Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Если коротко, говорит он, то мы настолько умнее теперь, чем они были тогда, потому что математика не дает нам делать расплывчатые или обоюдно противоречивые предположения. По его словам, физики-теоретики – это научные полубоги, все ближе подбирающиеся к своей мечте о конечной теории. О, как же мне хочется в это верить! Но я не могу. А раз уж утрата веры и привела меня сюда, я возражаю против идеи, что теория якобы сама себя объясняет.

«Но математическая согласованность кажется довольно слабым требованием, – говорю я. – Есть много вещей, которые математически согласованны, однако же не имеют никакого отношения к миру».

«Да, это верно, – говорит Вайнберг. – И я полагаю, что в итоге математическая согласованность не будет достаточно сильным требованием, чтобы выявить единственно возможную теорию. Думаю, в лучшем случае мы можем надеяться найти теорию, уникальную в том смысле, что она будет единственной математически согласованной теорией, которая к тому же будет богатой, с массой эффектов, и особенно – допускающей возможность возникновения жизни».

«Видите ли, – продолжает он, – я убежден в том, что вы правы: математической согласованности недостаточно, поскольку мы можем наизобретать теорий, которые будут, по нашему мнению, математически согласованны, но точно не будут описывать реальный мир. Мне нравится теория с одной-единственной частицей, которая ни с чем не взаимодействует, сидит себе в пустом пространстве, и ничего с ней никогда не происходит. Эта теория математически согласованна, но не слишком-то интересна и богата. И может, реальным миром правит единственная математически согласованная теория, которая допускает существование яркого мира, множества явлений, богатой истории. Но мы очень далеко от того, чтобы прийти к такому заключению».

Представьте, что нам это удалось. Вообразите: физики-теоретики доказали, что есть только один, исчерпывающий закон природы, который мог создать нас. Наконец-то все обрело бы смысл: звезды и планеты, свет и тьма, жизнь и смерть. Мы познали бы причину всех до единой случайностей, осознали бы, что не могло быть иначе: не могло быть лучше, не могло быть хуже. Мы были бы на равных с природой, имели бы право взглянуть на Вселенную и сказать: «Я понимаю».

Это давняя мечта – отыскать смысл в том, что кажется бессмысленным. Но дело тут не только в обретении смысла. Случись такой прорыв – и физики-теоретики станут арбитрами истины. Вооруженные знанием того, как соблюдается естественный закон, они возьмутся и за другие науки, высвобождая открытия, до сих пор спрятанные от нас пеленой тайны. Физики-теоретики изменят мир. Станут героями. И наконец-таки смогут вычислить массу бозона Хиггса.

Я понимаю, в чем тут притягательность. Но не могу уразуметь, почему выведение единого закона природы – это нечто большее, нежели просто мечта. Вряд ли для того, чтобы к ней приблизиться, стоит использовать естественность в качестве ориентира. А какая есть альтернатива? Вайнберг выразил надежду, что существует единственная «математически согласованная теория, которая допускает существование яркого мира». Однако найти согласованную теорию, которая бы не противоречила наблюдениям, легко: просто используйте теорию, которая не дает предсказаний. Не может быть, чтобы он имел в виду это, думаю я. И говорю: «Тогда нужно, чтобы теория обладала неплохой предсказательной силой – чтобы служить источником параметров, необходимых для сложной атомной и ядерной физики».

«Не знаю, – говорит Вайнберг, пожимая плечами. – Возможно, верная теория допускает возникновение множества больших взрывов на ранней стадии развития Вселенной. В этих разных больших взрывах, происходящих одновременно, физические константы сильно различаются, и мы никогда не сумеем предсказать, какие они в других больших взрывах, изнутри нашего. Это все равно что пытаться предсказать расстояние от Солнца до Земли из чисто теоретических соображений. Очевидно, что существуют миллиарды планет и все они располагаются на разных расстояниях от своих звезд – на расстояниях, которые можно даже не надеяться предсказать. Не исключено, что больших взрывов вообще неограниченное количество. И значения физических констант в нашем Большом взрыве такие, какие просто случайно пришлись на него».

«Все это досужие домыслы, – добавляет Вайнберг. – Мы не знаем, правда ли хоть что-то из этого. Но как логическая возможность такой сценарий точно имеет право на существование. И есть физические теории, допускающие подобные сценарии».

Безграничные возможности

Вы – один из примерно семи миллиардов человек на этой планете. Наше Солнце – одна из примерно ста миллиардов звезд Млечного Пути. Млечный Путь – одна из примерно ста миллиардов галактик в нашей Вселенной[62]. Возможно, существуют и другие вселенные, все вместе составляющие «мультивселенную». Вы думаете, чего уж тут такого? А ведь на настоящий момент это самая спорная идея в физике.

Космолог Пол Стейнхардт называет идею мультивселенной «вычурной, неестественной, непроверяемой и, наконец, опасной для науки и общества»⁷². По словам Пола Дэвиса, это «лишь безыскусный деизм, обряженный в одежды научного языка»⁷³. Джордж Эллис предостерегает, что «сторонники мультивселенной… неявным образом переопределяют понимаемое под словом “наука”»⁷⁴. Дэвид Гросс считает, что «тут попахивает ангелами»⁷⁵. С точки зрения Нила Турока, это «полнейшая катастрофа»⁷⁶. Популяризатор науки Джон Хорган сетует, что «теории о мультивселенной не есть теории – это научная фантастика, теология, построения, созданные воображением и не стесненные доказательствами»⁷⁷.

Противоположной точки зрения в этом споре придерживается, например, Леонард Сасскинд: он находит «волнующей мысль, что Вселенная, возможно, гораздо больше, богаче и разнообразнее, чем мы когда-либо думали»⁷⁸. Бернард Карр полагает, что «понятие мультивселенной подразумевает новое понимание природы науки, поэтому неудивительно, что это вызывает интеллектуальный дискомфорт»⁷⁹. Макс Тегмарк утверждает, что противники мультивселенной «эмоционально предубеждены против смещения всех нас из центра внимания»⁸⁰. А Том Зигфрид думает, что критика идеи о мультивселенной «того же рода, как и та, что заставила некоторых ученых и философов XIX века отрицать существование атомов»⁸¹. Ух.

Так в чем же проблема? Да в том, что, как научил нас Эйнштейн, путешествовать сквозь пространство быстрее света ничто не может. Значит, в каждый конкретный момент скорость света ограничивает то, насколько далеко мы можем видеть, – этот предел называется «космологическим горизонтом». Любой переносчик, кроме света, будет медленнее или – в случае самой гравитации – таким же быстрым, как свет. Следовательно, если какой-либо объект находится настолько далеко, что свет от него еще не сумел до нас добраться, то мы не вправе утверждать, что этот объект вообще там где-то есть.

Но, хотя ничто не в силах двигаться в пространстве быстрее света, само пространство подобных пределов не знает. Оно может расширяться, что и делает в мультивселенной, быстрее света, а потому есть области, свет от которых никогда нас не достигнет. В мультивселенной все остальные вселенные располагаются в таких вот областях и поэтому причинно не связаны с нами. Недосягаемы вовек. Стало быть, говорят противники мультивселенной, вы никогда не сможете подвергнуть ее каким-либо измерениям, а значит, она не относится к сфере науки.

В ответ защитники мультивселенной заявляют: если теория имеет элементы, не поддающиеся наблюдению, это еще не означает, что она не может давать предсказаний. С тех пор как зародилась квантовая механика, мы знаем: неверно требовать, чтобы все математические структуры теории напрямую соотносились с наблюдаемыми величинами. Например, волновая функция сама по себе неизмерима – измеримо лишь распределение вероятностей, получаемое из волновой функции. Нужно сказать, что не все довольны таким положением вещей. Однако же все мы согласны с тем, что квантовая механика тем не менее крайне успешна.

Насколько охотно физики принимают ненаблюдаемые элементы теории в качестве необходимых, зависит от того, насколько они верят в эту теорию и надеются, что она приведет к еще более глубоким прозрениям. Но нет ничего априорно ненаучного в теории, содержащей ненаблюдаемые элементы.

Извлечь предсказания из теории о мультивселенной возможно – несмотря на то, что бо́льшая ее часть ненаблюдаема, – если исследовать вероятность того, что в одной из вселенных мультивселенной законы природы походят на наши. Мы бы тогда все равно не смогли вывести фундаментальные законы природы в нашей Вселенной, но все же смогли бы сделать вывод, какие законы мы бы с большей вероятностью наблюдали. А это, утверждают сторонники идеи, лучшее, что мы можем. Это смена парадигмы, сдвиг в представлении о том, каким должно быть утверждение, чтобы вообще считаться научным. Если вы с этим не согласны, если не принимаете новую науку, значит, вы препятствуете прогрессу и безнадежно отстали – ископаемые остатки, готовые погрузиться навеки в ил.

Вы не можете вычислить никаких вероятностей в мультивселенной, возражают противники идеи, поскольку есть бесконечно много возможностей для всех этих вероятностей, а вы не можете достоверно сравнить одни бесконечности с другими. Это возможно, но вам нужна тогда математическая схема – распределение вероятностей, или «мера», – которая говорила бы вам, как укротить бесконечности. И откуда же возьмется это распределение вероятностей? Чтобы получить его, вам нужна другая теория. А на этом этапе почему бы не попытаться отыскать теорию, которая вообще не порождает все эти ненаблюдаемые вселенные?

Это не вариант, отвечают защитники идеи. Если мы живем в наилучшем из всех возможных миров, то что же насчет остальных возможных миров? Нельзя их просто игнорировать. Не мы это заварили, говорят сторонники мультивселенной, наши теории заставляют нас с этим смириться. Это не мы сами – математика вынудила нас. А математика не врет. Мы просто-напросто стараемся быть объективными, хорошими учеными, говорят они. Если вы противитесь, то это чистое отпирательство, вы просто отказываетесь принять не нравящиеся вам логические следствия.

И так продолжается уже два десятилетия.

У нас нет оснований считать, что Вселенная заканчивается за космологическим горизонтом и завтра мы обнаружим, что нет больше галактик, кроме тех, что мы способны увидеть сегодня. Но как далеко простирается россыпь галактик, похожих на те, что нас окружают, никто не знает – и никто не может знать. Мы даже не знаем, бесконечно ли пространство или в конце концов замыкается само на себя, делая Вселенную конечной, замкнутой, с радиусом гораздо большим, чем мы сейчас видим.

Такое продолжение Вселенной в известном нам виде непротиворечиво, и не это обычно понимается под «мультивселенной». А вот та самая мультивселенная содержит области, нисколько не похожие на все, что мы наблюдаем вокруг себя. И есть несколько типов подобных мультивселенных, которые физики-теоретики сегодня считают логическими следствиями своих теорий.

Из-за этого перечня у вас может создаться впечатление, будто мультивселенная – это что-то новое, но единственно новое здесь то, как упорно физики верят в ее реальность. Поскольку всякая теория нуждается в наблюдательных входных данных, чтобы определить параметры или подобрать аксиомы, любая теория приводит к мультивселенной, когда входных данных нет. Вы могли бы сказать мне: «Что ж, все эти возможные варианты выбора должны существовать, а значит, они составляют мультивселенную». Если цель – теория, которая может объяснить все из ничего, то предсказания этой теории должны в итоге стать неопределенными – и тогда мультивселенная неминуема.

Ньютон, допустим, мог бы просто отказаться измерять гравитационную постоянную и вместо этого заявить, что, мол, на каждое возможное ее значение должно быть по вселенной[64]. Эйнштейн мог бы рассудить, что все решения уравнений общей теории относительности должны существовать где-то в мультивселенной. Вы можете создать мультивселенную для любой теории – стоит лишь отбросить достаточное количество допущений или отринуть привязку к наблюдениям.

Увлечение мультивселенными возникло потому, что некоторые физики более не довольствуются теориями, объясняющими наблюдения. Пытаясь прыгнуть выше собственной головы, они избавляются от слишком многих допущений, а затем делают вывод, что мы живем в мультивселенной, поскольку больше ничего не могут объяснить.

Но может, я просто древняя окаменелость, покоиться бы которой в осадочных породах…

Цель науки – объяснять наблюдаемое в природе. Однако предсказаниям теории, для того чтобы проклюнуться, иногда требуется долгий инкубационный период. А стало быть, утверждаю я, серьезное отношение к мультивселенным вместо обращения с ними как с математическими артефактами, коими, думаю, они и являются, может в конце концов привести к новым открытиям. Вопрос, таким образом, сводится к следующему: насколько вероятно, что такой подход даст новые знания? И это возвращает меня к исходной проблеме, из-за которой я и отправилась в путешествие длиною в книгу: как мы оцениваем перспективы теории, в пользу которой нет никаких эмпирических данных?

Не все варианты мультивселенной абсолютно непроверяемы. Согласно теории бесконечной инфляции, например, наша Вселенная в прошлом могла столкнуться с другой вселенной, а такое «столкновение пузырей» оставило бы в реликтовом излучении измеримый след. Его искали и не нашли. Это не сбрасывает со счетов мультивселенную, но исключает существование в прошлом подобного столкновения.

Другие физики утверждают, что некоторые варианты мультивселенной могли породить особую россыпь маленьких черных дыр в нашей Вселенной, что имело бы последствия, которые мы вскоре сможем наблюдать ⁸⁵. А несбывающееся предсказание теории о мультивселенной попросту означает, что нам нужно распределение вероятностей, которое сделало бы ненаблюдаемый феномен маловероятным, – так что давайте искать работающее распределение. Такой подход к космологии столь же многообещающий, как попытка постичь «Войну и мир», выкидывая все остальные книги. Но, отдадим должное этим ученым, они хотя бы пытаются.

[62] По оценкам на 2019 год, существует около двух триллионов галактик. – Прим. перев.

[64] Точности ради отметим, что значение гравитационной постоянной (коэффициента пропорциональности в законе всемирного тяготения) как таковой было измерено существенно позже, не самим Ньютоном. – Прим. перев.