Научная альтернатива разумному Создателю: теория мультивселенной

Выгляните в окно, день кажется достаточно обычным. Автомобили, пешеходы, снег, дворники. Всё это, включая фотоны, освещающие эту сцену после своей восьмиминутной прогулки от Солнца, является свидетелем экстраординарного факта вселенной: её основные свойства странным образом идеально подходят для жизни. Измените любые законы физики, и в этой вселенной исчезнет жизнь.

Компьютерное моделирование показывает представление мультивселенной, в котором каждый цветной луч - отдельный расширяющийся космос.

Рассмотрим всего два возможных изменения. Атомы состоят из протонов, нейтронов, и электронов. Если бы протоны были на 0.2 процента массивнее, то они были бы непостоянны и распадались бы на более простые частицы. Атомов бы не существовало - и нас тоже. Если бы сила тяжести была больше, то последствия были бы смертельными. Увеличенная гравитационная сила сжала бы звезды более сильно, делая их меньше, горячее, и плотнее. Вместо того, чтобы существовать на протяжении миллиардов лет, звезды сжигали бы своё топливо за несколько миллионов лет и потухли бы прежде, чем у жизни возникнет шанс развиться. Существует много таких примеров, благоприятных для жизни свойств - так много, что физики не могут списать их все на простую случайность.

“Имеется много действительно странных совпадений, и все эти совпадения таковы, что они делают жизнь возможной”, - рассказывает физик Андрей Линде.

Физикам не нравятся совпадения. Ещё меньше им нравится понятие, что жизнь так или иначе является центром вселенной. Кажется, что жизнь не является непредвиденным компонентом вселенной, выплеснутым из случайного химического варева на одинокой планете, чтобы выдержать несколько крохотных мгновений космических часов. В некотором странном смысле, мы не приспособлены ко вселенной; вселенная приспособлена к нам.

Назовите это счастливой случайностью, тайной, чудом. Или назовите это самой большой проблемой физики. За исключением использования идеи доброжелательного творца, многие физики видят только одно возможное объяснение: наша вселенная является всего лишь одной из бесконечного множества вселенных в немыслимо обширной мультивселенной. Большинство этих вселенных бесплодно, но некоторые, как наша, имеют условия, подходящие для жизни.

Эта идея спорна. Критики заявляют, что это даже не расценивается как научная теория, так как существование других вселенных не может быть доказано или опровергнуто. Защитники же утверждают, что, как бы то ни было, мультивселенная может быть единственным жизнеспособным нерелигиозным объяснением того, что часто называют “проблемой точной настройки” - затруднительное наблюдение за тем, что законы вселенной скроены так, чтобы способствовать появлению жизни.

“Для меня реальность множества вселенных - логическая возможность,- продолжает Линде. - Вы можете сказать, ‘возможно, это всего лишь некоторое таинственное совпадение. Возможно, Бог создал вселенную для нас’. Хорошо, я не знаю о Боге, но сама вселенная могла бы размножаться вечно во всех ее возможных проявлениях”.

Вклад Коперника

“Если мы удвоим массу электрона, известная нам жизнь исчезнет. Если мы изменим силу взаимодействия между протонами и электронами, то жизнь исчезнет. Почему существует три пространственных измерения и одно временное измерение? Если бы у нас было бы четыре пространственных измерения, то планетарные системы были бы непостоянны, и наша версия жизни была бы невозможна. Если бы у нас было два пространственных измерения, то не существовали бы мы”, - продолжает он.

Идея того, что вселенная была сделана только для нас — известная как антропный принцип, дебютировала в 1973 году, во время речи Брэндона Картера, в будущем физика Кембриджского университета, на конференции в честь Коперника, астронома 16-ого столетия, сказавшего, что не Земля, а Солнце, является пупом земли. Картер предположил, что просто случайный ассортимент законов оставил бы вселенную мертвой и темной, и что жизнь ограничивает значения, которые могут иметь физические константы. Помещая жизнь в космический центр внимания именно на встрече, посвященной Копернику - Картер бросил вызов научному мировоззрению, которое было построено почти 500 лет назад, когда польский астроном сместил Землю и человечество из центра в великой схеме происходящего.

Картер предложил две интерпретации человеческого принципа. "Слабый" человеческий принцип просто говорит, что мы живем в специальное время и в специальном месте во вселенной, где возможна жизнь. Жизнь, возможно, не выжила бы в очень ранней вселенной, прежде, чем сформировались звезды, таким образом вселенная, должна была, достигнуть определенного возраста и стадии развития прежде чем смогла возникнуть жизнь.

"Сильный" человеческий принцип делает намного более смелое утверждение. Он утверждает, что на законы самой физики оказывает влияние жизнь. Процитируем Фримэна Дайсона (Freeman Dyson), известного физика из института специальных исследований в Принстоне: сильный человеческий принцип подразумевает, что “вселенная знала, что мы придём”.

Обильность

Человеческий принцип томился на обочине науки в течение многих лет. Физики расценили его как интересную идею, однако реальное движение в этой области были начаты в другом месте. В конце 1970-ых годов Линде работал профессором в престижном физическом институте имени П.Н.Лебедева в Москве, находился в центре этого движения. В то время он не интересовался человеческим принципом; он пытался понять физику Большого взрыва. Линде и другие исследователи знали, что что-то отсутствовало в обычной теории Большого взрыва, потому что она не могло объяснить озадачивающий ключевой факт о вселенной: её замечательную однородность.

Поразительно, однако температура космоса повсюду одинакова - всего на 2.7 градуса Цельсия выше абсолютного нуля. Как же различные области вселенной, отделенные такими огромными расстояниями, могут иметь одинаковую температуру?

В стандартной версии Большого взрыва они бы не могли. Вселенная охлаждалась с момента появления из фаербола Большого взрыва. Однако есть одна проблема: чтобы достигнуть одинаковой температуры, различные области вселенной должны были бы обменяться температурой, так же, как кубики льда и горячий чай встречаются, чтобы достигнуть однородной температуры холодного чая. Однако Эйнштейн доказал, что ничто, включая даже высокую температуру, не может путешествовать быстрее скорости света. В обычной теории Большого взрыва, на процесс просто не хватило бы времени, так как вселенная родилась одновременно для каждой части космоса, соединённой с любой частью и охлаждённой до одинаковой температуры.

В этой, произведенной компьютером, последовательности, вселенная развивается, раздувает и расширяет свой ландшафт. Нежные долины представляют неподвижные космические зоны, где все устойчиво. Выступающие холмы и высокие пики символизируют инфляционный двигатель создания вселенной, где новые космические царства воплощают дополнительную физику и странную жизнь, или ни то, ни другое.

Физик Массачусетского технологического института Алан Гут (Alan Guth) нашел в 1981 году жизнеспособное, но ущербное решение этой загадки. Чуть позже Линде доработал эту работу, внося усовершенствования, чтобы преодолеть существующие недостатки. В двух словах, Гут и Линде предположили, что в первые моменты своего существования вселенная подверглась колоссальной судороге роста, явлению, названному инфляцией. Сегодня эта теория широко распространена как стандартная версия теории "Большого взрыва". Она утверждает, что области вселенной, которые в настоящее время отделены многими миллиардами световых лет, находились однажды достаточно близко друг к другу и обменивались высокой температурой прежде, чем расстояния между ними стали гигантскими. Проблема была решена.

К середине 1980-ых годов Линде и физик из университета им. Тафтса Алекс Виленкин придумали новый драматический поворот, который остается и по сей день почти столь же спорным, как и тогда. Они утверждали, что инфляция была не одноразовым случаем, а продолжающимся процессом по всей вселенной, и даже теперь различные области космоса подвергаясь инфляции отпочковываются и развиваются в отдельные вселенные. В свою очередь, тот же самый процесс происходит в каждой из этих новых вселенных - процесс, который Линде называл вечной хаотической инфляцией.

Линде провел большую часть прошлых 20 лет, совершенствуя эту идею, показывая, что законы физики каждой новой вселенной, вероятно, будут полностью отличными от наших собственных условий. Последние части его теории обеспечивают естественное объяснение человеческого принципа. Если есть обширное число других вселенных, всех с различными свойствами, то по крайней мере в одной из них должна быть правильная комбинация условий для рождения звёзд, планет, и живых существ.

”В некоторой другой вселенной люди смогут наблюдать другие законы физики, - рассказывают Линде. – Однако они не смогут видеть нашу вселенную. Они будут видеть только свою. Они будут озираться и говорить, ‘вот наша вселенная, и мы должны построить теорию, которая уникально предсказывает, что наша вселенная должна быть такой, какой мы видим её, потому что иначе это уже не физика’. Это было бы неправильным путём, так как они находятся в той вселенной по воле случая”.

Большинство физиков возражали. Ведь не существовало никакого серьезного основания верить в существование других вселенных, по крайней мере до начала нового тысячелетия, когда астрономы сделали одно из самых замечательных открытий в истории науки.

Ускорение вселенной

В 1998 году две команды исследователей, наблюдающих отдаленные сверхновые, обнаружили то, что расширение вселенной ускоряется. Открытие озадачивало. Все ожидали, что космическое расширение, которое началось с момента Большого взрыва, должно постепенно замедляться из-за торможения коллективной гравитации всех галактик и различной материи в них. Кажется, что в саму ткань космоса встроена некоторая неизвестная форма энергии, физики назвали её просто, темная энергия, которая подпитывает расширение. Многие космологи сначала скептично отнеслись к новым идеям, однако последующие наблюдения с использованием космического телескопа Хаббл, наряду с независимыми исследованиями излучения, оставшимся со времён Большого взрыва, только подтвердили реальность темной энергии.

Идея, что космос может содержать некую энергию, не нова для физиков. Начиная с рождения квантовой механики в 1920-ых годах, учёные знали, что неисчислимые "виртуальные" частицы проносятся мимо нас - своего рода квантовый белый шум, существовавший всегда, но не видимый нами. Их удивил специфический размер этой энергии: достаточной для ускорения расширения, однако не достаточной для разрыва вселенной на части. Определённое число темной энергии является одним из тех странных свойств, настроенных специально для существования звезд, галактик, и нас.

“Если бы [темной энергии] было немного больше, достаточно было бы толчка от нее, чтобы преодолеть силу тяжести, соединяющую галактики, звезды и Землю, - рассказывает Стэнфордский физик Леонард Зюсскинд (Leonard Susskind). - Это одна из самых больших тайн в физике. Все, что мы знаем, - это то, что если бы она было намного больше, нас бы не было”.

Нобелевский лауреат, физик из университета Техаса, Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), соглашается с ним. “Это чрезвычайно точная настройка, более того, её нельзя рассматривать как простую случайность”, считает он.

Мультивселенная на струне

Темная энергия лишает нас возможности игнорировать теорию мультивселенной. Другая ветвь физики - теория струн, так же оказывает поддержку. Хотя теории струн всё еще недостаёт экспериментальных данных, многие физики полагают, что это лучший кандидат на теорию всего, всестороннее описание вселенной, от кварка до квазаров. Согласно теории струн, конечные элементы физической реальности являются не частицами, а крохотными вибрирующими струнами, различные колебания которых дают начало всем частицам и силам во вселенной. Хотя теория струн и чрезвычайно сложна, она требует, чтобы правильно работали в общей сложности 11 измерений, но это математически убедительный способ соединить все известные законы физики.

Однако в 2000 году новая теоретическая работа поставила теорию струн под угрозу. Джо Полчински (Joe Polchinski) из калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Рафаэль Буссо (Raphael Bousso) из калифорнийского университета в Беркли вычислили, что у основных уравнений теории струн возможно астрономическое число различных решений, более чем 10 в степени 1000. Каждое решение представляет уникальный способ описать вселенную. Это означает, что почти любой экспериментальный результат будет совместим с теорией струн; эту теорию нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть.

Некоторые учёные считают, что эта реализация подводит научный базис под теорию струн. Другие настаивают, что это подсказывает, что мультивселенная реальна. Зюсскинд, главный сторонник этой интерпретации, считает, что различные версии теории струн могут описывать различные реальные вселенные. Он верит, что человеческий принцип, мультивселенная и теория струн сходится, чтобы произвести новое последовательное, чрезвычайно странное представление, в котором наша вселенная - только одна из множества вселенных, которая родилась с правильной физикой для нашего вида жизни.

“Некоторые люди назвали бы большим бедствием для теории струн то, что она вместо того, чтобы дать начало единственной теории, даёт начало чему то, что настолько разнообразно, что мы всегда будем считать это бессмысленным, - рассказывает Зюсскинд. - Другие скажут, ‘ах, это именно то, в чем мы нуждаемся для вечного расширения, для мультивселенной, для человеческого мышления и т.д.’”

Доказать это

Недавнее исследование Линде помогло укрепить связь между теорией струн и мультивселенной. Некоторые физики долго осмысливали то понятие, что дополнительные измерения теории струн играют ключевую роль в формировании свойств новых вселенных, порождаемых во время вечной хаотической инфляции. Согласно теории струн, когда новая вселенная отпочковывается от своего родителя, только три пространственных измерений раздуваются в большой пригодный для жилья космос. Другие пространственные измерения остаются невидимыми — но тем не менее они влияют на форму, которую принимает вселенная. Линде со своими коллегами выясняли, как невидимые измерения остаются компактными и предлагают миллиарды перестановок, каждая из которых, даёт начало новой уникальной вселенной.

Идеи Линде делают понятие мультивселенной более вероятным, но они не доказывают, что другие вселенные действительно существуют. Проблема состоит в том, чтобы придумать способ подтвердить существование других вселенных, учитывая, что каждый мыслимый эксперимент или наблюдение должен быть ограничен нашей собственной вселенной. Имеет ли смысл говорить о других вселенных, если они никогда не могут быть обнаружены?

Астрофизик Кембриджского университета, Мартин Риис (Martin Rees), давний сторонник идей Линде, соглашается, что другие вселенные никогда, возможно, не будут наблюдаться непосредственно, однако он утверждает, что ученые все еще могут найти убедительное доказательство их существования. Чтобы сделать это, физикам необходима теория мультивселенной, которая сделает новые, доказуемые предсказания о свойствах нашей собственной вселенной. Риис верит, что если бы эксперименты подтвердили предсказания этой теории об вселенной, то мы смогли бы увидеть, что они также приводят веские аргументы в пользу реальности тех вселенных, что мы не можем увидеть. В теории струн ещё предстоит много работы, однако она может сформировать базис для новой теории.

“Если теория действительно получит правдоподобный вид, объясняя ранее необъяснимые особенности физического мира, то мы должны принять серьезно её дальнейшие предсказания, даже если эти предсказания нельзя непосредственно пронаблюдать, - рассказывает он. - Пятьдесят лет назад все мы думали о Большом взрыве как об очень спорном явлении. Теперь же Большой взрыв доказан”.

Вероятность правдоподобия теории струн и мультивселенной может увеличиться в течение следующих нескольких лет, как только физики начнут анализировать данные от Большого Адронного Коллайдера - нового, ускорителя частиц построенного за $8 миллиардов на швейцарско-французской границе. Если теория струн правильна, то коллайдер должен произвести новые частицы. Существует даже маленький шанс, что он может найти свидетельство таинственных дополнительных измерений теории струн. “Если вы измеряете нечто, что подтверждает определенные наработки в теории струн, тогда у вас имеется косвенные улика существования мультивселенной”, - рассказывает Бернард Карр, космолог из университета королевы Мэри в Лондоне.

Поддержка мультивселенной может также придти от некоторых космических миссий будущего. Зюсскинд считает, что существует шанс, что спутник Планк европейского космического агентства, запуск которого намечен на начало следующего года, должен помочь. Некоторые модели мультивселеннной предсказывают, что у нашей вселенной должна быть определенная геометрия, которая изгибала бы световые лучи определенным способом, который может быть обнаружен новым спутником, который будет анализировать излучение оставленное Большим взрывов. Если наблюдения Планка будут соответствовать предсказаниям, то можно предполагать существование мультивселенной.

Сам Линде так отвечает на вопрос, смогут ли когда-либо физики доказать, что мультивселенная вполне реальна. “Ничто иное не соответствует данным. У нас нет никакого альтернативного объяснения темной энергии; у нас нет никакого альтернативного объяснения малой массы электрона; у нас нет никакого альтернативного объяснения многих свойств частиц“.

“Когда я говорю это, я смотрю на это открытыми глазами. Это - экспериментальные факты, и эти факты соответствуют одной теории: теории мультивселенной. Пока они не подходят ни под одну другую теорию. Я не говорю, что эти свойства обязательно подразумевают, что теория мультивселенной является правильной, но вы спросили меня, существуют ли какие-нибудь экспериментальные данные, и ответ - да. Артур Конан Дойл сказал, ‘Если вы устранили невозможное, независимо от того насколько остаток невероятен, он верен’”.

А что насчёт Бога?

Для многих физиков мультивселенная остается отчаянной мерой, вызванной невозможностью подтверждения. Критики видят человеческий принцип как шаг назад, возвращение к антропоцентрическому способу смотреть на вселенную, который пять столетий назад дискредитировал Коперник. Они жалуются, что использование человеческого принципа, для объяснения свойств вселенной походит на высказывание, что суда были созданы так, чтобы моллюски могли прилипать к ним.

“Если вы позволяете себе выдвигать гипотезу о наличии почти неограниченного количества различных миров, то вы можете объяснить что угодно, - рассказывает Джон Полкингхорн (John Polkinghorne), бывший теоретический физик из Кембриджского университета, а сейчас англиканский священник. Если теория позволяет чему-нибудь быть возможным, то она ничего не объясняет; теория чего-нибудь не равна теории всего“.

Сторонники теории мультивселенной считают, что критики находятся на неправильной стороне истории. “Повсюду в истории науки вселенная всегда становилась больше, - рассказывает Карр. - Мы прошли от геоцентрического до гелиоцентрическуму, а затем и к галактоцентрическому. Когда в 1920-ых годах мы поняли, что наша галактика не является всей вселенной, это было огромный изменением,. Я вижу это как еще один шаг прогресса. Каждый раз, когда происходило такое расширение, более консервативные ученые говорили, ‘это не наука’. Тот же самый процесс происходит сегодня”.

Если мультивселенная - заключительный этап коперниканской революции, с нашей вселенной, пятнышком в бесконечном мегакосмосе, то куда вписывается человечество? Если благоприятная для жизни точная настройка нашей вселенной – всего лишь случайность, нечто, что неизбежно возникает в бесконечном множестве вселенных, нужен ли нам Творец?

“Я не думаю, что идея мультивселенной разрушает возможность интеллектуального, доброжелательного создателя, - рассказывает Вайнберг. – Она просто удаляет один из аргументов, так же, как теория эволюции Дарвина сделала ненужным ссылаться к доброжелательному Творцу, чтобы понять, как развилась жизнь с такими замечательными способностями выживать и размножаться”.

С другой стороны, если нет никакой мультивселенной, то остановит ли это физиков? “Если существует только одна вселенная, - говорит Карр, - то у неё, возможно, имеется прекрасный блок настройки. Если вы не хотите Бога, у вас должна быть мультивселенная”.

Что касается Линде, то он особенно интересуется тайной сознания и думает, что вместе с пространством и временем, сознание может быть фундаментальным компонентом вселенной. Он задается вопросом, может ли физическая вселенная, ее законы, и сознательные наблюдатели сформировать интегрированное целое. Полное описание действительности, он говорит, могло потребовать всех трех компонентов, которые, как он установил, появились одновременно. “Без наблюдателя, - считает он, - вселенная мертва”.

Все же, при всей своей смелости, Линде колеблется, когда его спрашивают, действительно ли он полагает, что идея мультивселенной однажды будет стоять на одном уровне с законом Ньютона и Большим взрывом. “Я не хочу предсказывать будущее, - отвечает он. - Когда-то предсказал свое собственное будущее. У меня было очень устойчивое предсказание. Я знал, что я умру в больнице Академии Наук в Москве рядом с местом, где я работал. Однажды, когда у меня была язва, я лежал там в кровати, думая, что это именно то место, где я умру. Почему? Поскольку я знал, что я буду всегда жить в России. Москва была единственным местом в России, где я мог заниматься физикой. Это была единственная больница Академии Наук в Москве, и так далее. Это было весьма предсказуемо.

“Теперь я в Соединенных Штатах. В одном из моих возвращений в Москву я смотрел на эту больницу Академии Наук, и она лежала в руинах. Дерево росло сквозь крышу. И я смотрел на это, и думал, Что мы можем предсказать? Что мы можете знать о будущем?”

Космические совпадения

Если бы космические характеристики были бы немного изменены, жизнь, как мы её знаем, была бы невозможной. Итак несколько примеров:

• Звезды, как и Солнце производят энергию, сплавляя два атома водорода в один атом гелия. Во время этой реакции, через известное уравнение Энштейна e = mc2, 0.007 процента массы атомов водорода преобразуются в энергию. Но если бы этот процент был, скажем, 0.006 или 0.008, то вселенная была бы намного более враждебной к жизни. Более низкое число привело бы ко вселенной, заполненной только водородом; более высокое число оставило бы вселенную без водорода (и значит без воды) и без звезд.

• Ранняя вселенная была изящно сбалансирована между безудержным расширением и предельным сжатием. Если бы вселенная содержала намного больше материи, дополнительная сила тяжести заставила бы её сильнее сжаться. Если бы её содержалось меньше, вселенная расширилась бы слишком быстро и галактики бы не сформировались.

• Если бы материя была более равномерно распределена по вселенной, то она не скопилась бы вместе, формируя галактики. Если бы материя была бы изначально сильно скучкована, то в результате, она уплотнилась бы в черные дыры.

• Атомные ядра связаны сильным взаимодействием. Если бы эта сила была немного более сильной, то все протоны ранней вселенной разделились бы на пары и не существовало бы водорода, и соответственно и топлива для звёзд. Вода так же бы не существовала бы, а вместе с ней и любая известная нам форма жизни.

По материалам Discovery