Об антропном принципе, о Мультиверсе, о теории струн, о теории вечной инфляционной Мультивселенной, о чёрных дырах...
По мере накопления нами знаний о космосе возрастал объем имеющейся у нас информации об устройстве и макромира, и микромира. И становилось все очевиднее, что, сложись хоть что-то в процессе возникновения и эволюции Вселенной хотя бы незначительно иначе, чем оно было, нас бы с вами попросту не было, и некому было бы размышлять о порядке мироустройства. То есть, все выглядит так, будто Вселенная действительно была изначально задумана как своего рода Эдем — райский сад, где все благоприятствовало зарождению человечества, — и замысел этот поражает грандиозностью своего масштаба.
Окажись чуть интенсивнее силы взаимного гравитационного притяжения материальных тел — и расширение Вселенной (см. Большой взрыв) прекратилось бы, практически не успев начаться, — мир буквально сжался бы обратно в бесструктурную массу, не успев по-настоящему родиться; по крайней мере, до формирования звезд с планетными системами, не говоря уже о зарождении ни них жизни, дело бы дойти не успело. Если бы, напротив, сила тяжести оказалась несколько ниже наблюдаемой, вещество Вселенной попросту распылилось бы, не успев и не сумев локализоваться в звездно-планетарные системы. Из всех возможных значений константы гравитационного протяжения лишь мизерный интервал ее значений приводит к формированию устойчивой и жизнеспособной Вселенной.
Что такое чёрные дыры с точки зрения современной науки и какое значение имеет их исследование для понимания Вселенной.
На самом деле, все фундаментальные константы, взятые по совокупности, имеют очень узкий интервал допустимых значений, при которых Вселенная в том виде, в котором она перед нами предстает и обеспечивает условия для зарождения жизни, могла возникнуть и стабильно развиваться. Первым эту мысль озвучил американский астрофизик Роберт Дик (Robert H. Dicke, 1916–1997), а окончательно сформулировал в 1973 году также американец Брэндон Картер (Brandon Carter, р. 1942) — этот космолог усмотрел в антропном принципе расширение задолго до него сформулированного принципа Коперника. Согласно Картеру мы имеем два формально раздельных космологических вселенских антропных принципа — слабый и сильный.
Слабый антропный принцип просто утверждает, что устройство Вселенной допускает зарождение в ней биологической жизни. То есть, вопрос «почему Вселенная устроена именно так, как она устроена?» заменяется вопросом «Почему Вселенная устроена так, что в ней возникли разумные существа, задающиеся вопросом о причинах наблюдаемого устройства Вселенной?» То есть, сам факт возникновения вопроса относительно природы фундаментальных сил и законов уже подразумевает, что во Вселенной развились разумные формы жизни. Если бы, условно говоря, константы (такие, как постоянная всемирного тяготения) отличались от наблюдаемых, Вселенная эволюционировала бы по-иному, жизнь в ней попросту могла бы и не развиться, в результате чего вопросов о первопричинах возникновения Вселенной не возникло бы, как таковых.
Что такое виртуальные частицы? Почему вакуум не пустой? На что влияют квантовые флуктуации? И, наконец, живем ли мы в симуляции? В этом выпуске обзорный рассказ о кон
Вот, к примеру, аналогия: если десять раз подряд подбросить монету, вероятность того, что десять раз подряд выпадет орел, составит (1/2)10 = 1/1024. То есть из 1024 серий по бросанию монеты 10 раз подряд вы, в среднем, лишь единожды добьетесь результата, при котором монета все десять раз подряд упадет одной стороной кверху. Это строгое следствие теории вероятностей, но, после того, как монета десять раз подряд выпала орлом, смысла задаваться вопросом, почему так случилось, нет и быть не может. Можно сколько угодно отслеживать и описывать траекторию хаотичного движения монеты в полете — никакой закономерности в выпадении орла или решки нет. В точности также из бесчисленного множества вероятных вселенных лишь у немногих есть шанс на то, что набор фундаментальных констант сложится в них благоприятным (с точки зрения их дальнейшего устойчивого развития) образом, — остальные же обречены на практически мгновенное сжатие до состояния протоматерии или распыление без образования устойчивых структур. И только в этих устойчивых вселенных может зародиться разумная жизнь, задающаяся вопросом о причинах своего происхождения.
Однако и этого некоторым ученым показалось мало для объяснения наблюдаемой пригодности нашей Вселенной для жизни, в результате чего был сформулирован сильный антропный принцип: Вселенная обязана быть устроена так, чтобы в ней могла зародиться разумная жизнь. В этой его версии принцип выходит за рамки слабого антропного принципа и утверждает, что зарождение жизни во Вселенной не только возможно (слабый принцип), но и фактически неизбежно. Сторонники этого взгляда на вещи обосновывают свою точку зрения тем, что имеется некий универсальный (и до сих пор не открытый) закон, согласно которому все фундаментальные вселенские константы попросту не могут отличаться от тех, которые мы имеем в объективной реальности. Крайняя точка зрения в этой космогонической традиции доходит до того, что не только универсальные константы предопределены, но и развитие сознающего разума во Вселенной неизбежно.
Что касается ученых-естествоиспытателей, то большинство из них безоговорочно признают антропный принцип в его «слабой» формулировке, поскольку здесь он является не более, чем обычным упражнением в логике (кто-то, возможно, даже сочтет его тавтологией: «мы живы, потому что живы и сознаем этот факт»). Сильный же антропный принцип широкого признания так и не получил по причине практической невозможности его проверки. Что касается лично меня, то по обоим вышеупомянутым вопросам я, вынужденно или невольно, разделяю мнение большинства.
Если Вселенная, по определению, вмещает всю совокупность сущего, можно ли вообще говорить о самой возможности существования многих вселенных? Одним из возможных ответов может стать так называемая «множественность вероятностных миров», предсказываемая квантовой механикой: в частности, можно обратиться к опыту, свидетельствующему о полной непредсказуемости того, через какое из двух равновеликих отверстий квантовая частица проникнет в «камеру-обскуру» при эксперименте по исследованию интерференции — именно благодаря этому на задней стенке камеры образуются известные интерференционные полосы Фраунгофера. Чтобы хоть как-то логически обосновать результаты наблюдения, некоторые физики-теоретики предложили единственное, по их мнению, разумное объяснение происходящего: при каждом разовом «взаимодействии» вселенная распадается надвое и образуется две буквально неразличимые копии мира. Если так, то одновременно существует неизмеримо большое количество подобных «слепков» вселенной, образовавшихся в результате неисчислимого множества подобных взаимодействий с дуальным исходом, причем на макроскопическом уровне все эти вселенные существуют независимо друг от друга, однако они по-прежнему могут «сообщаться» посредством взаимодействий на квантовом уровне. Английский астроном Мартин Рис (Martin Rees, р. 1942) ввел по этому случаю термин «мультивселенная» — то есть это вселенная, объединяющая в себе все неисчислимое множество вероятных миров.
Концепция множественной вселенной дает нам естественное объяснение слабого антропного принципа. Можно, конечно, задаваться вопросом, почему в нашей Вселенной создались условия, благоприятствовавшие зарождению разумной жизни. Но гораздо проще принять, что среди бесконечного числа вселенных должно быть немалое число таких, где возможна органическая жизнь. Так стоит ли удивляться, что одна из этих вселенных, как Машеньке в сказке о трех медведях миска с Мишуткиной кашей, пришлась нам в самый раз?
У Вселенной есть фундаментальные законы, которые мы в силах наблюдать. Еще в ней существуем мы, вещи, из которых мы созданы, и все это тоже подчиняется фундаментальным законам. На основе этого можно соорудить два очень простых утверждения, с которыми было бы очень трудно спорить:
Два этих условия, которые впервые высказал физик Брэндон Картер в 1973 году, известны как слабый и сильный антропные принципы соответственно. Они просто говорят, что мы существует во Вселенной, у которой есть фундаментальные константы, законы и тому подобное. И наше существование доказывает, что Вселенная позволяет существовать существам вроде нас внутри нее (простите за тавтологию, но как есть).
Эти простые, само собой очевидные факты, на самом деле, несут в себе много груза. Они говорят нам о том, что Вселенная существует с такими свойствами, что в ней мог эволюционировать разумный наблюдатель. Это противоположно свойствам, несовместимым с разумной жизнью, которая не может описать нашу Вселенную на земле, которую никто никогда не наблюдал. Мы здесь, чтобы наблюдать Вселенную, и наш активный акт наблюдения означает, что Вселенная устроена таким образом, чтобы обеспечить наше существование. В этом суть антропного принципа.
И он позволяет нам сделать ряд вполне уместных научных утверждений и прогнозов о Вселенной. Тот факт, что мы являемся наблюдателями из углерода, говорит нам, что Вселенная должна была в некотором роде создать углерод. На основе этого Фред Хойл предсказал, что возбужденное состояние ядра углерода-12 должно существовать при определенной энергии, чтобы три ядра гелия-4 могли сливаться в углерод-12 в недрах звезд. Пятью годами позже открытие теоретического состояния Хойла и механизма его появления — тройной альфа-процесс — был открыт и подтвержден физиком-ядерщиком Вилли Фаулером и привел нас к пониманию того, как выстраивались тяжелые элементы в ранней истории Вселенной.
Расчет значения энергии вакуума нашей Вселенной — энергии, присущей пустому пространству — в рамках квантовой теории поля дает абсурдное значение, слишком высокое. Энергия пустого пространства определяет, насколько быстро увеличивается скорость расширения Вселенной (или скорость сжатия); если бы она была слишком высокой, жизнь, планеты, звезды, атомы и молекулы никогда бы не сформировались. Но поскольку во Вселенной присутствуют галактики, звезды, планеты и люди, значение энергии вакуума Вселенной, как подсчитал Стивен Вайнберг в 1987 году, не должно превышать 10-118-кратного значения той величины, которую мы вывели в своих наивных исчислениях. Когда в 1998 году мы нашли темную энергию, нам удалось измерить это число в первый раз, и оно оказалось равным 10-120 от наших прогнозов. Антропный принцип показал нам, что наши расчеты оказались некорректными.
Тем не менее два удивительно простых заявления, слабый и сильный антропные принципы, умудрились так сильно исказить, что теперь их привязывают к нелогичным и антинаучным заявлениям. Люди утверждают, что антропный принцип поддерживает теорию множественных вселенных; что антропный принцип говорит в пользу струнной картины мира; что антропный принцип требует для нас гигантский газовый гигант, который будет защищать нас от астероидов; что антропный принцип объясняет, почему мы находимся на таком расстоянии от галактического центра, на каком находимся. Другими словами, люди используют антропный принцип, чтобы заявить, что Вселенная является в точности такой, какой является, потому что мы существуем. Но это не только неверно, это еще и никак не относится к антропному принципу.
Антропный принцип просто гласит, что мы — наблюдатели — существуем. И что мы существуем в этой Вселенной, а значит Вселенная существует так, чтобы позволить наблюдателям существовать. Если вы установите законы физики, не позволяющие существовать наблюдателям, вы получите что угодно, только не нашу Вселенную. Наше существование означает, что Вселенная позволяет нам существовать, но это не означает, что Вселенная должна была сложиться именно таким образом. Это не означает, что наше существование обязательно. И это не означает, что Вселенная должна была взрастить нас именно такими, какие мы есть. Другими словами, нельзя сказать, что «Вселенная такая, как есть, потому что мы здесь». Это не антропный принцип — это логическая ошибка.
В 1986 году Джон Барроу и Франк Типлер написали интереснейшую книгу «Антропный космологический принцип», в которой пересмотрели эти принципы. Они писали:
Наблюдаемые значения всех физических и космологических величин не являются в равной степени вероятными, но они принимают значения, ограниченные требованием существования мест, где может развиваться жизнь на основе углерода, и требованием, чтобы Вселенная была достаточной старой, чтобы это уже сделать.
Вселенная должна иметь такие свойства, которые позволяют жизни развиться в ней на определенном этапе в истории.
Так что вместо того, что «наше существование в роли наблюдателей означает, что законы Вселенной должны быть такими, чтобы было возможно существование наблюдателей», мы получаем «Вселенная должна позволить существовать разумной жизни на основе углерода, а Вселенные, в которых жизнь не развивается, не допускаются». Барроу и Типлер идут дальше и предлагают альтернативные интерпретации, включая следующее:
Если последний пункт звучит как плохая интерпретация множественных вселенных, это потому, что все сценарии Барроу и Типлера основаны на плохих интерпретациях принципа самоочевидности.
Да, мы существуем во Вселенной и наблюдаем законы природы такими, какими они являются. Наблюдая за тем, какие неизвестные могут быть ограничены фактом нашего существования, мы можем узнать что-то о нашей Вселенной. В этом смысле антропный принцип имеет научную ценность. Но если мы начнем вертеть антропным принципом как нам захочется, мы превратим его в плохой инструмент.