Брайан Грин Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса
«Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса»: УРСС: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»; Москва; 2013
ISBN 978-5-453-00035-7, 978-5-397-03333-6
Аннотация
Брайан Грин - автор мировых бестселлеров "Элегантная Вселенная" и "Ткань космоса" - представляет новую книгу, в которой рассматривается потрясающий вопрос: является ли наша Вселенная единственной?
Было время, когда слово "вселенная" означало "все сущее". Абсолютно все. Однако сейчас мы не склонны так думать. Современные исследования по физике и космологии наталкивают ученых на мысль, что наша Вселенная может быть далеко не единственной в просторах космоса. Идеи о множественности миров подпитываются разносторонними научными исследованиями как на микроуровне субатомных частиц, так и на гигантских масштабах манящего космоса. Может так случиться, что эти строки вместе с вами читают ваши многочисленные двойники в других вселенных; или, возможно, просторы космоса заполнены дочерними вселенными; или существуют вселенные, которые пульсируют в бесконечных циклах времени; а вдруг совсем рядом c нами парят другие мультивселенные, нам, увы, невидимые; а что если все возможности, допускаемые квантовой механикой, на самом деле превращаются в реальность, но каждая в своей отдельной вселенной? И, как бы странно это ни звучало, как вам нравится мультивселенная, сотворенная из чистой математики?
В своем блестящем стиле, усыпанном красивыми аналогиями и яркими примерами, Брайан Грин - один из всемирно признанных физиков - рисует удивительно богатый мир мультивселенных и предлагает читателям проследовать вместе с ним через параллельные вселенные по пути, ведущему к познанию истины.
Но пусть читателя не пугает высота горы, на которую ему предлагают взобраться и обозреть с этой высоты реальность. С присущей ему элегантностью Грин мастерски обсуждает сложнейший научный материал на живом динамичном языке, без привлечения абстрактного языка формул, показывая читателю красоту науки на передовых рубежах исследования. Автор также поднимает острейший вопрос о том, как может развиваться научное знание в условиях, когда только малая толика реальности доступна нам для изучения.
Эта яркая книга является, безусловно, событием в жанре научно-популярной литературы. "Скрытая реальность" - это умный и захватывающий рассказ о том, насколько невероятной может быть реальность и как нам проникнуть в ее тайны.
Брайан Грин
Скрытая реальность
Параллельные миры и глубинные законы космоса
Алеку и Софии.
Предисловие
Если на пороге двадцатого столетия ещё и оставались сомнения, то в двадцать первом вывод был предрешён — в вопросах познания истинной природы реальности наш повседневный опыт вводит нас в заблуждение. Если вдуматься, это не так уж странно. Когда наши дальние предки охотились в саванне и собирали лесные дары, умение рассчитывать квантовое поведение электрона или определять космологическую роль чёрных дыр вряд ли могло быть подспорьем в выживании вида. Однако увеличившийся размер мозга действительно стал преимуществом, и за ростом наших интеллектуальных способностей открылись и новые возможности для более глубокого исследования окружающего мира. Одни представители вида создали инструменты, расширяющие сферу восприятия наших органов чувств, другие овладели методом систематического выявления и описания закономерностей — математикой. Вооружённые этим арсеналом, мы стали заглядывать за границы повседневного опыта.
То, что мы при этом обнаружили, потребовало масштабных перемен в нашей картине космоса. Путём интуитивных озарений в понимании физических явлений и строгих математических рассуждений, вдохновляемые экспериментами и подтверждающими наблюдениями, мы выяснили, что поведение пространства, времени, материи и энергии может разительно отличаться от всего, с чем мы непосредственно сталкивались. Теперь же, вдумчиво анализируя эти открытия и связанные с ними находки, мы приближаемся к тому, что может вызвать новый переворот в нашем понимании реальности, — мы допускаем возможность, что наша Вселенная — не единственная. В книге «Скрытая реальность» исследуется это предположение.
Работая над этой книгой, я исходил из того, что её читатели могут не иметь специальной подготовки в области физики или математики. Как и в предыдущих своих книгах, вместо формул я прибегаю к помощи метафор и аналогий, перемежающихся историческими отступлениями, чтобы в общедоступной форме рассказать о некоторых весьма странных и удивительных (если их правильность подтвердится) положениях современной физики. Многие из представленных здесь идей потребуют от читателя готовности отбросить привычный образ мышления и посмотреть на реальность с весьма необычной стороны. Но путь нам будут освещать научные достижения, так что путешествие будет ясным и захватывающим. Я придирчиво отобрал самые впечатляющие идеи на пути, ведущем от повседневного к неизведанному.
В этой книге, в отличие от предыдущих, нет вводных глав, где систематически излагались бы предварительные сведения по специальной и общей теории относительности и квантовой механике. Вместо этого я ввожу элементы этих теорий по мере необходимости; если я вижу, что в том или ином месте книга потеряет самодостаточность без подробного технического изложения, я предупреждаю об этом более подготовленных читателей и отмечаю те разделы, которые они могут пропустить без опасений. А вот последние страницы различных глав, наоборот, ведут к углублённому рассмотрению материала, который может оказаться сложным для некоторых читателей. Когда мы переходим к таким разделам, я предлагаю менее искушённым читателям краткое резюме и возможность перескочить вперёд, не потеряв при этом из виду целостную картину. Вместе с тем я хотел бы призвать всех читателей попытаться вникнуть в материал этих разделов настолько глубоко, насколько позволит любопытство и терпение. Несмотря на всё сказанное выше, этот материал предназначен для широкой аудитории, и единственным предварительным требованием для его освоения по-прежнему является лишь наличие у читателя упорства.
Примечания с этой точки зрения составлены иначе. Читатель-новичок может полностью пропустить их; читатель, обладающий более серьёзной подготовкой, найдёт в примечаниях дальнейшее развитие высказанных идей или те пояснения, которые я счёл важными, но слишком громоздкими для включения в основной текст книги. Многие из примечаний предполагают наличие у читателя специального образования в области математики или физики.
В процессе написания этой книги многие мои друзья, коллеги, члены моей семьи прочли отдельные главы или всю книгу целиком и поделились со мной своим мнением и критическими замечаниями, из которых я извлёк немало пользы. Мне хотелось бы особо отметить Дэвида Альберта, Кена Винберга, Риту Грин, Саймона Джудса, Трейси Дэй, Ричарда Истера, Дэниела Кабата, Дэвида Кагана, Пола Кайзера, Рафаэля Каспера, Хуана Малдасену, Катинку Мэтсон, Малика Париха, Маркуса Пёсселя и Майкла Поповица.
Работа с Марти Эшером, моим редактором в издательстве «Knopf», неизменно доставляет мне удовольствие. Благодарю Эндрю Карлсона, профессионально опекавшего мою книгу на заключительных этапах подготовки к печати. Прекрасные иллюстрации, созданные Джейсоном Северсом, сделали книгу гораздо более доступной, и я благодарен ему как за талант, так и за терпение. С удовольствием благодарю также моих литературных агентов — Катанку Мэтсон и Джона Брокмана.
В ходе многочисленных бесед с коллегами я оттачивал свой подход к материалу, изложенному в этой книге. Кроме тех, кого я уже упомянул, хочу особо поблагодарить Роберта Бранденбергера, Рафаэля Буссо, Эрика Вайнберга, Кумруна Вафу, Фредерика Денефа, Жака Дистлера, Майкла Дугласа, Лоуренса Краусса, Жанну Левин, Барри Лоевера, Андрея Линде, Сета Ллойда, Сола Перлмуттера, Леонарда Сасскинда, Пола Стейнхарда, Эндрю Строминджера, Генри Тая, Макса Тегмарка, Дэвида Уолласа, Лама Ху, Стива Шенкера, Юргена Шмидхубера и Шин-Туна Яу.
Свою первую научно-популярную книгу — «Элегантная Вселенная» — я начал писать летом 1996 года. На протяжении последующих пятнадцати лет у меня была возможность наслаждаться новыми неожиданными и плодотворными связями между областью моих технических исследований и вопросами, которые я поднимал в своих книгах. Я благодарен моим студентам и коллегам из Колумбийского университета за ту живую и творческую исследовательскую обстановку, которую они создали, Министерству энергетики — за финансирование моих научных изысканий, а также недавно нас покинувшему Пентти Коури — за щедрую поддержку исследовательского центра при Колумбийском университете — Института теории струн, космологии и астрофизики.
Наконец, спасибо Трейси, Алеку и Софии: благодаря им эта Вселенная стала лучшей из всех возможных!
Глава 1. Границы реальности
О параллельных мирах
Если бы, когда я был ребёнком, в моей комнате было лишь одно зеркало, мои детские мечты были бы, вероятно, совсем другими. Но зеркал было два. И каждое утро, когда я открывал шкаф, чтобы достать одежду, зеркало в дверце шкафа оказывалось напротив зеркала на стене, порождая бесконечную череду отражений всего, что попадало в пространство между зеркалами. Это было чарующее зрелище. Я восхищённо наблюдал за картинами, заполнявшими параллельные зеркальные плоскости и уходившими вглубь, насколько хватало взгляда. Казалось, что все отражения двигаются в такт, — но я понимал, что причиной тому является ограниченность человеческих органов чувств: с довольно юных лет я знал о том, что скорость распространения света конечна. А потому мысленным взором я видел, как свет путешествует взад-вперёд — туда, обратно и снова туда. Бесшумное эхо от кивка головы, от взмаха руки носилось между зеркалами, поочерёдно отражавшими образы. Порой я воображал, что одно из моих далёких отражений дерзко отказывается встать на место и ломает строгий ряд, творя новую реальность, которая формирует все следующие за ней. А когда на уроке в школе вдруг наступало затишье, я иногда задумывался о том луче света, который покинул меня этим утром и до сих пор скачет между зеркалами, и мысленно присоединялся к одному из своих отражений, входя в воображаемый параллельный мир, созданный светом и оживлённый моей фантазией.
Конечно, отражения сами по себе не стоят особого упоминания. Но полёты детской фантазии в воображаемых параллельных реальностях перекликаются с одной научной темой, звучащей всё громче и громче, — с идеей о том, что за пределами известного нам мира могут существовать другие миры. Эта книга представляет собой исследование такой возможности — вдумчивую экскурсию в теорию параллельных вселенных.
Вселенная и вселенные
Когда-то слово «вселенная» означало «всё сущее». Абсолютно всё. Всё и всякую всячину вокруг нас. Упоминание о более чем одной вселенной, более чем одном «всём» выглядело бы терминологическим противоречием. Однако постепенно исследователи в своих теоретических изысканиях понемногу уточняли интерпретацию слова «вселенная». Значение этого слова стало зависеть от контекста. Иногда «вселенной» по-прежнему называли всё. Иногда под этим понимали только ту часть всего, до которой кто-либо вроде вас или меня может так или иначе добраться. А иногда это понятие применяют, чтобы обозначить самостоятельные области реальности, которые частично или полностью, временно или навсегда недоступны для нас; в таком значении это слово низводит нашу Вселенную до положения одной из широкого (возможно, бесконечно широкого) набора других.
Лишённое своего господствующего положения, слово «вселенная» открыло путь другим терминам, охватывающим то более обширное полотно, на котором можно разместить картину всей полноты реальности. Параллельные миры, или параллельные вселенные, или множественные миры, или альтернативные вселенные, или метаверс, мегаверс либо мультиверс, мультивселенные — всё это синонимы в ряду тех слов, с помощью которых люди стремятся охватить не только нашу Вселенную, а весь спектр других вселенных, возможно, существующих за пределами известного.
Вы можете заметить, что эти термины несколько расплывчаты. Из чего в точности составлен мир, или Вселенная? По какому критерию мы можем отличить разные области одной вселенной от самостоятельных вселенных? Возможно, в один прекрасный день наше понимание того, что такое множественные вселенные, станет достаточно полным, чтобы мы смогли дать точные ответы на эти вопросы. Пока же мы не станем сражаться с абстрактными определениями, а используем подход, который с успехом применил судья Поттер Стюарт, — когда Верховный суд США бился над выработкой стандарта для определения порнографии, Стюарт провозгласил: «Если я её увижу, то сразу узнаю».
В конечном итоге вопрос о том, назвать ли ту или иную область реальности параллельной вселенной, — исключительно лингвистический. Действительно важный вопрос, который является средоточием проблемы, звучит так: существуют ли такие области, которые бросают вызов устоявшимся взглядам и заставляют нас предположить, что то, что мы до сих пор считали всей Вселенной, — лишь составная часть значительно большей, гораздо более странной и по большей части скрытой от нас реальности.
Разнообразие параллельных вселенных
Поразительный факт (послуживший одним из толчков к написанию этой книги) состоит в том, что многие из магистральных разработок в фундаментальной теоретической физике — в релятивистской физике, квантовой физике, космологии, теории объединения, вычислительной физике — приводят к размышлениям о той или иной разновидности параллельных вселенных. Маршрут нашего повествования в последующих главах проходит через девять вариаций на тему мультивселенной. В каждой из них наша Вселенная предстаёт как часть неожиданно более масштабного целого, но сложность этого целого и природа составляющих его вселенных весьма отличаются от главы к главе. В одних картинах параллельные вселенные разделены колоссальными расстояниями или промежутками времени; в других они ведут призрачное существование в считанных миллиметрах от нас; в третьих же сама попытка говорить об их местоположении наивна и лишена всякого смысла. Подобное многообразие возможностей обнаруживается и в тех законах, которые управляют этими параллельными вселенными. Где-то эти законы — такие же, как в нашей Вселенной; в других вселенных они выглядят иначе, но имеют похожую родословную; в третьих они по форме и структуре не похожи ни на что из того, с чем нам доводилось иметь дело прежде. Попытки представить себе, насколько разнообразной и необъятной может быть реальность, заставляют чувствовать одновременно и восторг, и покорность перед её величием.
Первые ранние научные вылазки в параллельные миры начались в 1950-х годах. Их предприняли исследователи, ломавшие голову над некоторыми вопросами квантовой механики — теории, призванной объяснить те явления, которые происходят на микроскопическом уровне — в царстве атомов и субатомных частиц. Квантовая механика сокрушила прежний каркас физики — классическую механику, — установив, что научные предсказания являются с неизбежностью вероятностными. Мы можем предсказать шансы одного исхода событий, мы можем предсказать шансы другого, но мы, вообще говоря, не можем с уверенностью сказать, какой из них действительно произойдёт. Этот хорошо известный отход от многовековых наработок научной мысли сам по себе поразителен. Но есть ещё более изумительный аспект квантовой теории, на который обращают мало внимания. После десятилетий пристального изучения квантовой механики, имея в распоряжении богатейший набор данных, накопленных за это время и подтверждающих её вероятностные предсказания, никто не в состоянии объяснить, почему в каждой конкретной ситуации в действительности случается только один из многих возможных исходов. Когда мы ставим эксперименты, когда мы исследуем наш мир, мы все сходимся в том, что имеем дело с единственной вполне определённой реальностью. Однако спустя более столетия после квантовой революции среди учёных-физиков нет согласия относительно того, как этот основополагающий факт согласуется с математической формулировкой квантовой теории.
С течением времени этот существенный пробел в нашем понимании породил множество творческих гипотез, но самая поразительная возникла одной из первых. Возможно, утверждает эта гипотеза, привычное представление о наличии одного и только одного исхода у любого эксперимента — в корне неверно. Математика, лежащая в основе квантовой механики, допускает (по крайней мере под некоторым углом зрения), что случаются все возможные исходы, но каждый из них обитает в собственной отдельной вселенной. Если квантовые расчёты предсказывают, что частица может находиться тут, а может — там, то в одной вселенной она находится тут, а в другой находится там. И в каждой такой вселенной есть копия вас, которая наблюдает за тем или иным исходом, полагая — ошибочно, — что окружающая её реальность единственна. Если вы задумаетесь о том, что квантовая механика стоит за всеми физическими процессами, от слияния атомов на Солнце до электрических перестрелок между нейронами, что составляет основу мышления, вам станет очевидно, как далеко могут завести нас следствия этой гипотезы. Она говорит нам, что нехоженых тропинок не бывает. Но каждая такая тропинка — каждая реальность — спрятана от всех остальных.
В последние десятилетия этот интригующий подход к квантовой механике, опирающийся на множественность миров, дразнит воображение. Однако исследования показали, что в качестве каркаса теории он слишком хрупок и противоречив (мы обсудим это в главе 8); поэтому даже сегодня, после более чем полувека проверок, это допущение остаётся спорным. Одни специалисты по квантовой теории утверждают, что его корректность уже доказана, тогда как другие столь же уверенно заявляют, что математические подпорки под этой гипотезой не стыкуются друг с другом.
Несмотря на столь неопределённое положение в науке, эта ранняя версия гипотезы о параллельных вселенных перекликается с идеями о затерянной земле или альтернативной истории, которые проникли в литературу, телесериалы, фильмы и которые продолжают творчески переосмыслять и в наши дни. (Среди моих любимых с детства произведений на эту тему — «Волшебник страны Оз», «Эта прекрасная жизнь», эпизод «Город на краю вечности» из сериала «Звёздный путь», рассказ Борхеса «Сад расходящихся тропок» и, из более позднего, «Осторожно, двери закрываются» и «Беги, Лола, беги».) Благодаря этим и многим другим творениям массовой культуры тема параллельных реальностей стала частью духа нашего времени и обрела притягательность для широкой публики. Однако квантовая механика — лишь один из многочисленных путей, на которых в современной физике возникает понятие параллельных вселенных. И этот путь мы будем обсуждать даже не в первую очередь.
В главе 2 мы изберём другой подход к теме параллельных вселенных — возможно, наиболее простой из всех. Мы увидим, что если пространство бесконечно — идея, которая находится в согласии со всеми наблюдениями и является частью той космологической модели, которую предпочитают многие физики и астрономы, — то где-то там обязаны существовать области, где копия меня, и копия вас, и копии всего вокруг нас наслаждаются альтернативной версией той реальности, с которой имеем дело мы. В главе 3 мы заберёмся глубже в космологические вопросы: инфляционная теория — подход, в котором ранние моменты существования связаны с колоссальным взрывом молниеносно расширяющегося пространства, — порождает собственную версию параллельных миров. Если инфляционный сценарий верен (а об этом свидетельствуют самые тщательные астрономические наблюдения), то взрыв, создавший нашу область пространства, мог быть не единственным. Инфляционное расширение в отдалённых областях прямо сейчас может порождать вселенную за вселенной и делать это вечно. Более того, каждая такая дочерняя вселенная сама бесконечно расширяется в пространстве и содержит бесконечное число параллельных миров, о которых говорится в главе 2.
В главе 4 наш маршрут свернёт к теории струн. После беглого ознакомления с основами я расскажу о нынешнем состоянии этого подхода к объединению всех законов природы. Опираясь на этот обзор, в главах 5 и 6 мы рассмотрим последние достижения теории струн, из которых следуют три новых вида параллельных вселенных. Первый возникает из сценария мира на бране, в котором наша Вселенная — один из по-видимому многочисленных «листов», парящих в многомерном пространстве, наподобие ломтя грандиозной космической буханки хлеба.1 Если нам повезёт, то в не столь отдалённом будущем этот подход сможет пройти проверку на Большом адронном коллайдере в Женеве (Швейцария). Параллельные вселенные второго вида возникают, когда миры на бранах сталкиваются друг с другом, уничтожая всё своё содержимое и приводя к новому горячему большому взрыву — как тому началу, которое породило каждого из них. Подобно хлопкам двух огромных ладоней, это может происходить снова и снова: браны могут соударяться, отскакивать друг от друга, притягиваться силами тяготения и снова сталкиваться — циклический процесс, порождающий вселенные, параллельные не в пространстве, а во времени. Третий сценарий — это сценарий «ландшафта» в теории струн, в основе которого лежит колоссальное разнообразие форм и размеров дополнительных пространственных измерений, требуемых теорией. Мы увидим, что струнный ландшафт, будучи объединённым с идеей инфляционной мультивселенной, подразумевает наличие безграничного набора вселенных, реализующих все возможные формы дополнительных измерений.
В главе 6 мы сосредоточимся на том, как все эти соображения проливают свет на самые удивительные результаты наблюдений последнего столетия: похоже, что пространство равномерно заполнено рассеянной энергией, которая может оказаться вариацией на тему известной космологической постоянной Эйнштейна. Это наблюдение послужило отправной точкой для многих актуальных изысканий в области параллельных вселенных и стало причиной одной из самых горячих дискуссий за последние десятилетия — дискуссии о том, какими должны быть приемлемые научные объяснения. Глава 7 развивает эту тему, поднимая более общий вопрос: можно ли вообще рассматривать размышления о вселенных за пределами нашей как область науки? Можем ли мы проверить эти идеи? Продвигаемся ли мы вперёд, привлекая эти идеи для решения стоящих перед нами выдающихся проблем, — или просто заметаем эти проблемы под ковёр, удобный своей космической недоступностью? Я стремился к тому, чтобы изложить как есть основные доводы противоборствующих позиций, подчеркнув при этом мою собственную точку зрения: при определённых условиях параллельные вселенные несомненно попадают в сферу компетенции науки.
Квантовая механика с её вариантом параллельных вселенных в форме множественных миров является предметом обсуждения в главе 8. Я кратко напомню основные положения квантовой механики, а затем сосредоточусь на самой трудной проблеме теории: как получить чётко определённые результаты от теории, базовая парадигма которой допускает сосуществование несовместимых реальностей в аморфном (хотя и математически точно описанном) вероятностном тумане. Я бережно проведу вас через рассуждения, которые в поисках ответа на этот вопрос приводят нас к идее разместить квантовую реальность в её собственном изобилии параллельных миров.
Глава 9 погружает нас в квантовую реальность ещё глубже, рассказывая о том, что, на мой взгляд, является самым странным вариантом идеи параллельных вселенных. Речь идёт о предложении, которое исподволь вызревало в ходе теоретического изучения квантовых свойств чёрных дыр в течение последних тридцати лет. Эта работа достигла кульминации в последнее десятилетие, когда теория струн дала ошеломительный результат, из которого следует удивительный вывод: весь наш опыт — не что иное как голографическая проекция процессов, происходящих на некоторой очень далёкой поверхности, окружающей нас. Вы можете ущипнуть себя, и ваши ощущения будут при этом реальными, но они отразят собой параллельный процесс, который имеет место в другой, далёкой реальности.
Наконец, в главе 10 на сцену выходит ещё более причудливая возможность — искусственные вселенные. Первым пунктом нашей повестки дня будет вопрос о том, позволяют ли нам законы физики создавать новые вселенные. Затем мы обратим свой взгляд на вселенные, создаваемые не физическим путём, а программным — на такие вселенные, которые мог бы смоделировать некий сверхмощный компьютер, — и поразмыслим над тем, уверены ли мы, что не являемся обитателями созданной кем-то или чем-то имитации. Это приведёт нас к самому необузданному предположению о параллельных вселенных, выдвинутому философским сообществом: каждый возможный вариант вселенной реализован где-то внутри того, что с уверенностью можно назвать величайшей из мультивселенных. Это обсуждение естественным образом упирается в вопрос о роли математики в распутывании научных загадок и, в конечном итоге, о нашей способности или неспособности достичь глубочайшего понимания природы реальности.
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]
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 = mc 2, 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.
Гравитационная декларация
Часто говорят, что Эйнштейн пал духом — якобы он вернулся к своим записям и в отчаянии принялся корёжить уравнения общей теории относительности, пытаясь привести их в согласие с идеей однородной и неизменной вселенной. Это правда лишь отчасти. Эйнштейн действительно изменил свои уравнения так, чтобы они подкрепили его убеждённость в статичности космоса, однако эти изменения были минимальными и совершенно здравыми.
Чтобы получить представление о его математических шагах, вспомните, как выглядит бланк вашей налоговой декларации. Есть строки, в которые вы вписываете какие-то числа, а есть строки, остающиеся пустыми. С математической точки зрения незаполненная строка означает, что денежная сумма равна нулю, но психологически она подразумевает нечто большее. Она говорит о том, что вы проигнорировали эту строку, поскольку решили, что она не имеет отношения к вашей финансовой ситуации.
Если формулы общей теории относительности оформить наподобие налоговой декларации, получится бланк из трёх строк. Одна строка будет описывать геометрию пространства-времени — его искривления и скрученности, которые являются воплощением гравитации. Вторая строка будет описывать распределение материи в пространстве, то есть источник гравитации — причину появления этих искривлений и скрученностей. В итоге десятилетних напряжённых исследований Эйнштейн сформулировал математическое описание этих двух характеристик и тем самым с величайшим тщанием заполнил две строки нашего бланка. Однако полная бухгалтерия общей теории относительности требует наличия третьей строки — строки, которая опирается абсолютно на тот же математический фундамент, что и первые две, но имеет более тонкий физический смысл. Когда пространство и время, прежде лишь снабжавшие нас языком для описания того, где и когда происходят те или иные события, благодаря общей теория относительности стали активными участниками космического действа, они превратились в физические сущности с собственными важными свойствами. Третья строка налогового бланка общей теории относительности измеряет одно из этих свойств пространства-времени, имеющее отношение к гравитации, — количество энергии, «зашитой» в саму ткань пространства. Точно так же как каждый кубический метр воды содержит в себе определённое количество энергии, характеризуемое температурой воды, каждый кубический метр пространства содержит в себе определённое количество энергии, характеризуемое числом из третьей строки. В своей статье, излагающей общую теорию относительности, Эйнштейн не рассматривал эту строку. С математической точки зрения это то же самое, что поставить там нуль, но, как и в случае незаполненной строки в налоговой декларации, похоже, он просто проигнорировал её.
Когда выяснилось, что общая теория относительности несовместима со статической картиной вселенной, Эйнштейн вернулся к математическим выкладкам и на этот раз обратил более пристальное внимание на третью строку. Он осознал, что нет никаких наблюдений и экспериментальных данных, которые оправдывали бы её обнуление, и увидел, что у этой строки есть весьма примечательный физический смысл.
Если вместо нуля поставить в третью строку положительное число, снабдив пространственную ткань однородной постоянной энергией, то (по причинам, которые я объясню в следующей главе) каждая область пространства будет отталкиваться от всех остальных, порождая то, что большинство физиков считали невозможным, — отталкивающую гравитацию. Более того, Эйнштейн обнаружил, что если тщательно подобрать число, размещённое в третьей строке, отталкивающая гравитационная сила, возникающая во всём космическом пространстве, будет точно уравновешивать притягивающую гравитационную силу, которую порождает материя, наполняющая пространство, и тем самым вернёт к жизни статичную модель вселенной. Вселенная станет неизменной — подобно парящему в небе воздушному шару, который не поднимается и не падает.
Эту величину, вставленную в третью строку, Эйнштейн назвал космологическим членом, или космологической постоянной ; этот шаг позволил ему вздохнуть с облегчением — по крайней мере отчасти. Если бы космологическая постоянная для вселенной имела подходящее значение — то есть если бы пространство обладало правильным количеством собственной энергии, — его теория гравитации оказалась бы в согласии с преобладавшим в то время убеждением о неизменности вселенной на больших расстояниях. Он не мог объяснить, почему пространство должно заключать в себе именно то количество энергии, которое нужно, чтобы обеспечить равновесие, но ему по крайней мере удалось показать, что общая теория относительности, дополненная космологической постоянной нужной величины, приводит к той картине космоса, в которую верил он сам и которую ожидали увидеть другие.8
Первородный атом
Леметр, подошедший к Эйнштейну на Сольвеевском конгрессе 1927 года в Брюсселе, выпадал из этой картины: из его результата следовало, что общая теория относительности стала лоном новой космологической парадигмы, согласно которой пространство расширяется. Эйнштейн не так давно одолел математику в схватке за статичную вселенную, отмёл сходные заявления Фридмана, и теперь у него попросту не было достаточного запаса терпения, чтобы ещё раз возвращаться к идее о расширяющемся космосе. Он поставил Леметру в вину слепое следование математическим выкладкам и готовность принять «чудовищные физические выводы», очевидно являвшиеся абсурдом.
Упрёк со стороны столь уважаемой фигуры стал для Леметра серьёзным ударом — но ненадолго. В 1929 году, используя крупнейший в мире на тот момент телескоп в обсерватории Маунт-Вилсон, американский астроном Эдвин Хаббл получил убедительные свидетельства в пользу того, что все далёкие галактики двигаются прочь от Млечного Пути. Фотоны, которые изучал Хаббл, проделали долгий путь к Земле, неся с собой ясное сообщение: вселенная не статична — она расширяется. Фундамент, который Эйнштейн подвёл под космологическую постоянную, обрушился. Модель Большого взрыва, описывавшая космос, который начал расширяться из чрезвычайно плотного состояния и продолжает делать это по сей день, обрела широкую известность как научный сценария творения.9
Леметр и Фридман были реабилитированы. Фридман снискал репутацию учёного, который первым исследовал решения, описывающие расширяющуюся вселенную, а Леметр стал известен как исследователь, который независимо получил эти решения и выстроил на их основе ясные космологические сценарии. Их работа была признана триумфом математического подхода к изучению космоса. Эйнштейна, напротив, оставили досадовать на то, что он вообще решил взяться за третью строку налогового бланка общей теории относительности. Если бы над ним не довлело ничем не подкреплённое убеждение в статичности вселенной, он бы не ввёл в свои уравнения космологическую постоянную и сумел бы предсказать расширение вселенной за десять с лишним лет до того, как его обнаружили экспериментально.
Однако история космологической постоянной была далека от завершения.
Модели и данные
В космологической модели Большого взрыва есть один момент, который представляется весьма существенным. Эта модель даёт нам не один космологический сценарий, а целый их набор; все они подразумевают расширение вселенной, но отличаются общей формой пространства и, в числе прочего, расходятся в ответе на вопрос о том, является ли всё пространство в целом конечным или же бесконечным. Поскольку последнее различие оказывается жизненно важным для размышлений о параллельных мирах, я опишу имеющиеся возможности подробнее.
Космологический принцип — предполагаемая однородность космоса — налагает ограничения на геометрию пространства, поскольку большинство геометрических форм недостаточно однородны, чтобы подойти под эти требования: они вспучиваются в одном месте, уплощаются в другом и скручиваются в третьем. Однако из космологического принципа не следует единственность формы трёх измерений нашего пространства — он лишь проводит жёсткий отбор среди кандидатов, ограничивая имеющиеся возможности. Наглядно представить возможные варианты — непростая задача даже для профессионала, однако нам поможет тот факт, что ситуация в двух измерениях, которую мы можем изобразить без труда, является математически точным аналогом трёхмерной картины.
Для начала рассмотрим с этой целью идеально круглый бильярдный шар. Его поверхность двумерна (положение точки на его поверхности, как и на поверхности Земли, мы можем задать двумя фрагментами данных — скажем, широтой и долготой, — а именно это мы и подразумеваем, когда говорим, что форма двумерна) и совершенно однородна в том смысле, что любое место на ней неотличимо от остальных. Математики называют поверхность бильярдного шара двумерной сферой и говорят, что она имеет постоянную положительную кривизну. «Положительность» здесь означает, грубо говоря, что ваше отражение в сферическом зеркале будет выглядеть раздувшимся наружу, а «постоянность» — что любая сторона сферы будет одинаково искажать отражение.
Теперь представим себе идеально гладкий стол. Поверхность стола, как и поверхность бильярдного шара, однородна (или почти однородна). Если бы вы были муравьём, гуляющим по столу, вашему взору открывался бы один и тот же вид, где бы вы ни находились — при условии, что это далеко от края стола. Впрочем, восстановить полную однородность не так уж трудно: мы просто должны вообразить стол без краёв. Сделать это можно двумя путями. Представьте себе стол, который бесконечно тянется влево, вправо, вперёд и назад. Это не совсем обычный стол — его поверхность бесконечна, — но упасть с него нельзя, а значит, мы достигли поставленной цели — убрали края. Альтернативный вариант — поверхность, имитирующая старую компьютерную игру: когда мистер Пакман исчезает за левым краем, он немедленно появляется у правого края; когда он уходит за край экрана снизу, он тут же возникает сверху. Ни один обычный стол не обладает таким свойством, но это вполне осязаемая геометрическая фигура, называемая двумерным тором. В примечаниях я обсуждаю эту фигуру более полно,10 здесь же стоит подчеркнуть только две её характеристики: подобно бесконечному столу, экран компьютерной игры однороден и не имеет краёв. Границы являются кажущимися: мистер Пакман может пересечь их и при этом остаться в игре.
Математики говорят, что бесконечный стол и экран компьютерной игры — это поверхности постоянной нулевой кривизны. Слово «нулевая» говорит о том, что и зеркальный стол, и зеркальный компьютерный экран отразят вас без искажений, а слово «постоянная», как и прежде, означает, что ваше отражение будет выглядеть одинаково вне зависимости от того, напротив какой точки поверхности вы встанете. Разница между этими двумя формами проявляется только в глобальной перспективе. Если вы отправитесь в поездку по бесконечному столу, сохраняя постоянное направление, вы не вернётесь домой никогда; на экране компьютерной игры вы можете объехать всю фигуру и вернуться в пункт отправления, ни разу не повернув руль.
Наконец, ломтик картофельных чипсов «Принглс», если его бесконечно продолжить во все стороны (это несколько труднее изобразить), даёт представление об ещё одной однородной фигуре, про которую математики говорят, что она имеет постоянную отрицательную кривизну. Это означает, что ваше отражение в любой точке зеркальной чипсины будет выглядеть сжатым внутрь.
К счастью, эти описания двумерных однородных фигур без усилий расширяются на интересующий нас случай трёхмерного космического пространства. Положительная, отрицательная или нулевая кривизна — однородное раздувание, однородное сжатие или отсутствие искажений — с тем же успехом характеризуют трёхмерные однородные формы. В действительности нам повезло дважды, поскольку хотя трёхмерные формы очень трудно изобразить (представляя себе форму, наше сознание помещает её в некое окружение — аэроплан в пространстве, планета в пространстве, — но когда дело доходит до пространства, нет никакого окружения, в котором содержалось бы само пространство), трёхмерные однородные формы являются столь точными математическими аналогами своих двумерных родственников, что мы ничего не потеряем, когда станем делать то же, что делает большинство физиков, — мысленно использовать двумерные примеры.
В приведённой ниже таблице я перечислил возможные варианты формы пространства, подчеркнув, что одни из них имеют конечную протяжённость (сфера, экран компьютерной игры), а другие — бесконечную (бесконечный стол и бесконечная чипсина). Таблица 2.1 не является полной. Существуют другие возможные формы, которые носят загадочные названия вроде бинарного тетраэдрального пространства и додекаэдрального пространства Пуанкаре, также имеющие однородную кривизну; я не включил их сюда, поскольку их сложнее наглядно изобразить с помощью повседневных предметов. Они могут быть построены, если подходящим образом нарезать и скомпоновать уже знакомые пространства из нашего списка, так что табл. 2.1 в действительности даёт вполне представительную выборку. Однако все эти подробности второстепенны для нашего ключевого вывода: требование однородности космоса, отражённое в формулировке космологического принципа, существенным образом ограничивает набор возможных форм вселенной. Одни из этих форм имеют бесконечную пространственную протяжённость, другие — нет. 11
Таблица 2.1. Возможные варианты формы космического пространства, которые находятся в согласии с космологическим принципом — допущением о том, что любое положение во вселенной эквивалентно любому другому
ФормаКривизнаПротяжённостьСфераПоложительнаяКонечнаяПоверхность столаНулевая («плоская»)БесконечнаяЭкран компьютерной игрыНулевая («плоская»)КонечнаяЛомтик чипсов «Принглс»ОтрицательнаяБесконечная
Наша Вселенная
Расширение пространства, обнаруженное математическим путём Леметром и Фридманом, применимо к любой вселенной, имеющей одну из вышеперечисленных форм. В случае положительной кривизны можно воспользоваться двумерной аналогией и представить себе, как растягивается поверхность воздушного шарика по мере того, как его надувают воздухом. Для нулевой кривизны подходит образ плоского резинового коврика, который равномерно тянут во всех направлениях. В случае отрицательной кривизны вообразите растягиваемую резиновую чипсину. Если галактики представить себе как равномерно разбросанные блёстки на любой из этих поверхностей, расширение пространства приведёт к тому, что отдельные блёстки-галактики будут отодвигаться друг от друга — в точности как в той картине разбегания галактик, которую наблюдал Хаббл в 1929 году.
Это убедительная космологическая заготовка, но для её полного завершения и определения надо выяснить, какая из описанных форм соответствует нашей Вселенной. Мы можем определить форму знакомых нам объектов — бублика, бейсбольного мяча, куска льда, — взяв их в руки и повертев так и сяк. Проблема в том, что сделать то же самое со вселенной мы не в состоянии, поэтому определять её форму мы вынуждены косвенными методами. Уравнения общей теории относительности подсказывают нам математическую стратегию. Они говорят, что кривизна пространства сводится к единственной наблюдаемой величине — к пространственной плотности материи (более точно — материи и энергии). Если материи много, тяготение заставляет пространство сворачиваться на себя, порождая сферическую форму. Если материи мало, пространство чувствует себя свободно и разворачивается подобно ломтику чипсов «Принглс». А если пространство содержит некое точно определённое количество материи, то его кривизна равна нулю.[2]
Уравнения общей теории относительности также приводят к точному численному критерию, разделяющему данные три возможности. Математические выкладки показывают, что «определённое количество материи» — так называемая критическая плотность, составляет на сегодняшний день примерно 2 1029 грамма на кубический сантиметр, что соответствует примерно шести атомам водорода в одном кубическом метре, или, в более привычных образах, — одной дождевой капле в объёме, равном объёму земного шара.12 Если оглядеться вокруг, легко может показаться, что плотность вещества во вселенной превышает критическую, но такой вывод будет поспешным. При вычислении критической плотности исходят из того, что вещество равномерно распределено в пространстве. Поэтому надо представить, что атомы, из которых состоят Земля, Луна, Солнце и всё остальное, равномерно распределены по космосу. Тогда весь вопрос сводится к тому, будет ли каждый кубический метр весить больше или меньше шести атомов водорода.
В силу важности космологических следствий, связанных со средней плотностью материи во вселенной, астрономы в течение десятилетий пытались измерить её величину. Метод измерений, которым они пользовались, идейно прост. С помощью мощных телескопов астрономы тщательно обследовали большие области пространства и суммировали массы всех видимых звёзд, а также массу остального материала, наличие которого они могли предполагать, изучая движение звёзд и галактик. До недавнего времени все проведённые наблюдения указывали на то, что величина средней плотности не очень велика, примерно 27 процентов от критической плотности, что соответствует двум атомам водорода на кубический метр. В свою очередь, это означало бы, что вселенная имеет отрицательную кривизну.
Однако позже, в конце 90-х годов прошлого столетия, произошло нечто экстраординарное. На основе некоторых великолепных наблюдений, которые будут рассмотрены в главе 6, и их анализа астрономы осознали, что из подсчёта постоянно упускался некоторый существенный вклад: диффузная энергия, которая, по-видимому, равномерным образом распределена во всём пространстве. Эти данные потрясли всех. Энергия, наполняющая пространство? Звучит как космологическая постоянная, которую, как мы видели, восемьдесят лет назад ввёл Эйнштейн, и от которой, как хорошо известно, он позже сам отказался. Возродили ли современные наблюдения космологическую постоянную?
До сих пор у нас нет полной уверенности на этот счёт. Даже сейчас, спустя десятилетие после первоначальных наблюдений, астрономам всё ещё предстоит выяснить, является ли такая однородная энергия неизменной, или её величина в заданной области пространства изменяется со временем. Космологическая постоянная, как следует из самого её названия (и как следует из математической сути, так как это единственное фиксированное число в гравитационной налоговой декларации), должна быть неизменной. Для описания общего случая, если энергия может изменяться, а также чтобы подчеркнуть факт отсутствия у данной энергии излучения (это объясняет, почему её не могли обнаружить так долго), астрономы ввели новый термин: тёмная энергия. При этом прилагательное «тёмный» не менее хорошо характеризует и наше текущее понимание. Никто не в силах объяснить происхождение тёмной энергии, её фундаментальный состав или свойства — эти вопросы активно исследуются в настоящее время, и мы вернёмся к ним в последующих главах.
Несмотря на многие нерешённые вопросы, детальные наблюдения на орбитальном телескопе «Хаббл» и в наземных обсерваториях позволили определиться с количеством тёмной энергии, заполняющей пространство в настоящее время. Полученное значение отличается от когда-то предложенного Эйнштейном (он постулировал значение, приводящее к статичной вселенной, а наша Вселенная расширяется). Удивительно не это, а то, что согласно этим измерениям тёмная энергия в пространстве составляет примерно 73 процента от критической плотности. Добавив их к уже измеренным астрономами 27 процентам, мы получим ровно 100 процентов критической плотности, что и есть то самое определённое количество энергии и материи, приводящее ко вселенной с нулевой пространственной кривизной.
Итак, современные данные говорят в пользу постоянно расширяющейся вселенной, форма которой похожа на трёхмерный вариант бесконечной поверхности стола или конечный экран игровой приставки.
Реальность в бесконечной Вселенной
Как было отмечено в самом начале этой главы, нам неизвестно, конечна или бесконечна наша Вселенная. В предыдущих разделах обсуждался случай, когда обе эти возможности естественным образом возникают из теоретических конструкций, и тот или иной выбор никак не противоречит самым точным астрофизическим измерениям и наблюдениям. И как же тогда экспериментально установить, какая из этих возможностей верна?
Это трудный вопрос. Если пространство конечно, то свет от звёзд и галактик циркулировал бы по всему космосу, многократно отражаясь, прежде чем попасть в наши телескопы. Подобно бесконечным изображениям, возникающим при отражении луча света между параллельными зеркалами, зацикленный свет приводил бы к повторяющимся изображениям звёзд и галактик. Астрономы искали подобные повторяющиеся изображения, но пока ничего не обнаружили. Само по себе это не доказывает бесконечность пространства, но показывает следующее: если оно конечно, то может быть настолько большим, что у света попросту было недостаточно времени пройти больше одного круга по космическому гоночному треку. И в этом кроется вызов всей наблюдательной астрономии! Даже если вселенная конечна, то чем она больше, тем лучше маскируется под бесконечную.
Для некоторых космологических вопросов, таких как возраст вселенной, различие между этими двумя возможностями не играет никакой роли. Конечен ли космос или бесконечен, в ранние периоды его существования галактики располагались плотнее друг к другу и поэтому вселенная была более плотной, горячей и более экстремальной. Из данных современных наблюдений о скорости расширения и теоретического анализа того, как эта скорость меняется со временем, мы можем оценить время, прошедшее с того момента, — которое можно назвать началом, — когда всё, что мы сейчас видим, возникло из одной фантастически плотной крупицы. И неважно, конечна вселенная или бесконечна, современные расчёты относят этот момент на 13,7 миллиардов лет назад.
Однако для других вопросов конечность-бесконечность вселенной имеет значение. Например, в конечном случае, рассматривая космос во всё более ранние моменты времени, мы должны представлять пространство всё более и более сжатым. И хотя математика перестаёт работать в начальный, нулевой момент времени, тем не менее, будет правильно представлять пространство при приближении к начальному моменту как всё уменьшающееся ядрышко. А вот в бесконечном случае такое описание неверно: если пространство действительно бесконечно, то оно было и будет таким всегда. При сжатии содержимое пространства сдавливается, приводя к увеличению плотности вещества, но общий размер всё равно остаётся бесконечным. Действительно, если мы сожмём поверхность бесконечного стола в 2 раза, то что мы получим? Половину бесконечности, которая по-прежнему бесконечна. Сожмём в 1 миллион раз и что получим? По-прежнему бесконечность. Чем ближе в бесконечной Вселенной мы подходим к начальному моменту времени, тем плотнее она становится в каждой точке, всё равно оставаясь бескрайней.
И хотя наблюдения не дают ответа на вопрос о конечности-бесконечности вселенной, для себя я выяснил, что физики и космологи склонны считать, — если их настойчиво спрашивать, — что наша Вселенная бесконечна. Думаю, что до некоторой степени такая точка зрения возникла исторически, ведь в течение десятилетий конечному плоскому пространству (как плоский экран для видеоигр) не уделялось достаточно внимания, в основном из-за его математической сложности. Возможно, что данная точка зрения также отражает общий подход, будто различие между бесконечной и конечной-но-очень большой вселенной является космологическим вопросом, представляющим исключительно академический интерес. В конце концов, если пространство настолько огромно, что нам в любом случае будет доступна лишь малая его часть, стоит ли беспокоиться о том, простирается ли оно бесконечно или конечно за пределами того, что мы можем видеть?
Я думаю, что стоит. Вопрос о конечности или бесконечности пространства имеет фундаментальное значение для самой природы реальности. В нём вся суть этой главы. А теперь давайте представим, что космос бесконечен, и выясним, к чему это приводит. Недолго думая, мы обнаружим, что живём в одном из бесконечного множества параллельных миров.
Бесконечное пространство и лоскутное одеяло
Давайте забудем ненадолго о бесконечных просторах вселенной и начнём с простой, вполне себе земной ситуации. Представьте, что ваша подруга Имельда, идя на поводу у своей страсти к обновлению гардероба, приобрела пятьсот роскошных платьев и тысячу пар обуви от-кутюр. Если каждый день она будет надевать одно платье и одну пару обуви, то в какой-то момент все возможные комбинации будут исчерпаны, и ей придётся повторить наряд. Легко оценить, когда это произойдёт. Из пяти сотен платьев и одной тысячи пар обуви можно составить 500 000 различных комбинаций. Пятьсот тысяч дней — это примерно 1400 лет, и, поэтому, если Имельда проживёт достаточно долго, то её можно будет увидеть в том наряде, который она когда-то уже надевала. Если Имельда, дай бог ей крепкого здоровья, снова и снова будет перебирать наряды, то она обязательно наденет каждый из них бесконечное число раз. Бесконечное число появлений Имельды в конечном числе нарядов приводит к бесконечным повторениям.
Развивая эту же тему, представим что Рэнди, опытный крупье, последовательно перетасовал невообразимое количество карточных колод и аккуратно разложил стопками, одну за другой. Отличается ли порядок карт в каждой перетасованной колоде или же они должны повторяться? Ответ зависит от количества колод. Пятьдесят две карты в колоде могут быть расположены 80 658 175 170 943 878 571 660 636 856 403 766 975 289 505 440 883 277 284 000 000 000 000 различными способами (52 способа расположения первой карты умножить на 51 способ расположения второй карты, умножить на 50 способов расположения следующей карты, и так далее). Если количество колод, которые перетасовывает Рэнди, превышает число возможных раскладов карт внутри колоды, то тогда расклады в части колод совпадут. Если бы Рэнди перетасовывал бесконечное количество карт, то одинаковые расклады карт внутри колод обязательно бы повторялись бесконечное число раз. Так же как с Имельдой и её нарядами, бесконечное число событий при конечном числе возможных сочетаний приводит к тому, что различные расклады бесконечно повторяются.
Это базовое понятие очень важно для космологии бесконечной вселенной. Следующие два ключевых шага демонстрируют, почему это так.
Большая часть бесконечной вселенной находится за пределами видимого, даже если использовать самые мощные телескопы. Несмотря на то, что свет распространяется невероятно быстро, если объект достаточно удалён, то испущенный им свет — даже если это произошло сразу после Большого взрыва — просто не успеет долететь до нас. Так как возраст нашей Вселенной примерно 13,7 миллиарда лет, то можно подумать, что в эту категорию попадает всё, что находится далее чем 13,7 миллиардов световых лет. Такой интуитивный вывод в целом правильный, но надо учитывать, что расширение пространства увеличивает расстояние между объектами, один из которых испустил свет давным-давно, а другой только что этот свет поглотил; поэтому максимальное расстояние, на которое мы можем заглянуть, на самом деле больше — примерно 41 миллиард световых лет.13 Точная цифра не имеет особого значения. Важно то, что области вселенной, находящиеся на определённом расстоянии от нас, недоступны нашим наблюдениям. Подобно кораблям, ушедшим за горизонт и потому невидимым с берега, объекты в пространстве, слишком удалённые, чтобы быть доступными для наблюдения, находятся, как говорят астрономы, за пределами нашего космического горизонта.
Точно так же свет, испущенный нами, ещё не достиг тех удалённых областей космоса, поэтому и мы находимся за пределами их космического горизонта. Причём космический горизонт — это единственное, что очерчивает доступное и недоступное нашему взору. Из специальной теории относительности Эйнштейна мы знаем, что никакой сигнал, возмущение или информация, вообще ничего не может распространяться быстрее света. Это означает, что области вселенной, расположенные настолько далеко друг от друга, что свет не успел дойти от одной области к другой, никак не взаимодействовали и развивались совершенно независимо друг от друга.
