сверхновыми; это она и есть космологическая константа. Вся проблема в том, что параметры сверхновых показывают ничтожно малую величину вакуумной энергии. Измеряется она обычно в граммах (как мы помним, в знаменитом уравнении Эйнштейна Е = mc² масса и энергия взаимно обратимы). Так вот, количество энергии в вакууме, равном по объему земному шару, – около сотой доли грамма. Смотреть не на что.

Зато когда величину вакуумной энергии вычисляют физики-теоретики согласно квантовой теории поля, у них, наоборот, получается излишек. Фантастически огромный. Если верить их расчетам, вакуумная энергия до того велика, что Вселенная уже давно должна была разлететься на субатомные частицы в порыве сверхмощного ускорения. Эту широко известную проблему даже сторонники космологической константы признают самым вопиющим из когда-либо отмеченных расхождений между постулатами теории и экспериментальными данными. Миллион – большое число: единица с шестью нолями. У триллиона двенадцать нолей. А «ножницы» между постулируемой и эмпирически полученной величинами космологической константы выражаются числом со 120 (ста двадцатью!) нолями.

Столкнувшись с этим несоответствием, многие физики приняли концепцию, впервые предложенную нобелевским лауреатом Стивеном Вайнбергом в 1987 году. В книге «Мечты об окончательной теории» Вайнберг предположил, что космологическая константа существует в нашей Вселенной совершенно независимо от человеческой способности когда-либо определить ее величину. Если наша Вселенная одна из многих, то каждая может иметь свои собственные мировые константы, иные, чем у «соседки». Некоторые вселенные, несомненно, остаются бесплодными, другие порождают жизнь; среди последних, вероятно, найдется по меньшей мере одна, где может развиться и разум, подобный человеческому. Таков антропный принцип в объяснении мира («антропос» по-гречески – человек). В сухом остатке он постулирует, что наша Вселенная такая, какая есть, ибо в противном случае не существовало бы нас, чтобы ее описать. Иначе говоря, человек – необходимый элемент Вселенной, без которого она не могла бы существовать, во всяком случае, в присущем ей виде. Это вовсе не обязательно подразумевает конструкторский план или вообще какой-либо «промысел»: просто, будь условия иными, осознать их и зафиксировать было бы некому. К тому же, по сути, подводят и наши наблюдения, указывающие, что формы, в которых может развиваться Вселенная, имеют ограниченный диапазон. Антропный взгляд подкреплен утверждением физиков, что наша Вселенная отличается чрезвычайным разнообразием «ландшафта»; она подобна лоскутному одеялу, скроенному из множества субвселенных, и у каждой – собственные неповторимые свойства, установившиеся путем случайного подбора. Так что нет необходимости определять значения постоянных для каждой из них.

Такое толкование космологической константы раздражает многих физиков. Например, Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета счел предположение Вайнберга «немыслимым, вероятно, самым шокирующим признанием, какое только может в наши дни сделать ученый».

Идея потому встречает столь сильное сопротивление, что ставит вверх дном всю науку. Философ Карл Поппер создал целую доктрину о том, что науку движут вперед исключительно фальсификации и опровержения: некто подбрасывает гипотезу, а затем каждому вольно попытаться «сбить» ее зарядом эмпирических данных. Если эксперименты опровергли данную гипотезу, теоретики переходят к следующей. И лишь тогда, когда гипотеза выдержит много «попаданий» подряд, появляются основания говорить о ее научной достоверности.

В случае с антропной Вселенной такой подход бесполезен, потому что другие вселенные для нас недосягаемы. Концепцию, которая не проверяется экспериментально, нельзя опровергнуть. Значит, не стоит и пытаться объяснить, отчего у Вселенной такие свойства: они именно потому таковы, что делают ее пригодной для нашего обитания. И вот это называется наукой? Наверное, и это тоже, говорит Сасскинд; он не исключает возможной правоты Вайнберга. Если нам суждено постигать Вселенную, то теперь, видимо, придется отвергнуть Карла Поппера со всеми его последователями (которых Сасскинд иронически окрестил «попперацци») как высокую инстанцию в вопросе о том, что является наукой и что ею не является. И признать, сколь бы ни возмущались «попперацци», что физические законы Вселенной действуют благодаря нашему бытию в ней.

Как ни трудно переваривать подобные идеи, есть причины отнестись к ним всерьез. Квантовая теория поля предполагает, что если для завершения описания Вселенной требуется точное значение космологической константы, значит, наше мироздание действительно должно быть одним из великого множества. Может статься, как писал поэт Эдвард Эстлин Каммингс, «за углом чертовски славный мир»[6]6
  Из стихотворения Э. Э. Каммингса «Не сострадай больному бизнес-монстру…». Перевод В. Британишского. (Прим. ред.).


[Закрыть].

В основе этой аргументации – принцип неопределенности квантовой механики, который гласит, что фундаментальные свойства любой системы никогда не могут быть определены в точности, но имеют присущие им допуски. Применительно к квантовой теории поля этот принцип вызывает естественные колебания характеристик в тех или иных областях Вселенной. Здесь опять-таки можно привести сравнение с надувным мячом, имеющим множество «слабых точек» на оболочке; по мере «раздувания» Вселенной флуктуации могут нарастать, порождая новые пространственно-временные континуумы. Иными словами, Вселенная, которая обладает космологической константой, выводимой из вакуумной энергии, непрерывно создает новые «пузырьковые» подобия. Те, в свою очередь, рождают собственные дочерние вселенные, и так до бесконечности. То, что нам угодно считать Вселенной, – лишь один из островков пространства – времени в океане квантовой пены мини-миров.

У антропного принципа сейчас много сторонников, особенно в теоретической физике; именно поэтому упомянутый Пол Стейнхардт относит себя к меньшинству. Но если нет возможности изучить «пузырьковые вселенные» и определить, разнятся ли их законы, не означает ли это, что физика окончательно сдалась на милость неведомых сил?

Этот вопрос стал главным на конгрессе в Брюсселе, где призрак Альберта Эйнштейна витал повсюду, заглядывая каждому через плечо. Что дальше: сложить руки и ограничить действие космологической константы рамками той конкретной Вселенной, где мы живем? Следует ли отсюда, что мы так никогда и не узнаем, из чего состоит большая часть мироздания, не разгадаем природу темной энергии?

Ответ был – и да, и нет: да, это возможность, с которой надо считаться; нет, надежду терять нельзя. Дэвид Гросс, председательствовавший в собрании, не преминул напомнить, что на первом Сольвеевском конгрессе в 1911 году физики были точно так же растерянны. У отдельных веществ обнаружилась способность испускать элементарные частицы особым манером – казалось, при этом нарушались законы сохранения массы и энергии. Объяснение феномена нашлось через несколько лет, с появлением квантовой теории. «Они упустили из виду нечто совершенно фундаментальное, – сказал Гросс Сольвеевскому конгрессу – 2005. – Возможно, и мы не замечаем чего-то столь же важного, как наши предшественники в свое время».

Так что же это за фундаментальное нечто? Существуют ли какие-то подсказки? Смотря кого спрашивать. Адам Рисс, чьи радикальные речи в шекспировском духе открыли для нас эпоху темной энергии, выдвинул провокационную идею. Вдруг в наших знаниях о гравитации недостает какой-то малости? Возможно, никакой темной материи и темной энергии вообще нет в природе – просто за четыреста лет никто не углядел крошечную погрешность в ньютоновском законе тяготения, а именно в ней таится ключик, который откроет замок и явит нашим глазам «пропавшую» часть Вселенной.

Рисс не первый задался этим вопросом и не настаивает на его исключительной важности. Но считает такое вполне вероятным и ничего не исключает априори. То же самое ощущает Вера Рубин. Она думает, что девяносто девять физиков из сотни лишь по инерции цепляются за веру в некое темное вещество, которое заполняет Вселенную, скрепляя галактики своим тяготением. Но ей уже начинает казаться более продуктивным решением модификация основных физических законов.

На первый взгляд из затруднительного положения можно найти относительно простой выход. Новую альтернативу предложил в 1981 году израильский физик Мордехай Милгром. В его теории закон тяготения Ньютона подправлен таким образом, что на сверхдальних расстояниях, скажем в пространстве между галактиками или их скоплениями, гравитация несколько сильнее ожидаемой. Идея получила имя «модифицированной ньютоновской динамики» (МОНД) и, несмотря на свою очевидную безвредность, вызвала новый наплыв проблем.

Не так-то просто взять творение человека, признанного величайшим мастером своего дела, – к тому же творение, которое безупречно отслужило четыреста лет, – и объявить: «Вот здесь у нас перевес, а там недовес; вот сейчас мы тут подложим, а там подтянем». Подобный шаг требует известного мужества. Идею Милгрома поначалу не принимали всерьез, но все же нескольких сторонников она приобрела. Среди них самым известным оказался молодой астроном Стейси Магоу.

Защищая МОНД, Магоу вызвал на себя столь ожесточенный огонь, что ему впору было обзаводиться бронежилетом. Сорок лет всеобщего безразличия к темной материи открыли Вере Рубин глаза на феномен «ученой глухонемоты». А Магоу, в свое время один из ее аспирантов, преподал другой важный урок: как побеждать «сопромат» академической среды.

В марте 1999 года он выступил с докладом о МОНД в Институте Макса Планка в Германии. Там никто не загорелся энтузиазмом. Магоу заявили: не хотите дурной славы – предскажите результаты какого-нибудь эксперимента, и, если прогноз подтвердится, вот тогда мы, так и быть, согласимся вас послушать.

Магоу вынашивал ответ ровно девять месяцев, а затем опубликовал в «Астрофизическом журнале» заметку, где все так же бесцеремонно вопрошал: «Есть ли темная материя?» Если ее действительно нет, то обнаружится серьезное расхождение между определенной характеристикой реликтового излучения – космического эха Большого взрыва – и ожиданиями поборников темной материи. Должен выявиться «спектр мощности» – нечто вроде распада излучения. Как теория МОНД, так и модели темной материи предполагали, что на полученной спектрограмме будут чередоваться пики и впадины. Только «темные материалисты» утверждали, что второй пик окажется ниже первого, но незначительно. А Магоу предсказал: если темной материи не существует, второй пик будет совсем крошечным; так давайте убедимся в этом, как только появятся данные.

Летом следующего года Вера Рубин приехала на конференцию в Рим, ожидая услышать показательное выступление Магоу перед астрономами. Благо эмпирические данные теперь уже имелись. И в них не было второго пика – ни высокого, ни низкого. Вообще никакого.

Магоу отвели на сообщение десять минут. Рубин была поражена, когда он закончил, – ничего не произошло! «Даже ни единого вопроса не задали», – вспоминает Рубин. И добавляет: на следующее утро некий выдающийся космолог, приступив к обсуждению новых результатов, ни словом не упомянул об их расхождениях с общепринятой моделью темной материи.

С того момента Рубин серьезно заинтересовалась МОНД. Отчасти потому, что ей не по вкусу сама идея привлекать новые виртуальные частицы для истолкования прямых наблюдений, и еще потому, что астрономический истеблишмент погряз в пресловутых связях с общественностью, а слишком хороший пиар, по мнению Рубин, вредит нормальной научной дискуссии. Она всегда была поклонницей «беспородных собак» в науке.

Между тем МОНД долгое время не тянула и на такую участь. Как пошутил Магоу, сравнить ее можно было разве что с паршивой псиной, которую не впустили в зал заседаний и оставили скулить за порогом. Большинство ученых отказывались понять, почему теорийка, наскоро слепленная израильским физиком, должна быть лучше заклинаний темной материи, великой и ужасной. Но затем, в 2004 году, в дело вмешался Якоб Бекенштейн.

Бекенштейн родился в Мехико, изучал физику в Политехническом институте Бруклина и в Принстонском университете, а сейчас профессорствует в Еврейском университете Иерусалима. В молодости он докучал Стивену Хокингу разными спорными гипотезами насчет черных дыр (все они подтвердились), а сегодня признан одним из крупнейших авторитетов теоретической физики. И когда Бекенштейн сформулировал свою версию эйнштейновской теории относительности, недвусмысленно дав понять, что модифицированная гравитация заслуживает лучшего отношения, сообществу физиков не оставалось ничего, кроме как занять места в аудитории и внимательно слушать. Когда же у релятивистской МОНД по Бекенштейну стали обнаруживаться точные и изящные совпадения с результатами наблюдений за галактиками, теория, вчера считавшаяся маргинальным вздором, оказалась вдруг в центре внимания. Однако массовое «прозрение» адептов темной материи смотрелось далеко не столь красиво.

У расхожего представления, будто наука нейтральна, беспристрастна и лишена предубеждений, бывают порой «критические дни». Один из таких дней случился 21 августа 2006 года, когда пресс-релиз американского Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (НАСА) прокричал граду и миру: «Мы нашли прямое доказательство существования темной материи!»

Весь шум был по поводу грандиозного столкновения двух скоплений галактик, получивших в результате общее имя Пуля. Наблюдая последствия этого события, астрономы обнаружили явные признаки пространственного разделения между обычным газом и гало – предполагаемой темной материей. Они проанализировали эффект гравитационного линзирования, когда лучи света отклоняются в поле тяготения. (Одна из вершин теории Эйнштейна – открытие, что масса – энергия искривляет пространство. Любое излучение, будь то фотоны или гамма-кванты, проходит мимо массивных скоплений звезд и планет не прямо, а по кривой, огибает их.) И когда космический телескоп НАСА «Чандра» зафиксировал отклонение рентгеновских лучей словно бы на пустом месте, без наблюдаемых тел вокруг, многим померещилось, будто вся критика темной материи идет ко дну под звук пощечины смутьянам, посмевшим утверждать, что картина мироздания не нуждается ни в вызове духов, ни в эльфийской пыльце, ни в каком-либо ином «волшебном космическом бланманже» (по выражению одного сатирика).

Гвоздь программы преподносился с немалой помпой. «Вселенная, отданная во власть темной материи, казалась нелепостью, и мы решили убедиться, нет ли в наших рассуждениях принципиального изъяна, – рассказал руководитель исследовательской программы Дуг Клоу из Аризонского университета в Тусоне. – Полученные результаты дали прямое доказательство того, что темная материя реально существует».

Все здесь правда, кроме «полученного доказательства». Впрочем, дальше составители пресс-релиза сбавили тон: дескать, это пока всего лишь «самое яркое из свидетельств в пользу того, что большая часть вещества Вселенной – темная материя».

Затем весь пыл обрушился на неких скептиков, имевших наглость сомневаться. Теперь эти кое-кто посрамлены, кончилось их время. «Невзирая на весомые признаки существования темной материи, отдельные ученые предлагали альтернативные модели тяготения, согласно которым в межгалактическом пространстве оно действует сильнее, чем указывали Ньютон и Эйнштейн; тем самым темная материя отрицалась. Но подобное теоретизирование бессильно объяснить наблюдаемые эффекты столкновения галактик».

Это могло показаться крахом модифицированной ньютоновской динамики. Однако никто в НАСА как будто не поинтересовался у гравитационных ревизионистов, действительно ли им не под силу объяснить упомянутые эффекты. Никто даже не потрудился заглянуть на сайт arXiv.org, где физики размещают препринты новых экспериментальных и теоретических работ.

Сторонники релятивистской теории Бекенштейна еще за два месяца до ликования НАСА приглядывались к скоплению Пуля. Их работа, опубликованная под игривым заголовком «Поймает ли МОНД Пулю?» в респектабельном и реферируемом астрономическом журнале, – весьма любопытное чтение. По утверждению авторов, показания спектрометров «Чандры» ни в чем не противоречили МОНД. Реакция Милгрома также заинтриговала. Все эти претензии, заявил он, мы слышали еще три года назад; у «мондистов» было время обдумать проблему, обсудить ее на конференциях и познакомить оппонентов со своей точкой зрения, но те, «сдается, просто не желали слушать». Магоу, в свою очередь, заметил, что объяснить феномен Пули с позиций МОНД довольно сложно, если не затрагивать при этом некоторые скользкие вопросы, но все же никакая экзотика тут не нужна. Достаточно учесть присутствие некоторого количества нейтрино – они, как известно, во-первых, реально существуют, во-вторых, трудноуловимы и, в-третьих, согласно стандартной теории темной материи составляют в последней определенную долю. Кроме того, Магоу напомнил еще об одном виде элементарных частиц – барионах. Все вещество в мире, как принято считать, на четыре процента состоит из них, но до сих пор прямыми методами удалось обнаружить от силы десятую часть расчетной массы барионов; где находятся все остальные – не известно. Быть может, эти, скажем по аналогии, «темные барионы» и проявили себя в скоплении Пуля?

Помимо МОНД вкупе с нейтрино и барионами появилась и еще одна альтернатива. На десятый день после пресс-конференции НАСА канадский физик Джон Моффат разместил в электронном архиве свое сообщение. Там утверждалось, что его интерпретация закона тяготения также способна объяснить результаты «Чандры», не прибегая к темной материи.

Моффат – редкая птица в мире ученых: космолог-самоучка, уехавший из Парижа вольным художником без гроша в кармане, он сумел подняться на академические вершины. Биография Моффата читается как волшебная сказка: в 1953 году, будучи двадцати лет от роду, он послал Эйнштейну свои работы, в которых попытался продолжить и развить некоторые идеи великого физика. Эйнштейн, распознав единомышленника и оценив его труд, написал доброжелательный ответ, и с тех пор перед юношей, как вспоминает он сам, «начали распахиваться двери». Пять лет спустя Джон Моффат, не имея высшего образования, защитил диссертацию в Тринити-колледже Кембриджского университета.

Но удача сопутствовала ему не во всем. Нетрадиционный стиль мышления подталкивал Моффата к разработке непопулярных идей, а в науке мода не менее важна, чем в искусстве. Самая смелая его гипотеза – о переменной скорости света, которая в космическом прошлом могла сильно отличаться от наблюдаемой ныне, – опередила свое время почти на десяток лет. Хотя в 1990 году Моффат обнародовал ее в малоизвестном научном журнале, физики всерьез заинтересовались этим вопросом лишь в 1998-м. Да и то пришлось постараться, прежде чем теория получила признание.

Дерзания Моффата продолжаются, на сей раз в царстве темной материи. Ряд его теорий, обосновывающих плоские кривые вращения галактик, известен под общим именем без претензий на изысканность – МОГ, то есть модифицированная гравитация. МОГ немного «подправляет» ньютоновскую гравитацию: на больших расстояниях она действует малость сильнее, чем обычная, привычная нам сила тяготения. И эта «малость», по мнению Моффата, вполне удовлетворительно объясняет результаты наблюдений «Чандры».

Может, там на самом деле есть темная материя, а может, и нет. Остаются альтернативы, и любой беспристрастный наблюдатель должен признать: проблема не решена. Прошло больше шестидесяти лет с тех пор, как обнаружены странности во вращении галактик, и может статься, никто из ныне живущих так и не узнает всей правды о темной материи. А возможно, это случится уже завтра. Но до тех пор, как подчеркивает Адам Рисс, мы не сможем разобраться и с темной энергией.

Исследователи этого феномена тоже не опускают рук. НАСА, Национальный научный фонд и Министерство энергетики США подрядили ученых на дальнейшее изучение темной энергии, и в сентябре 2006 года созданная для этой цели группа опубликовала свой доклад. Большинство авторов рекомендовали развивать «наступательную программу» астрономических наблюдений и экспериментов, направленных непосредственно на разгадку этой тайны. Однако самое любопытное здесь то, что руководитель группы, невзирая на все программные призывы броситься в атаку, смотрит на проблему скорее с позиций фаталистического непротивления. Чего на самом деле нам недостает, считает профессор Чикагского университета Эдвард «Роки» Колб (Роки – это его прозвище, означающее «Каменный»), – так это нового Эйнштейна.

Колб полагает, что природу темной энергии можно постичь, открутив физику назад без малого на девяносто лет. В решении проблемы, по его словам, может серьезно помочь предположение, сделанное теоретиками 1920-х годов в попытках найти окончательное решение уравнений Эйнштейна – и, по существу, завершить математическое описание Вселенной. Они исходили из гипотезы, что Вселенная изотропна, то есть ее физические свойства одинаковы во всех направлениях, куда бы и откуда ни двигаться.

Если такое звучит для вас не слишком внятно, тогда представьте, что вы очутились в самой середке огромного черничного пудинга и из этого положения пытаетесь оглядеться кругом. Запеченные ягодки окружают вас со всех сторон, и кажется, что они рассредоточены в тесте абсолютно равномерно. Взгляд изнутри Вселенной – по сути, то же самое. Конечно, пока мы рассматриваем пространство в пределах Солнечной системы или Млечного Пути, обязательно видны хорошо знакомые приметы, но ориентиры исчезнут, стоит лишь выбрать другую область космоса. Если мы выйдем за свою галактическую «околицу», Вселенная станет совершенно одинаковой во всех направлениях, куда ни обрати взор.

Точно ли это так? Мы не знаем наверняка. Среди астрономов есть и иное мнение: характеристики реликтового излучения подсказывают, что Вселенная, наоборот, анизотропна. Некоторые космологи даже всерьез подумывают о реабилитации отвергнутого еще в начале прошлого века «светоносного эфира» – призрачной субстанции, которая в каких-то направлениях облегчает прохождение лучей через пространство, а в каких-то – нет. В этом старинном сценарии изотропия тоже не предусмотрена. Пока у нас слишком мало информации, чтобы судить с уверенностью о подобных вещах; ясно лишь одно: чтобы хоть как-то приблизиться к истине о «вселенских лакунах», необходима теория, свободная от произвольных допусков. Только она сможет гарантировать, что космологи не впадут в очередное заблуждение.

Такое легче провозгласить, чем сделать. Сказать по совести, мы еще не дотянулись умом, чтобы описать Вселенную без подобных – возможно, губительных – упрощений. Однако, насколько известно, задача все же имеет решение. Дело не только в неспособности ученых к научным озарениям, но еще и в неполноте математического аппарата. В этом смысле сегодняшние ученые подобны своим предшественникам из доэйнштейновской эпохи. В один прекрасный день, по убеждению Эдварда Колба, кто-нибудь поймет, как решить уравнения Эйнштейна без притянутой за уши изотропии, и тогда сумеет совершить нечто выдающееся: допустим, объяснить природу темной энергии. Тут и множественность вселенных – если она реально существует – перестанет тяготеть над нашим пониманием космоса.

Этого, разумеется, стоит ждать с нетерпением. А пока самое лучшее, что можно сделать, – это уверенно повторить вслед за Слайфером его консервативную максиму: Вселенная неизмеримо больше того, что нам известно о ней в данный момент. И уж космос-то всегда готов к новым открытиям.

Кто знает, какие сюрпризы он для нас припас? Тем более что темная энергия и темная материя – не единственные явления, потенциально способные войти в новый канон физики. Есть причины сомневаться, что ее основные законы непреложны во всем космическом пространстве или действуют одинаково в любой момент времени. Доказательство этого, разумеется, в корне изменило бы все представления о развитии Вселенной. Но прежде чем идти по такому следу, стоит вспомнить о двух исследовательских зондах, запущенных в космос в семидесятые годы. Они сейчас удаляются от Солнечной системы – довольно странным путем, отклонившись от заданного курса на некоторую величину. Быть может, аномалия «Пионеров» подскажет, что же не так в нашем мироздании?