Страница:
Чтобы разделаться с этим парадоксом, нам вновь придется прибегнуть к двумерной аналогии. Представим себе детский воздушный шарик, по поверхности которого ползет плоскатик – крохотное разумное существо, не знакомое с третьим измерением. В нашей модели поверхность воздушного шара соответствует трехмерному пространству Вселенной. С точки зрения плоскатика, черная дыра в его мире – это всего-навсего небольшой участок поверхности, непроглядное как смоль пятно, куда ему нет доступа. Совершив путешествие вокруг пятна, плоскатик без труда выяснит, что черная дыра имеет вполне конечные размеры. Теперь вообразим, что гравитационный коллапс внутри плоской черной дыры давным-давно завершился, и она переживает фазу стремительного раздувания. При этом резина воздушного шарика внутри горизонта событий растягивается не в двумерный мир плоскатика, а вспучивается в направлении, прямо перпендикулярном поверхности шара. Места для такого раздувания более чем достаточно, поэтому дочерняя вселенная, рождающаяся на наших глазах, может легко превзойти в объеме материнскую. Однако для плоскатика этот процесс останется тайной за семью печатями, ибо его несовершенному зрению доступны всего лишь два измерения его скучного мира. Он не увидит ровным счетом ничего нового: перед ним будет назойливо маячить все то же невыразительное пятно, хотя в действительности оно уже давно развернулось в огромную вселенную.
Нечто подобное может происходить и в нашей реальной трехмерной Вселенной. По окончании коллапса пространство внутри черной дыры начинает неудержимо расширяться, и через несколько мгновений по галактическим часам новоиспеченный мир торжественно выплывает из небытия, рождая попутно свои собственные пространство и время. К сожалению, нам не суждено быть свидетелями этого захватывающего зрелища, подобно тому как плоскатик при всем желании не может проникнуть в третье измерение. Вселенную, внутри которой черная дыра перешла в инфляционный режим, мы вправе назвать материнской (или родительской), а отпочковавшуюся от нее «молодуху» – дочерней, или младенческой. Обе эти Вселенные будут связаны своеобразной пуповиной, трубкой пространства-времени, диаметр которой сопоставим, по всей видимости, с планковской длиной.
Однако пуповина может и оборваться, поскольку черные дыры пусть медленно, но испаряются, теряя массу за счет квантовых флуктуации возле своих границ. Горизонт событий неуклонно съеживается, как шагреневая кожа, и как только он станет меньше планковского предела, черная дыра эффективно сожмется в нуль, и всякое сообщение между родственными Вселенными прекратится. Мать и младенец заживут самостоятельной жизнью. Правда, некоторые физики утверждают, что квантовые эффекты приостановят испарение черной дыры возле планковского предела, но принципиального значения это обстоятельство не имеет. Лопнула соединяющая их пуповина или осталась в целости и сохранности, не играет никакой роли: обе Вселенные все равно изолированы друг от друга и ведут себя как вполне самостоятельные существа.
В дальнейшем дочерняя Вселенная может пойти по стопам своей мамаши. Когда раздувание прекратится, а энергия инфлатонного поля упадет до минимальных значений, произойдет Большой взрыв, и дочка перейдет в режим стандартного хаббловского расширения. После окончания инфляции флуктуации плотности в новорожденной Вселенной станут космологически значимыми, что приведет к формированию первичных черных дыр. Некоторые из них тоже начнут в свою очередь раздуваться, так что на свет появится уже третье поколение миров. В известном смысле эти новые миры будут уже внуками первоначальной родительской Вселенной, которые по прошествии времени тоже почти наверняка дадут потомство.
Таким образом, мы приходим к принципиально иной картине мироздания, которую можно было бы назвать глобальной Вселенной. Глобальная Вселенная представляет собой сложный ансамбль миров и напоминает виноградную гроздь. Некоторые виноградины-вселенные повязаны между собой пуповиной через черные дыры, которые не успели пока испариться, а другие давным-давно живут изолированно, но внутри большинства отпрысков продолжают рождаться первичные черные дыры, которые раз за разом дают путевку в жизнь все новым и новым генерациям вселенных. Другими словами, глобальная Вселенная способна непрерывно самовоспроизводиться. Такое неутомимое почкование может продолжаться неограниченно долго, поэтому можно сказать, что глобальная Вселенная не имеет начала во времени. Если вегетативный цикл не прекращается ни на мгновение и работает как часы, то глобальная Вселенная будет жить вечно.
Разумеется, каждая отдельно взятая виноградина (или домен, представляющий собой локальную Вселенную, надежно изолированную от своих собратьев) может обладать собственным уникальным набором физических параметров. Их роднит только общность происхождения, так сказать, голос крови. Одни миры, не успев как следует раздуться, сразу же начнут коллапсировать, схлопываясь в точку, а другие будут, наоборот, безудержно раздуваться, потому что инфляция растет по экспоненте. Среди всех мыслимых вселенных обязательно найдется хотя бы одна, где инфляционное расширение вовремя прекратится, породив флуктуации плотности, которые впоследствии дадут начало сложным структурам – галактикам и звездам. По счастливой случайности, мы живем как раз именно в такой вселенной. Если бы фундаментальные константы имели другие значения, эта книжка никогда не была бы написана.
Размножающиеся почкованием вселенные отнюдь не являются близнецами. Генеалогическое родство не имеет к их тонкой структуре ровным счетом никакого отношения. Мировые постоянные – не Моисеевы заповеди, записанные на скрижалях. Бог не говорил из горящего куста с полномочными представителями избранного народа, и поэтому фундаментальные константы могут принимать произвольные значения. Число пространственных измерений, развернувшихся до космологических масштабов, тоже не обязано ограничиваться цифрой «три» и может ощутимо варьироваться в отдельно взятых локальных пузырях. Даже время внутри почкующихся виноградин может выкидывать удивительные коленца и течь как бог на душу положит.
Мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, потому что все, что совершается за горизонтом событий, под непроницаемой крышкой сферы Шварцшильда, представляет собой абсолютную terra incognita. Но если Ли Смолин прав, и наша Метагалактика, сиречь наблюдаемая Вселенная, вылупилась в свое время из первичной черной дыры, мы имеем ни с чем не сравнимую возможность изучать ее потроха изнутри, просто-напросто исследуя структуру окружающего нас мира.
Нам остается ответить на один-единственный сакраментальный вопрос. По самым скромным оценкам, масса нашей Вселенной составляет примерно 1022масс Солнца. Но если Вселенная столь увесиста, то каким образом это изобилие вещества может уместиться в крохотном объеме первичной черной дыры? На самом деле никаким парадоксом здесь даже не пахнет. Вспомним, что творение мира «из ничего» предполагает равновесие между отрицательной энергией гравитации и положительной энергией вещества. А поскольку отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с массой, давая в итоге нуль, масса дочерней Вселенной может быть весьма большой. Новорожденный младенец может без особого труда перерасти своего родителя.
На этом можно было бы поставить точку, но совсем недавно английский физик Барбур представил на суд почтеннейшей публики нашумевшую книгу под названием «Конец времени». В ней он вознамерился доказать, что никакого времени в природе не существует, а последовательность событий, которые мы привычно располагаем вдоль временной оси, есть не что иное, как инерция нашего мышления, не имеющая с реальностью ничего общего.
Это, пожалуй, самая радикальная и экстравагантная гипотеза о природе времени, и мой рассказ о различных космологических моделях был бы неполон, если бы я не уделил концепции бойкого англичанина хотя бы несколько строк. Теория Барбура подробно рассмотрена Рафаилом Нудельманом в увлекательной статье «Новейший путеводитель по времени», опубликованной в двух номерах журнала «Знание – сила» за 2002 год, и вы, читатель, без труда можете с ней ознакомиться. Я перескажу ее вкратце.
Барбура занимают не реальные физические объекты, а отношения между ними. Если мы возьмем три точки и соединим их прямыми линиями, то получим треугольник определенного вида. Это и будет барбуровским «соотношением», которое описывает систему из трех точек. Если в следующий момент времени положение точек в пространстве изменится, то и треугольник примет иной вид. Это новое «соотношение» будет иметь уже другие характеристики.
Теперь обозначим длину каждой из сторон нашего треугольника некоторым числом. Построим пространство с тремя осями координат и на каждой оси отложим одно из этих чисел. У нас получится одна-единственная точка в пространстве, которая, само собой разумеется, будет отражать не реальное положение исходных точек, а всего лишь соотношение между тремя объектами. Назовем такое условное пространство (с физическим пространством оно не имеет ничего общего) конфигурационным, или К-пространством. Все последующие состояния системы из трех объектов на протяжении всей ее истории будут описываться совокупностью точек, определенным образом растыканных по К-пространству.
Подобную операцию можно проделать с каждой из реальных физических частиц, наполняющих Вселенную, и тогда все они займут положенное им место в конфигурационном пространстве. Барбур называет свое вымышленное пространство Платонией в честь великого греческого философа, который, как известно, настаивал на реальном существовании общих понятий (универсалий). По Платону, материальный мир является бледной копией великолепного мира идей, его ущербным подобием.
Если бы мир подчинялся законам классической механики Ньютона, каждое последующее его состояние однозначно вытекало бы из предыдущего. Такая картина мироздания получила название детерминистской и была в большом ходу вплоть до начала прошлого столетия. Выдающийся французский астроном и математик Пьер Лаплас в свое время даже брался вычислить будущее Вселенной, если в его распоряжении будут точные координаты всех элементарных частиц. В мире Ньютона наблюдатель, находящийся вне Платонии, мог бы указать последовательность всех барбуровских точек и соединить их траекторией, в результате чего у каждой точки появилась бы «история» со своим собственным прошлым и будущим.
К сожалению, мы живем в вероятностном мире, который управляется квантовыми законами. Принцип неопределенности накладывает фундаментальный запрет на одновременное определение координаты и скорости элементарной частицы: чем точнее измерен один параметр, тем менее точно может быть рассчитан другой. Поэтому точки на карте Платонии, отражающие положение частиц в конфигурационном пространстве Барбура, следует заменить вероятностями. Но тогда картинка сразу же потеряет резкость: вместо фиксированных точек мы увидим легкую дымку, дрожащее марево над раскаленным асфальтом. Соединить их жесткой траекторией (написать «историю») окажется решительно невозможно.
Но почему же мы все-таки воспринимаем время, если в действительности его нет? Барбур утверждает, что «впечатление изменений возникает здесь лишь потому, что в нашем мозгу собирается несколько порций информации о различных положениях (или состояниях) одного и того же объекта». По его мнению, отказ от категории времени позволяет не только избавиться от сингулярностей с их нагромождением бесконечностей, но и раз и навсегда разделаться с его неуклюжими стрелами. Во всех прочих космологических сценариях время течет из прошлого в будущее, потому что Вселенная имела начало. Но в Платонии Барбура «момент ноль» отсутствует по определению, поскольку время из нее вынуто. Если в Платонии для трех точек имеется некая особая конфигурация Альфа, где все частицы находятся в одном месте, тогда то же самое справедливо и для Вселенной в целом. «Большая» Платония тоже должна иметь свою конфигурацию Альфа, особую выделенную точку, когда все частицы Вселенной находятся в одном месте.
Барбур пишет:
Что можно сказать по этому поводу? Подавляющее большинство физиков оценивают идеи Барбура весьма скептически, справедливо полагая их пустой математической забавой, набором блестящих схоластических парадоксов. Не пожалеем места и процитируем известного австралийского теоретика Пола Девиса.
Нам осталось расплеваться с так называемым антропным принципом, после чего мы перейдем к более животрепещущим вопросам. Об удивительной юстировке фундаментальных констант, ювелирной подгонке исходных параметров мироздания нам случалось упомянуть не единожды, и вы, уважаемый читатель, должны помнить, что не так страшен черт, как его малюют. Космологические модели, постулирующие множественность миров (например, теория хаотической инфляции Андрея Линде или безудержно почкующаяся глобальная Вселенная Ли Смолина), позволяют выбросить на свалку набившую оскомину гипотезу Творца, ибо они последовательно и непротиворечиво решают вопрос о тонкой настройке мировых констант. Однако не будем забегать вперед.
Термин «антропный принцип» был впервые предложен профессором Кембриджского университета Брандоном Картером, одним из крупнейших астрофизиков нашего времени. Впрочем, проницательные люди обращали внимание на поразительную выверенность фундаментальных констант задолго до Картера. Так, еще в начале 50-х годов прошлого века знаменитый английский астрофизик Фред Хойл задался вопросом, каким образом рождаются углерод и кислород в звездных недрах. Ему удалось подметить любопытное численное соотношение между суммарной энергией трех альфа-частиц (или, что то же самое, ядер гелия) и уровнем энергии ядра углерода. Чтобы при слиянии трех альфа-частиц образовался углерод, эта величина должна составлять 7,7 мегаэлектронвольта. Впоследствии этот квантовый эффект был обнаружен экспериментально. А чуть позже великий Поль Дирак уловил еще одно удивительное совпадение между размерами наблюдаемой Вселенной и силой гравитации в ней, хотя эти величины никак не связаны друг с другом.
Не менее интересен и тот факт, что плотность нашего мира весьма близка к критической плотности. Если бы величина ? была несколько меньше критической, рассеянное вещество, находящееся в очень разреженном состоянии, просто не успело бы собраться в массы, необходимые для формирования звезд. С другой стороны, если ? больше ?кр, то, наоборот, конденсация пойдет ускоренными темпами, и жизнь во Вселенной (или, если говорить более строго, сложные структуры) элементарно не успеет возникнуть. И уж тем более не хватило бы времени для эволюции органического мира, которая на Земле, как известно, продолжалась несколько миллиардов лет.
Если увеличить в 100 раз численное значение гравитационной постоянной, то во столько же раз сократится время жизни Солнца. Понятно, что 50 миллионов лет явно недостаточно, чтобы на планетах Солнечной системы возникла биосфера. При других значениях константы электромагнитного взаимодействия потеряет стабильность протон – фундаментальный кирпич мироздания, а если мы вдобавок немного «подправим» константы сильного и слабого взаимодействий, облик Вселенной изменится до неузнаваемости.
Отношения масс протона, нейтрона и электрона между собой тоже имеют определяющее значение и для современной структуры Вселенной, и для появления в ней жизни. Скажем, масса нейтрона превышает массу протона на ничтожно малую величину (порядка 10-3m?). Если мы всего-навсего удвоим эту величину, атомы химических элементов потеряют стабильность. Точно так же увеличение массы электрона всего лишь в три раза приведет к распаду ядер атомов водорода – самого распространенного элемента во Вселенной.
Размерность окружающего нас пространства тоже дает богатую пищу для размышлений. Три пространственных измерения обеспечивают устойчивое обращение тел друг около друга: либо тело стабильно движется по эллипсу (в частном случае, по окружности), либо улетает в бесконечность по параболической или гиперболической траектории. А вот в четырехмерном мире периодическое движение по замкнутой орбите невозможно: планета или упадет на центральное светило, или немедленно улетит в бесконечность. Это означает, что в мире четырех пространственных измерений не может существовать устойчивых планетных систем, движения электронов вокруг атомных ядер и т. п. Вся материя рассыпается в прах. А в мирах с числом измерений меньше трех атомы утрачивают способность излучать в непрерывном спектре, поскольку электроны не могут там совершать необходимые для этого орбитальные переходы.
Список тончайшей юстировки фундаментальных констант непрерывно растет и сегодня уже достиг поистине устрашающей величины. Поневоле задумаешься над тем, что кто-то мудрый и предусмотрительный сознательно отшлифовал мироздание, дабы в нем мог вырасти человек. В нашем распоряжении имеется три варианта ответа на этот вопрос.
Вариант первый. Законы природы сотворены высшим разумом. Теоретически подобная ситуация вполне возможна, поэтому не станем отвергать ее с порога. В конце концов, создаем же мы в земных лабораториях искусственные питательные среды для выращивания полезных микроорганизмов, и кто знает, каких еще успехов добьется биотехнология через пару-тройку тысячелетий. Правда, не совсем понятно, каким образом этот гипотетический высший разум умудрился уцелеть в пламени вселенского пожара, когда наш мир выныривал из небытия, и где он находился и чем был занят, когда мира еще не было. С другой стороны, сверхразум – он и в Африке сверхразум, а наше дело телячье – обгадил ноги и стой. Однако серьезные ученые начинают морщиться, когда речь заходит о божественном промысле. С помощью вмешательства сверхъестественных сил можно безо всякого труда объяснить любое явление, но тогда наука прикажет долго жить. Естественно-научный подход, в отличие от веры, склонен исповедовать принцип Оккама: не следует умножать число сущностей сверх необходимости. Поэтому оставим вариант номер один теологам и богословам. Высшие силы числятся по их ведомству.
Вариант второй. Если Теория всего на свете (Theory of Everything, сокращенно TOE) будет когда-нибудь построена, вполне вероятно, что численные значения фундаментальных констант получат естественное и разумное объяснение. Когда ученые поймут, что такое масса, заряд, спин и прочие изнаночные сущности мироздания, быть может, удастся ответить на вопрос, почему они принимают именно такие, а не другие значения. Тогда антропный принцип можно будет снять с повестки дня. М-теория, о которой рассказывалось в предыдущих главах, сегодня претендует на многое, однако до финиша пока еще далеко.
Вариант третий, наиболее любезный нашему сердцу. Если мироздание не исчерпывается наблюдаемой частью Вселенной, если они во множестве рождаются из квантовых флуктуации пространственно-временной пены (по Линде) или из первичных черных дыр (по Смолину), то наша Вселенная перестает быть уникальной и единственной в своем роде. Фундаментальные константы могут принимать в этих бесчисленных мирах любые произвольные значения, а жизнь и разум возникают только в тех вселенных, где существуют подходящие для них условия. Правда, кое-кому может показаться, что природа на редкость неэкономна: нагородить этакую прорву миров, чтобы в некоторых из них зажглась искорка разума. Еще Эйнштейн говорил, что Бог не играет в кости. Между тем удивляться тут нечему, ибо природа – слепой конструктор, и расточительство является ее имманентной чертой. Из миллионов икринок выживает всего несколько тысяч, а деревья каждый год во множестве рассеивают семена, чтобы некоторые из них пошли в рост. На вопрос «Почему наша Вселенная такова, какой мы ее видим?» следует ответ: «Если бы Вселенная была другой, нас бы здесь не было!» Это и есть формулировка антропного принципа.
Вообще-то антропный принцип существует в двух формулировках – слабой и сильной. Слабый антропный принцип настаивает на том, что разумная жизнь возникает только там и тогда, где и когда для нее имеются подходящие условия. Скажем, современная космология утверждает, что Вселенная возникла около 14 миллиардов лет тому назад и просуществует еще достаточно долго. Почему мы живем сравнительно недалеко от момента ее рождения? Ларчик открывается просто: 10 миллиардов лет назад звезд второго поколения с химическим составом, необходимым для появления сложных структур, еще не было, а через несколько десятков миллиардов лет все они сгорят без остатка, и разумная жизнь нашего типа станет невозможной.
Сильный антропный принцип гласит, что законы природы и параметры фундаментальных констант таковы, что допускают возникновение разумной жизни. Иными словами, мир заточен под человека. Откровенно говоря, обе версии антропного принципа утверждают практически одно и то же, но все-таки его сильная ипостась изрядно отдает телеологией. Получается, что вся гигантская машинерия мироздания задумана исключительно ради нас с вами. С такой формулировкой примириться нелегко. Кроме того, неплохо бы внести одно существенное уточнение.
Когда мы говорим, что при других параметрах фундаментальных констант во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь, следовало бы добавить: жизнь в известных нам формах. А ведь даже белковая жизнь на планете Земля обладает огромным адаптивным потенциалом. Достаточно вспомнить о так называемых «черных курильщиках» – горячих гейзерах на дне океанов. Они являются настоящим рассадником жизни, хотя температура воды вблизи курильщика достигает 300 градусов по Цельсию при давлении в несколько сотен атмосфер. Что уж тут говорить о гипотетических внеземных организмах, чей обмен веществ может строиться на принципиально иной химической основе.
Между прочим, природно-климатические условия нашей планеты меняются в очень широких пределах, что не мешает земным организмам прекрасно себя чувствовать и на полюсе, и на экваторе. Температурный оптимум – дело вкуса. Нильскому крокодилу пришлось бы несладко за полярным кругом, а белым медведям, моржам и тюленям едва ли понравились бы тропики. Если бы белый медведь умел рассуждать логически, он непременно пришел бы к выводу, что мудрая природа специально позаботилась о том, чтобы ему, белому медведю, было хорошо. Не приведи Господь жить в знойной пустыне, где днем с огнем не сыщешь вкусных и полезных тюленей, а солнце палит немилосердно. То ли дело в родных пенатах: прохладная водичка, свежий ветерок и полугодовая полярная ночь...
Нечто подобное может происходить и в нашей реальной трехмерной Вселенной. По окончании коллапса пространство внутри черной дыры начинает неудержимо расширяться, и через несколько мгновений по галактическим часам новоиспеченный мир торжественно выплывает из небытия, рождая попутно свои собственные пространство и время. К сожалению, нам не суждено быть свидетелями этого захватывающего зрелища, подобно тому как плоскатик при всем желании не может проникнуть в третье измерение. Вселенную, внутри которой черная дыра перешла в инфляционный режим, мы вправе назвать материнской (или родительской), а отпочковавшуюся от нее «молодуху» – дочерней, или младенческой. Обе эти Вселенные будут связаны своеобразной пуповиной, трубкой пространства-времени, диаметр которой сопоставим, по всей видимости, с планковской длиной.
Однако пуповина может и оборваться, поскольку черные дыры пусть медленно, но испаряются, теряя массу за счет квантовых флуктуации возле своих границ. Горизонт событий неуклонно съеживается, как шагреневая кожа, и как только он станет меньше планковского предела, черная дыра эффективно сожмется в нуль, и всякое сообщение между родственными Вселенными прекратится. Мать и младенец заживут самостоятельной жизнью. Правда, некоторые физики утверждают, что квантовые эффекты приостановят испарение черной дыры возле планковского предела, но принципиального значения это обстоятельство не имеет. Лопнула соединяющая их пуповина или осталась в целости и сохранности, не играет никакой роли: обе Вселенные все равно изолированы друг от друга и ведут себя как вполне самостоятельные существа.
В дальнейшем дочерняя Вселенная может пойти по стопам своей мамаши. Когда раздувание прекратится, а энергия инфлатонного поля упадет до минимальных значений, произойдет Большой взрыв, и дочка перейдет в режим стандартного хаббловского расширения. После окончания инфляции флуктуации плотности в новорожденной Вселенной станут космологически значимыми, что приведет к формированию первичных черных дыр. Некоторые из них тоже начнут в свою очередь раздуваться, так что на свет появится уже третье поколение миров. В известном смысле эти новые миры будут уже внуками первоначальной родительской Вселенной, которые по прошествии времени тоже почти наверняка дадут потомство.
Таким образом, мы приходим к принципиально иной картине мироздания, которую можно было бы назвать глобальной Вселенной. Глобальная Вселенная представляет собой сложный ансамбль миров и напоминает виноградную гроздь. Некоторые виноградины-вселенные повязаны между собой пуповиной через черные дыры, которые не успели пока испариться, а другие давным-давно живут изолированно, но внутри большинства отпрысков продолжают рождаться первичные черные дыры, которые раз за разом дают путевку в жизнь все новым и новым генерациям вселенных. Другими словами, глобальная Вселенная способна непрерывно самовоспроизводиться. Такое неутомимое почкование может продолжаться неограниченно долго, поэтому можно сказать, что глобальная Вселенная не имеет начала во времени. Если вегетативный цикл не прекращается ни на мгновение и работает как часы, то глобальная Вселенная будет жить вечно.
Разумеется, каждая отдельно взятая виноградина (или домен, представляющий собой локальную Вселенную, надежно изолированную от своих собратьев) может обладать собственным уникальным набором физических параметров. Их роднит только общность происхождения, так сказать, голос крови. Одни миры, не успев как следует раздуться, сразу же начнут коллапсировать, схлопываясь в точку, а другие будут, наоборот, безудержно раздуваться, потому что инфляция растет по экспоненте. Среди всех мыслимых вселенных обязательно найдется хотя бы одна, где инфляционное расширение вовремя прекратится, породив флуктуации плотности, которые впоследствии дадут начало сложным структурам – галактикам и звездам. По счастливой случайности, мы живем как раз именно в такой вселенной. Если бы фундаментальные константы имели другие значения, эта книжка никогда не была бы написана.
Размножающиеся почкованием вселенные отнюдь не являются близнецами. Генеалогическое родство не имеет к их тонкой структуре ровным счетом никакого отношения. Мировые постоянные – не Моисеевы заповеди, записанные на скрижалях. Бог не говорил из горящего куста с полномочными представителями избранного народа, и поэтому фундаментальные константы могут принимать произвольные значения. Число пространственных измерений, развернувшихся до космологических масштабов, тоже не обязано ограничиваться цифрой «три» и может ощутимо варьироваться в отдельно взятых локальных пузырях. Даже время внутри почкующихся виноградин может выкидывать удивительные коленца и течь как бог на душу положит.
Мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, потому что все, что совершается за горизонтом событий, под непроницаемой крышкой сферы Шварцшильда, представляет собой абсолютную terra incognita. Но если Ли Смолин прав, и наша Метагалактика, сиречь наблюдаемая Вселенная, вылупилась в свое время из первичной черной дыры, мы имеем ни с чем не сравнимую возможность изучать ее потроха изнутри, просто-напросто исследуя структуру окружающего нас мира.
Нам остается ответить на один-единственный сакраментальный вопрос. По самым скромным оценкам, масса нашей Вселенной составляет примерно 1022масс Солнца. Но если Вселенная столь увесиста, то каким образом это изобилие вещества может уместиться в крохотном объеме первичной черной дыры? На самом деле никаким парадоксом здесь даже не пахнет. Вспомним, что творение мира «из ничего» предполагает равновесие между отрицательной энергией гравитации и положительной энергией вещества. А поскольку отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с массой, давая в итоге нуль, масса дочерней Вселенной может быть весьма большой. Новорожденный младенец может без особого труда перерасти своего родителя.
На этом можно было бы поставить точку, но совсем недавно английский физик Барбур представил на суд почтеннейшей публики нашумевшую книгу под названием «Конец времени». В ней он вознамерился доказать, что никакого времени в природе не существует, а последовательность событий, которые мы привычно располагаем вдоль временной оси, есть не что иное, как инерция нашего мышления, не имеющая с реальностью ничего общего.
Это, пожалуй, самая радикальная и экстравагантная гипотеза о природе времени, и мой рассказ о различных космологических моделях был бы неполон, если бы я не уделил концепции бойкого англичанина хотя бы несколько строк. Теория Барбура подробно рассмотрена Рафаилом Нудельманом в увлекательной статье «Новейший путеводитель по времени», опубликованной в двух номерах журнала «Знание – сила» за 2002 год, и вы, читатель, без труда можете с ней ознакомиться. Я перескажу ее вкратце.
Барбура занимают не реальные физические объекты, а отношения между ними. Если мы возьмем три точки и соединим их прямыми линиями, то получим треугольник определенного вида. Это и будет барбуровским «соотношением», которое описывает систему из трех точек. Если в следующий момент времени положение точек в пространстве изменится, то и треугольник примет иной вид. Это новое «соотношение» будет иметь уже другие характеристики.
Теперь обозначим длину каждой из сторон нашего треугольника некоторым числом. Построим пространство с тремя осями координат и на каждой оси отложим одно из этих чисел. У нас получится одна-единственная точка в пространстве, которая, само собой разумеется, будет отражать не реальное положение исходных точек, а всего лишь соотношение между тремя объектами. Назовем такое условное пространство (с физическим пространством оно не имеет ничего общего) конфигурационным, или К-пространством. Все последующие состояния системы из трех объектов на протяжении всей ее истории будут описываться совокупностью точек, определенным образом растыканных по К-пространству.
Подобную операцию можно проделать с каждой из реальных физических частиц, наполняющих Вселенную, и тогда все они займут положенное им место в конфигурационном пространстве. Барбур называет свое вымышленное пространство Платонией в честь великого греческого философа, который, как известно, настаивал на реальном существовании общих понятий (универсалий). По Платону, материальный мир является бледной копией великолепного мира идей, его ущербным подобием.
Если бы мир подчинялся законам классической механики Ньютона, каждое последующее его состояние однозначно вытекало бы из предыдущего. Такая картина мироздания получила название детерминистской и была в большом ходу вплоть до начала прошлого столетия. Выдающийся французский астроном и математик Пьер Лаплас в свое время даже брался вычислить будущее Вселенной, если в его распоряжении будут точные координаты всех элементарных частиц. В мире Ньютона наблюдатель, находящийся вне Платонии, мог бы указать последовательность всех барбуровских точек и соединить их траекторией, в результате чего у каждой точки появилась бы «история» со своим собственным прошлым и будущим.
К сожалению, мы живем в вероятностном мире, который управляется квантовыми законами. Принцип неопределенности накладывает фундаментальный запрет на одновременное определение координаты и скорости элементарной частицы: чем точнее измерен один параметр, тем менее точно может быть рассчитан другой. Поэтому точки на карте Платонии, отражающие положение частиц в конфигурационном пространстве Барбура, следует заменить вероятностями. Но тогда картинка сразу же потеряет резкость: вместо фиксированных точек мы увидим легкую дымку, дрожащее марево над раскаленным асфальтом. Соединить их жесткой траекторией (написать «историю») окажется решительно невозможно.
Но почему же мы все-таки воспринимаем время, если в действительности его нет? Барбур утверждает, что «впечатление изменений возникает здесь лишь потому, что в нашем мозгу собирается несколько порций информации о различных положениях (или состояниях) одного и того же объекта». По его мнению, отказ от категории времени позволяет не только избавиться от сингулярностей с их нагромождением бесконечностей, но и раз и навсегда разделаться с его неуклюжими стрелами. Во всех прочих космологических сценариях время течет из прошлого в будущее, потому что Вселенная имела начало. Но в Платонии Барбура «момент ноль» отсутствует по определению, поскольку время из нее вынуто. Если в Платонии для трех точек имеется некая особая конфигурация Альфа, где все частицы находятся в одном месте, тогда то же самое справедливо и для Вселенной в целом. «Большая» Платония тоже должна иметь свою конфигурацию Альфа, особую выделенную точку, когда все частицы Вселенной находятся в одном месте.
Барбур пишет:
Ландшафт Вневременья раскрывается, как цветок, ко всем другим точкам, которые представляют собой вселенские конфигурации самых разных размеров и сложности. Возможно, форма Платонии такова, что способствует усиленному течению вероятностной «пены» в сторону тех конфигураций, которые содержат «памятки» своего общего происхождения из точки Альфа.Одним словом, время, с точки зрения Барбура, – это фантом, бесплотный призрак, продукт нашей несовершенной психики. Мы воспринимаем его как поток, имеющий вполне определенное направление, только лишь потому, что сами являемся неотъемлемой частью этого мира, его безусловным порождением. Истинная Вселенная лишена времени, его привносит туда наше бестолковое сознание, которое всеми правдами и неправдами тщится углядеть в неведомом до боли знакомое, напяливая фрачную пару на осьминога, и потому описывает мир сугубо приблизительно.
Что можно сказать по этому поводу? Подавляющее большинство физиков оценивают идеи Барбура весьма скептически, справедливо полагая их пустой математической забавой, набором блестящих схоластических парадоксов. Не пожалеем места и процитируем известного австралийского теоретика Пола Девиса.
Барбур, грубо говоря, утверждает, что время на самом деле не существует. Я готов согласиться, что пространство и время – не самые последние реальности. Возможно, что подстилающая их реальность представляет собой некое «ПРЕД-пространство-время», из элементов которого построено наше наблюдаемое пространство-время, подобно тому, как наблюдаемое нами вещество построено из микрочастиц, которые, в свою очередь, могут оказаться построенными из ПРЕД-частиц, из еще более фундаментальных кирпичиков материи – суперструн – или чего-то в этом роде. Подобно частицам вещества, пространство-время тоже может оказаться производной концепцией.
И тем не менее, на достаточно большом уровне, в масштабах макро– и мегамира, это то самое пространство-время, которое нам знакомо. От него нельзя просто отделаться с помощью математики... В свое время, до появления теорий относительности и тяготения, в определенных кругах было модно говорить, что время – это просто плод человеческого сознания, производная от нашего ощущения потока событий, что оно каким-то образом связано с тем, что мозг способен воспринимать события только в некой «темпоральной последовательности». Нельзя отрицать, что время – это поток, но это не чисто человеческое изобретение или категория сознания. Для физика время и пространство вместе с материей – это часть той структуры, с которой рождается сама Вселенная или, точнее, из которой создана Вселенная. Говорить, что время не существует, просто бессмысленно.Вот так, коротко и ясно. Ивашка пойдет гулять, а Витька будет дома сидеть, как говорила одна рабоче-крестьянская мама, раздосадованная поведением своего старшего сына.
Нам осталось расплеваться с так называемым антропным принципом, после чего мы перейдем к более животрепещущим вопросам. Об удивительной юстировке фундаментальных констант, ювелирной подгонке исходных параметров мироздания нам случалось упомянуть не единожды, и вы, уважаемый читатель, должны помнить, что не так страшен черт, как его малюют. Космологические модели, постулирующие множественность миров (например, теория хаотической инфляции Андрея Линде или безудержно почкующаяся глобальная Вселенная Ли Смолина), позволяют выбросить на свалку набившую оскомину гипотезу Творца, ибо они последовательно и непротиворечиво решают вопрос о тонкой настройке мировых констант. Однако не будем забегать вперед.
Термин «антропный принцип» был впервые предложен профессором Кембриджского университета Брандоном Картером, одним из крупнейших астрофизиков нашего времени. Впрочем, проницательные люди обращали внимание на поразительную выверенность фундаментальных констант задолго до Картера. Так, еще в начале 50-х годов прошлого века знаменитый английский астрофизик Фред Хойл задался вопросом, каким образом рождаются углерод и кислород в звездных недрах. Ему удалось подметить любопытное численное соотношение между суммарной энергией трех альфа-частиц (или, что то же самое, ядер гелия) и уровнем энергии ядра углерода. Чтобы при слиянии трех альфа-частиц образовался углерод, эта величина должна составлять 7,7 мегаэлектронвольта. Впоследствии этот квантовый эффект был обнаружен экспериментально. А чуть позже великий Поль Дирак уловил еще одно удивительное совпадение между размерами наблюдаемой Вселенной и силой гравитации в ней, хотя эти величины никак не связаны друг с другом.
Не менее интересен и тот факт, что плотность нашего мира весьма близка к критической плотности. Если бы величина ? была несколько меньше критической, рассеянное вещество, находящееся в очень разреженном состоянии, просто не успело бы собраться в массы, необходимые для формирования звезд. С другой стороны, если ? больше ?кр, то, наоборот, конденсация пойдет ускоренными темпами, и жизнь во Вселенной (или, если говорить более строго, сложные структуры) элементарно не успеет возникнуть. И уж тем более не хватило бы времени для эволюции органического мира, которая на Земле, как известно, продолжалась несколько миллиардов лет.
Если увеличить в 100 раз численное значение гравитационной постоянной, то во столько же раз сократится время жизни Солнца. Понятно, что 50 миллионов лет явно недостаточно, чтобы на планетах Солнечной системы возникла биосфера. При других значениях константы электромагнитного взаимодействия потеряет стабильность протон – фундаментальный кирпич мироздания, а если мы вдобавок немного «подправим» константы сильного и слабого взаимодействий, облик Вселенной изменится до неузнаваемости.
Отношения масс протона, нейтрона и электрона между собой тоже имеют определяющее значение и для современной структуры Вселенной, и для появления в ней жизни. Скажем, масса нейтрона превышает массу протона на ничтожно малую величину (порядка 10-3m?). Если мы всего-навсего удвоим эту величину, атомы химических элементов потеряют стабильность. Точно так же увеличение массы электрона всего лишь в три раза приведет к распаду ядер атомов водорода – самого распространенного элемента во Вселенной.
Размерность окружающего нас пространства тоже дает богатую пищу для размышлений. Три пространственных измерения обеспечивают устойчивое обращение тел друг около друга: либо тело стабильно движется по эллипсу (в частном случае, по окружности), либо улетает в бесконечность по параболической или гиперболической траектории. А вот в четырехмерном мире периодическое движение по замкнутой орбите невозможно: планета или упадет на центральное светило, или немедленно улетит в бесконечность. Это означает, что в мире четырех пространственных измерений не может существовать устойчивых планетных систем, движения электронов вокруг атомных ядер и т. п. Вся материя рассыпается в прах. А в мирах с числом измерений меньше трех атомы утрачивают способность излучать в непрерывном спектре, поскольку электроны не могут там совершать необходимые для этого орбитальные переходы.
Список тончайшей юстировки фундаментальных констант непрерывно растет и сегодня уже достиг поистине устрашающей величины. Поневоле задумаешься над тем, что кто-то мудрый и предусмотрительный сознательно отшлифовал мироздание, дабы в нем мог вырасти человек. В нашем распоряжении имеется три варианта ответа на этот вопрос.
Вариант первый. Законы природы сотворены высшим разумом. Теоретически подобная ситуация вполне возможна, поэтому не станем отвергать ее с порога. В конце концов, создаем же мы в земных лабораториях искусственные питательные среды для выращивания полезных микроорганизмов, и кто знает, каких еще успехов добьется биотехнология через пару-тройку тысячелетий. Правда, не совсем понятно, каким образом этот гипотетический высший разум умудрился уцелеть в пламени вселенского пожара, когда наш мир выныривал из небытия, и где он находился и чем был занят, когда мира еще не было. С другой стороны, сверхразум – он и в Африке сверхразум, а наше дело телячье – обгадил ноги и стой. Однако серьезные ученые начинают морщиться, когда речь заходит о божественном промысле. С помощью вмешательства сверхъестественных сил можно безо всякого труда объяснить любое явление, но тогда наука прикажет долго жить. Естественно-научный подход, в отличие от веры, склонен исповедовать принцип Оккама: не следует умножать число сущностей сверх необходимости. Поэтому оставим вариант номер один теологам и богословам. Высшие силы числятся по их ведомству.
Вариант второй. Если Теория всего на свете (Theory of Everything, сокращенно TOE) будет когда-нибудь построена, вполне вероятно, что численные значения фундаментальных констант получат естественное и разумное объяснение. Когда ученые поймут, что такое масса, заряд, спин и прочие изнаночные сущности мироздания, быть может, удастся ответить на вопрос, почему они принимают именно такие, а не другие значения. Тогда антропный принцип можно будет снять с повестки дня. М-теория, о которой рассказывалось в предыдущих главах, сегодня претендует на многое, однако до финиша пока еще далеко.
Вариант третий, наиболее любезный нашему сердцу. Если мироздание не исчерпывается наблюдаемой частью Вселенной, если они во множестве рождаются из квантовых флуктуации пространственно-временной пены (по Линде) или из первичных черных дыр (по Смолину), то наша Вселенная перестает быть уникальной и единственной в своем роде. Фундаментальные константы могут принимать в этих бесчисленных мирах любые произвольные значения, а жизнь и разум возникают только в тех вселенных, где существуют подходящие для них условия. Правда, кое-кому может показаться, что природа на редкость неэкономна: нагородить этакую прорву миров, чтобы в некоторых из них зажглась искорка разума. Еще Эйнштейн говорил, что Бог не играет в кости. Между тем удивляться тут нечему, ибо природа – слепой конструктор, и расточительство является ее имманентной чертой. Из миллионов икринок выживает всего несколько тысяч, а деревья каждый год во множестве рассеивают семена, чтобы некоторые из них пошли в рост. На вопрос «Почему наша Вселенная такова, какой мы ее видим?» следует ответ: «Если бы Вселенная была другой, нас бы здесь не было!» Это и есть формулировка антропного принципа.
Вообще-то антропный принцип существует в двух формулировках – слабой и сильной. Слабый антропный принцип настаивает на том, что разумная жизнь возникает только там и тогда, где и когда для нее имеются подходящие условия. Скажем, современная космология утверждает, что Вселенная возникла около 14 миллиардов лет тому назад и просуществует еще достаточно долго. Почему мы живем сравнительно недалеко от момента ее рождения? Ларчик открывается просто: 10 миллиардов лет назад звезд второго поколения с химическим составом, необходимым для появления сложных структур, еще не было, а через несколько десятков миллиардов лет все они сгорят без остатка, и разумная жизнь нашего типа станет невозможной.
Сильный антропный принцип гласит, что законы природы и параметры фундаментальных констант таковы, что допускают возникновение разумной жизни. Иными словами, мир заточен под человека. Откровенно говоря, обе версии антропного принципа утверждают практически одно и то же, но все-таки его сильная ипостась изрядно отдает телеологией. Получается, что вся гигантская машинерия мироздания задумана исключительно ради нас с вами. С такой формулировкой примириться нелегко. Кроме того, неплохо бы внести одно существенное уточнение.
Когда мы говорим, что при других параметрах фундаментальных констант во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь, следовало бы добавить: жизнь в известных нам формах. А ведь даже белковая жизнь на планете Земля обладает огромным адаптивным потенциалом. Достаточно вспомнить о так называемых «черных курильщиках» – горячих гейзерах на дне океанов. Они являются настоящим рассадником жизни, хотя температура воды вблизи курильщика достигает 300 градусов по Цельсию при давлении в несколько сотен атмосфер. Что уж тут говорить о гипотетических внеземных организмах, чей обмен веществ может строиться на принципиально иной химической основе.
Между прочим, природно-климатические условия нашей планеты меняются в очень широких пределах, что не мешает земным организмам прекрасно себя чувствовать и на полюсе, и на экваторе. Температурный оптимум – дело вкуса. Нильскому крокодилу пришлось бы несладко за полярным кругом, а белым медведям, моржам и тюленям едва ли понравились бы тропики. Если бы белый медведь умел рассуждать логически, он непременно пришел бы к выводу, что мудрая природа специально позаботилась о том, чтобы ему, белому медведю, было хорошо. Не приведи Господь жить в знойной пустыне, где днем с огнем не сыщешь вкусных и полезных тюленей, а солнце палит немилосердно. То ли дело в родных пенатах: прохладная водичка, свежий ветерок и полугодовая полярная ночь...