Глава 1
Обратно к началу начал
Как вы уже убедились, видимая Вселенная не бесконечна, и Земля вместе с вами находится в ее центре. Это – практический факт, и ключевое слово тут «видимая»: свет, достигающий вас с одного направления, приносит вести из прошлого, такого же отдаленного, как с любого другого направления, заставляя ваши космические окрестности выглядеть сферическими. Это не означает, что вся Вселенная имеет сферическую форму, хотя означает, что лишь видимая вами часть имеет ее. Самый древний свет, который достигает вас сегодня, покинул поверхность последнего рассеяния, стену в конце видимой Вселенной, около 13,8 миллиарда лет назад, когда Вселенная охладилась достаточно, чтобы стать прозрачной. Считается, что во время этого последнего рассеяния Вселенная имела возраст около 380 тысяч лет и температуру 3000 °C. После этого момента она расширилась и охладилась. До него она была меньше и горячее.
Таким образом, видимая Вселенная представляет собой сферу с центром на Земле, сферу, состоящую из всего прошлого, достигающего нас сегодня. Наружный край этого космического лука из слоев эпохи, край нашего наблюдаемого прошлого, является также первой видимой его частью, тем моментом истории нашей Вселенной, когда свет, не сдерживаемый материей, стал свободно распространяться. Вы были там. Вы видели эту стену. Вы даже ее пересекли. Но в ней есть что-то особенное. Что-то очень-очень странное, что вы не могли заметить тогда.
Вы помните, что обнаружили ваши друзья, одаренные телескопами за миллиарды долларов, глядя на ночное небо, – то, что заполняющее Вселенную излучение практически такое же, как и в остальных частях глубокого ночного неба, откуда оно берет свое начало. Это излучение, космическое микроволновое фоновое излучение, возвестило триумф теории Большого взрыва. Это было неоспоримое свидетельство, необходимое, чтобы доказать, что наша Вселенная была в прошлом меньше и во много раз горячее. Но ни друзья, ни вы не обратили внимания на тот факт, что излучение было слишком однородным, чтобы соответствовать тому, что ожидается от расширения нашей Вселенной. Как вы теперь видите, эта необыкновенная однородность является одной из причин того, почему ученые выдвинули идею эпохи космологической инфляции, которая имела место раньше – и вызвала – Большой взрыв, за 380 тысяч лет до того, как Вселенная стала прозрачной.
И как вы теперь тоже видите, она открывает путь к возможности не одного, а бесконечно многих больших взрывов.
Попросите всех по соседству выключить ночью свет и сядьте в шезлонг, чтобы посмотреть на небо. Ваши глаза наполнит свет глубокого космоса, космического микроволнового фонового излучения, несмотря на то, что оно слишком слабо, чтобы вы знали о нем. Глядя достаточно долго, с правильным оборудованием, вы регистрируете излучение и в конечном итоге получаете довольно однородную картину, везде показывающую температуру -270,42 °C, или 2,73 градуса выше абсолютного нуля. Теперь возьмите с собой шезлонг и переместитесь в диаметрально противоположное место Земли. Оно называется антиподом. Если вы стартовали откуда-то в Великобритании, то сейчас вы в середине Тихого океана. Никаких огней вокруг. Вы находитесь на плоту, в шезлонге, снова глядя в небо, собирая свет, льющийся на вас после того, как он пропутешествовал по всей Вселенной 13,8 миллиарда лет.
– 270,42 °C, снова.
Точно такая же температура. Космическое микроволновое фоновое излучение.
Но для него нет абсолютно никакой причины оказаться везде одинаковым. На самом деле такая возможность должна быть исключена…
Реликтовое излучение, которое достигло вас в Великобритании, пришло с одного конца видимой Вселенной. То, что поймало вас в Тихом океане, – прямо с противоположного направления. Источники этого света настолько удалены друг от друга (два раза по 13,8 миллиарда световых лет), что, если только что-то странное не произошло на каком-то этапе, нет никакого способа на протяжении всей прошлой истории Вселенной, что они могли когда-либо находиться в контакте.
Таким образом, они не должны иметь одинаковую температуру.
Чтобы понять, насколько странно то, что с ними происходит, возьмите кружку горячего кофе и принесите его в гостиную.
Сначала, если только вы не живете в печке, температура гостиной должна быть ниже, чем у кофе, но, если вы подождете достаточно долго, кружка и комната в конечном итоге сравняются в температуре. То есть достигнут температурного равновесия. Как вы уже много раз замечали на протяжении всей книги, судьба кофе всегда заканчивается тем, что он становится слишком холодным, чтобы быть вкусным.
Теперь возьмите кружку, положите ее в холодильник и закройте дверцу. Новое температурное равновесие также будет достигнуто спустя некоторое время. И даже холоднее первого.
Прогуляйтесь с кофе по какой-нибудь жаркой пустыне, и еще одно равновесие будет достигнуто. На этот раз более теплое.
Все это звучит вполне нормально. Ничего странного.
Теперь налейте себе еще одну кружку горячего кофе и снова поставьте его в гостиной. Очень маловероятно, чтобы он в конечном итоге имел такую же температуру, как и внутри морозильной камеры в Японии.
Два объекта или места, которые никогда не были и не будут в каком-либо контакте, предметы или места, даже не подозревающие о существовании друг друга, не имеют никаких оснований оказаться в итоге имеющими одинаковую температуру. Похоже на справедливое предположение, не так ли? Настолько справедливое, что должно применяться и к космическому пространству.
Чтобы две противоположные, антиподные части ночного неба достигли через 13,8 миллиарда лет раздельного существования абсолютно равной температуры -270,42 °C, они должны были контактировать, так или иначе, на каком-то этапе в прошлом. Но это не представляется возможным: принимая во внимание возраст Вселенной и скорость ее расширения, они слишком удалены друг от друга, чтобы когда-либо соприкасаться любым способом. Если только не произошло какое-то очень-очень странное явление.
Например, что-то, что могло бы двигаться быстрее света.
К сожалению, для сигнала (то есть всего, что может переносить какую-то информацию, независимо от ее формы, из одного места в другое) это невозможно. Мы не говорим здесь о квантовых процессах, так что сигналы, какой бы природы они ни были, не могут распространяться быстрее света. Это действительно запрещено.
Тем не менее температура космического микроволнового фонового излучения такая, какая есть: слишком похожа везде, чтобы быть совпадением. Как такое может быть?
Может оказаться, что пространство-время – сама Вселенная, говоря другими словами – росло быстрее, чем свет, на каком-то этапе в прошлом.
И это то, что вы видели, путешествуя назад во времени за пределы Большого взрыва, когда вы вошли в так называемую эпоху инфляции, когда Вселенная была заполнена инфлатонным полем.
В своей современной форме инфляционная модель ранней Вселенной была впервые предложена в 80-х годах прошлого века американским физиком-теоретиком Аланом Гутом, русским астрофизиком Алексеем Старобинским и русско-американским физиком-теоретиком Андреем Линде. Стандартная модель заключается в том, что давным-давно, еще до появления материи, света и всего, что мы знаем, за пределами видимой Вселенной, за пределами Большого взрыва, существовало поле, заполняющее Вселенную отталкивающей антигравитационной силой. Это поле было настолько необычайно мощным, что вызвало период ускоренного расширения, которое разносило друг от друга различные части ранней Вселенной со скоростью, намного превышавшей скорость света, что позволяет местам, которые сегодня кажутся слишком далекими друг от друга, на самом деле контактировать в прошлом.
Именно поэтому появилась идея инфлатонного поля.
Но реально ли оно? Можем ли мы, как и в случае со всеми другими квантовыми полями, обнаружить некоторые из его фундаментальных частиц?
Если поле реально, то большинство его частиц должны были давным-давно исчезнуть (вызвав горячий Большой взрыв), но оно не могло стереться полностью. Так или иначе, инфлатонное поле все еще должно существовать вокруг, заполняя всю Вселенную, сохранившись в одной из своих обладающих наименьшей энергией форм, вакууме, который, как раз из-за отсутствия достаточного количества энергии вряд ли когда-либо возбудится достаточно, чтобы произвести на свет и показать нам свои частицы.
Инфлатоны, так называются его частицы, не обнаружены (пока). Тем не менее многие ученые убеждены в том, что какой-то сценарий инфляционной модели с ее инфлатонным полем должен довольно близко напоминать произошедшее на самом деле. И так как мне лично эта идея очень сильно нравится, то давайте отнесемся к ней серьезно и посмотрим, какой должна была бы быть история Вселенной, содержащей такое поле.
Инфлатонное поле первым проделало очень хорошую работу по разделению различных частей нашей видимой Вселенной так быстро, что с тех пор они никогда не вступали в контакт – и, вероятно, никогда больше не вступят, – хотя он и был в прошлом.
Затем последовал Большой взрыв, со всеми своими полями, частицами и переносчиками взаимодействий, возникших из колоссального объема энергии, выделенной распадающимся инфлатонным полем, которое впоследствии стало спокойным.
Затем началось расширение Вселенной. Нормальное расширение. Не сверхбыстрая инфляция.
Инфлатонное поле не исчезло полностью, но слишком значительная часть его энергии была использована для запуска Большого взрыва, и оно после не оказывало никакого влияния на что-либо вплоть до момента… 8 миллиардов лет спустя.
8 миллиардов лет после Большого взрыва, после 8 миллиардов лет устойчивого роста нашей Вселенной, материи, которую породило инфлатонное поле, оказалось достаточно для того, чтобы его вакуум вновь проснулся с драматическими последствиями: его антигравитационная сила вызвала ускоренное расширение Вселенной.
Экспериментальное обнаружение этого ускорения в 1998 году стало тем, за что Перлмуттер, Шмидт и Рисс в 2011 году были удостоены Нобелевской премии по физике.
Конечно, способ, которым инфлатонное поле влияет на поведение Вселенной в настоящее время, ничто по сравнению с тем, как оно разнесло все в разные стороны до Большого взрыва, во время эпохи инфляции. Тем не менее оно может отвечать за то, какое будущее ожидает нашу реальность.
Антиподные части Вселенной, как видно с Земли, теперь слишком далеко, чтобы когда-либо быть в контакте, но он случился до Большого взрыва. Поэтому у антиподных частей ночного неба есть все основания вести себя похожим образом.
Итак, не является ли это появление нового поля, инфлатонного поля, просто выходом из головоломки, хитрым трюком для объяснения того, почему диаметрально противоположные точки на ночном небе имеют одинаковую температуру, или же инфляция на самом деле существовала? И возможно ли это проверить?
Удивительно, но возможно.
Глава 2
Множество Больших взрывов
Некоторое время назад вы проводили эксперимент с котом. Котом Шредингера. Целью было найти метод, чтобы выразить странное микроскопическое квантовое поведение в макроскопической, наблюдаемой реальности. Ну хорошо, инфляция его тоже иллюстрирует. И никакой необходимости в коте тут нет.
Согласно хронологической шкале, как вы только что видели, эпоха инфляции происходила до Большого взрыва. Инфлатонное поле превратилось из того, что было чрезвычайно крошечной Вселенной, в нечто макроскопическое за невообразимо малое время. Затем инфлатонное поле и его фундаментальные частицы (инфлатоны) распались в чистую энергию согласно уравнению E = mc2. Выделилось огромное количество энергии, и Вселенная стала невероятно горячей. Именно так, как понимается теперь, начался (горячий) Большой взрыв (в рамках такого сценария), возбудив поля, которые позже стали тем, из чего возникли мы и все остальное, существующее сегодня.
В эпоху инфляции скорость расширения Вселенной была настолько необычайной, что все квантовые флуктуации (колебания), которые могли случиться (а значит, случились), застыли одна за другой. Еще более необычно, что эти «замороженные» флуктуации можно увидеть сегодня в том достаточно точном изображении, полученном учеными из реликтового излучения.
Инфляция предрекла невероятную гладкость заполняющего Вселенную реликтового излучения. Но это одна из причин, почему инфляция была создана в первую очередь. То есть на самом деле не предсказание.
Но она также говорит, что должны наличествовать квантовые флуктуации, запечатленные на этом фоне излучения в виде крошечных разнонаправленных перепадов температур. Такие перепады называют анизотропией.
Это был неизвестный факт, и тем не менее такие флуктуации обнаружились: американские астрофизики Джордж Фицджеральд Смут и Джон Мазер разделили в 2006 году Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение необыкновенной однородности реликтового излучения и содержащейся в нем анизотропии.
Эта анизотропия составляет порядка тысячной доли градуса по Цельсию, но она важна. Даже полагают, что она позже вызвала образование звезд и галактик.
Без нее Вселенная была бы однородной. Звезды никогда не смогли бы сформироваться.
Благодаря этим флуктуациям появились крошечные различия между разными местами нашей юной Вселенной, а затем гравитация сделала эти различия еще более выраженными, усилив их, создав звезды и все другие структуры космоса.
Итак, инфляция снова смешивает микромир с мегамиром, раз проходит весь путь от квантовых флуктуаций на самой ранней стадии развития Вселенной до рождения в ней структур, которые мы видим сегодня. Она даже намекает на то, чем может быть таинственная темная энергия, так как эта антигравитационная сила могла исходить из остаточной энергии вакуума инфлатонного поля.
Инфляция потенциально объясняет многое необъяснимое в космическом пространстве. Поэтому ее нужно рассматривать очень серьезно. И раз уж мы коснулись этой темы и я упомянул о довольно озадачивающих последствиях такого сценария, то вот они.
Как понимается сегодня, инфлатонное поле не может в действительности оставаться спокойным. Оно не может быть «одноразовым» полем, появившимся только однажды, при рождении Вселенной. На самом деле, как предполагается, оно вызвало не один Большой взрыв, а много. Бесконечное количество.
Как и все квантовые поля, инфлатонное поле должно подвергаться квантовым флуктуациям, позволяющим ему перепрыгивать в локальном масштабе из одного вакуумного состояния в другое. Обычно для виденных вами до сих пор полей такой процесс приводит к появлению частиц, которые в состоянии перепрыгивать откуда-нибудь куда-то еще или появляться из ниоткуда. Здесь, однако, это означает, что поле может создать небольшую вселенную из себя самого. Или две. Или много. Повсюду. И когда я говорю «повсюду», то имею в виду именно это, хотя временные промежутки могут (или не могут) быть огромными. Этот процесс называется вечной инфляцией. Он никогда не прекращается. Вселенные-пузыри появляются внутри уже существующих вселенных, где квантовый вакуум инфлатонного поля перескочил в другое состояние, другой вакуум. Они похожи на две капли масла, упавшие на поверхность озера. Они растут. И растут. И растут… И внутри этих капель растут другие капли.
Вселенные-пузыри внутри вселенных-пузырей внутри вселенных-пузырей.
Пример мультивселенной, но мультивселенной другого типа, чем виденная вами. По такому сценарию вы и я жили бы в одном из таких пузырей вселенной, и там вполне могут быть пузыри, готовые появиться внутри нашего пространства-времени на каком-то этапе в далеком будущем. Так же как наша Вселенная, возможно, выскочила из еще одного пузыря, того, который в настоящее время гораздо больше и, возможно, немного поврежден или сдувается. Следовательно, потенциальная гибель нашей видимой Вселенной от переохлаждения в будущем может быть формой, необходимой для роста новых вселенных-пузырей…
Отлично.
Мы еще раз взглянем на эти забавные, неожиданно появляющиеся вселенные, когда вы будете путешествовать по ландшафту теории струн в конце книги. Между тем, вечная инфляция может (и должна) казаться вам совершенно сумасшедшей (как и мне, но мне это нравится), и тем не менее по сравнению с теорией струн, с которой вы собираетесь познакомиться, ничто никогда не покажется вам более нормальным, точно-точно… Вы должны даже рассматривать только что встреченные вами вселенные-пузыри как прелюдию к тому, что станет целью вашего последнего путешествия. Но, перед тем как попасть туда, прежде чем вернуться к видимой Вселенной и увидеть, где могут скрываться эти знаменитые струны, что они из себя представляют и что они означают для нашей реальности, давайте попробуем посмотреть, сможем ли мы заглянуть за пределы эпохи инфляции, используя полученные знания.
Для тех, кто спросит: «Как же возникла Вселенная?» – сценарий вечной инфляции может показаться не совсем удовлетворительным, ибо у него действительно нет никакого начала. Это – всегда пузыри.
Но могут быть и другие возможности.
Я не могу перечислять их здесь все. Упомяну лишь об одной. Исторически самой первой.
Глава 3
Вселенная без границ
Эпоха инфляции существовала до Большого взрыва.
Согласно вечной инфляции, бесконечное количество вселенных всегда было, есть и будет рождаться, и нашей Вселенной просто случилось стать нашей. Теперь давайте просто представим себе одну вселенную, с одним «началом» (что бы оно ни означало) и с одной эпохой инфляции.
И давайте перемотаем время назад, начиная с Большого взрыва.
Вот Большой взрыв: бум!
А до него была инфляция. Взглянем на нее задом наперед, она – это драматический коллапс.
А до нее… и теперь у нас проблема.
Стена Планка, Планковская эпоха, где и когда пространство и время перестают иметь смысл.
Стена Планка находится на расстоянии около 380 тысяч лет до поверхности последнего рассеяния, поверхности в конце Вселенной, и, если нам позволено сделать такое предположение, где-то через время Планка после того, что мы могли бы назвать нулевым моментом времени. Но мы не позволим себе это сделать. Мы не можем достигнуть нулевого момента времени внутри нашей Вселенной. Мы не можем говорить о времени там, где (или когда) оно не существовало. Говорить о времени «перед» или «до» эпохи Планка не имеет никакого смысла. Для этого действительно необходима квантовая гравитация с неизвестным объемом новых концепций для замены пространства и времени квантовым нечто. Трудная задача, сродни поиску начальных условий существования нашей реальности. Трудная, но не невозможная. Стивен Хокинг и американский физик-теоретик Джеймс Хартл решали около 30 лет назад именно эту проблему. Они были первыми учеными, занявшимися ею. А теперь о том, чего они достигли. Представьте свою мини-копию в новорожденной Вселенной. Вселенной, в которой пространство и время только начали обретать смысл. Она крошечная. Немного крупнее планковских размеров, но не большая. Вы находитесь внутри, и вы тоже крошечный.
И вы не можете видеть много.
Все, что происходит в масштабах, меньших длины Планка, находится за пределами пространства и времени и потому скрыто от вашего взгляда.
Вы там, мельче крошечных размеров, в необычайно молодой Вселенной и практически слепой… но подождите… разве это не напоминает вам ситуации, в которых вы оказывались раньше?
Посещая квантовый мир, разве вы не переключались по методике йогов, закрыв глаза, чтобы не взаимодействовать ни с чем и получить доступ к тому, что скрыто от глаз? При изучении внутренних частей атомов вам, чтобы догадаться, что происходит вокруг, на самом деле пришлось каким-то образом стать йогом. А чтобы понять обнаруженное таким образом, вы узнали, что в квантовом мире, когда природа и ее коты оставлены без контроля, все квантовые возможности происходят одновременно.
А это еще хуже.
Это вам не невидимые коты или частицы, это – прошлое всей нашей Вселенной, скрытое стеной, отмечающей само рождение известных нам пространства и времени. Эта стена, стена Планка, теперь везде вокруг вас, и то, что лежит за ее пределами, недоступно для ваших чувств.
Следовательно, согласно квантовому закону, стена Планка скрывает суперпозицию всех квантовых возможностей.
Возможностей чего? – можете спросить вы.
Ну хорошо, возможностей прошлого.
Там – молодая Вселенная сама по себе, в целом, скрытая от глаз стеной Планка, и такая молодая Вселенная обязана соблюдать там одно из золотых правил квантового мира: пока никто не смотрит, все возможности могут происходить – и происходят.
Хокинг применил эту идею к новорожденной Вселенной.
Но он не мог использовать время, которое мы знаем и используем каждый день. Никто не имеет права использовать его за пределами планковской системы измерения. Так что Хокинг превратил его в нечто другое, легче поддающееся манипуляциям, в так называемое мнимое время. С его помощью он затем рассмотрел все возможные истории прошлого Вселенной, все истории прошлого, которые никто не может видеть изнутри.
Идея пришла ему в голову в 80-х годах прошлого века.
Он только что открыл способы справляться с квантовыми черными дырами. Он узнал, что они серые, что они испускают частицы. Он узнал, что квантовая гравитация должна существовать. Тогда разум Хокинга направился за пределы Большого взрыва.
Вместе со своим коллегой, американским физиком-теоретиком Джеймсом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, он написал формулу, которая навсегда изменила для меня Вселенную, воспринимаемую человеческим разумом.
Хокинг и Хартл предположили, что все вселенные, которые привели к нашей нынешней Вселенной, должны появиться из ничего (действительно из ничего, математического ничто) некоторое конечное мнимое время назад.
И они учли все вселенные, имеющие это свойство.
И они рассмотрели их.
И их было много.
И ученые ввели для них золотое правило квантового мира: вместо того чтобы выбрать одну, чтобы в дальнейшем развить ее в нашу реальность, они учли их все. На бумаге это означает, что они добавили их все, со знаком плюс, и заявили, что их сумма есть то, чем являлась Вселенная во времена «до» стены Планка, где никто не мог смотреть на нее. Их математическая формула сегодня известна как волновая функция Вселенной Хартла – Хокинга, а начальное условие, гласящее, что все возможные, принимаемые во внимание вселенные являются произошедшими из ничего, называется предположением об отсутствии границ.
Вселенная, наша Вселенная, с их точки зрения, со всеми ее возможными состояниями в качестве юной Вселенной, не имела начала.
А затем она стала нашей, спустя некоторое конечное мнимое время, когда пространство и время обрели смысл.
То, что именно это означает, здесь действительно не имеет значения.
Сумасшествие в том, что они это сделали.
Они записали математическое начальное условие для всей Вселенной. Они математически решили проблему создания нашей Вселенной из ничего.
Теперь несколько слов в предостережение: это не конец истории. Проследить практически любые расчеты в придуманных математических рамках Хартла и Хокинга, к сожалению, ужасно трудно (если не сказать невозможно).
Тем не менее, просто записав их, они стали первыми людьми, выдавшими математическую формулу возникновения и последующей эволюции нашей реальности.
Немыслимая ранее веха для человечества. Человечество пытается разгадать законы природы на протяжении тысяч лет.
Наше понимание этих законов за это время изменилось и улучшилось.
Сто лет назад Эйнштейн открыл новую концепцию гравитации, и все мы стали понимать, что прошлое можно обнаружить не только под ногами, производя археологические раскопки Земли, но и среди звезд. Примерно в то же время многие ученые начали обнаруживать странные квантовые законы, управляющие микромиром.
А потом, около 30 лет назад, воодушевленные результатами испарения черных дыр, Хартл и Хокинг смело начали соединять все воедино и разрабатывать математическую формулу происхождения всего.
СУЩЕСТВУЕТ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА, ИЗВЕСТНАЯ КАК ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ ХАРТЛА – ХОКИНГА, ПО КОТОРОЙ НАША ВСЕЛЕННАЯ НЕ ИМЕЛА НАЧАЛА И ВОЗНИКЛА ИЗ НИЧЕГО.
Конечно, их ви́дение может оказаться в будущем глубоко ошибочным, и то же самое можно сказать и обо всех идеях, уводящих нас за пределы экспериментов, но это не имеет никакого значения. Важно то, что вопрос о происхождении нашей Вселенной вступил в новую эру, где математическая физика по крайней мере позволила получать информацию о предмете.
Хотя идея Хокинга о рассмотрении всех возможных вселенных с использованием другого (мнимого) времени не появилась ниоткуда. Она присутствует в работах некоторых из самых ярких умов XX века, а именно Поля Дирака и Ричарда Фейнмана, которые придумали такую концепцию для создания современных квантовых теорий поля.
По такому сценарию, видимая Вселенная по-прежнему является сферой радиусом около 13,8 миллиарда световых лет. Это самый большой размер, который мы можем исследовать. Тем не менее смешно думать, повторюсь, что, собирая излучение и сигналы, доходящие к нам из космоса, и продвигаясь все дальше и дальше в мегамир, человечество заканчивает тем, что заглядывает не только в прошлое, но и в микромир.
Наши предки этого не знали.
И, как вы теперь видите, противоположность вполне может быть правдой.
И вы снова собираетесь навесить микромир, но на этот раз зайдете дальше прежнего. Там, внизу, вы найдете окно, открывающееся в целом в новую реальность, реальность большую, чем все, о чем вы мечтали до сих пор. Даже больше пузырей внутри пузырей внутри пузырей вечной инфляции.
В большом вы обнаружили малое.
В малом вы теперь найдете огромное.
Но куда нужно смотреть?
Глава 4
Неизведанная часть реальности
Как вы теперь знаете, вся наша видимая Вселенная представляет собой сферу радиусом 13,8 миллиарда световых лет. С такой гигантской перспективы сначала видишь нити гигантских кластеров галактик, купающихся в газах и темной материи, и, что более важно, там имеются все квантовые поля. Их нельзя увидеть с такой огромной высоты, но их можно ощутить. Они – материя, составляющая видимую Вселенную. Они – поле Хиггса, дающее массу всему имеющему массу. Они – инфлатонное поле или темная энергия, противодействующая воздействию гравитации и удерживающая Вселенную от все более быстрого расширения.
И здесь также присутствует и сама гравитация, сдвигающая все ближе ко всему другому.
Вы наблюдаете за всем со стороны и начинаете приближать масштабы.
Теперь вы видите галактики с сотнями миллиардов звезд. Их сверхмассивные центральные черные дыры исторгают из себя струи высокоэнергетического света и материи. Вы видите присутствие темной материи. Видите, как она предотвращает разрыв галактик вследствие их собственного вращения.
Продолжайте приближение.
Вы находитесь в масштабе звезд, огромных шаров раскаленной плазмы, излучающих свет, который мы, люди, используем для исследования далекой Вселенной.
Следом идут планеты – сферические миры, слишком маленькие, чтобы когда-либо стать звездами.
Еще меньше астероиды, кометы, живые существа, скрываемые нашей планетой под ста километрами атмосферы.
А потом микробы, клетки, молекулы, атомы, электроны и фотоны, протоны и нейтроны, кварки и глюоны.
Продолжайте приближение.
Вы вернулись на территорию квантовых полей.
Гравитация уже здесь, вооруженная всеми квантовыми силами.
Вы продолжаете приближение. И потом останавливаетесь.
Вы помните, что пошло не так с квантовыми полями? Вы помните о перенормировке, уловке, которую используют исследующие квантовую физику теоретики, чтобы избавиться от портящих их труды бесконечностей? А помните, что попытки взглянуть на гравитацию как на квантовое поле совершенно провалились, потому что возникающие в этом случае бесконечности нельзя удалить любыми средствами, создавая коллапс пространства-времени во всей Вселенной? Именно от этих бесконечностей мы сейчас должны избавиться. За ними вы увидите окно, ведущее в грандиозную новую реальность, о которой я упомянул в конце предыдущей главы. Весьма скоро вы пройдете сквозь него. Но в первую очередь необходимо удалить эти надоедливые бесконечности.
Как мы собираемся это сделать? Что ж, давайте посмотрим. Что мы знаем о пространстве-времени? Мы знаем, что его описание с помощью физики начала двадцать первого века имеет свои границы. В мегамире это ограничение – какое-то место за Большим взрывом, за эпохой инфляции, когда Вселенная переживала эпоху Планка. Этот предел находится в 13,8 миллиарда световых лет от Земли в пространстве и времени.
В микромире существуют те же пределы. И так происходит везде.
Приблизьтесь к чему-нибудь, и на каком-то этапе вы должны достигнуть масштаба Планка.
Если только что-то не помешает вам сделать это.
Благодаря работе Хокинга о черных дырах мы знаем, что гравитация не ограждена от квантовых эффектов, что квантовая гравитация в какой-то форме существует, хотя мы не всегда понимаем, что она может означать для действительности в пределах ее территории.
Существует граница того, что мы можем исследовать как в мега-, так и в микромире, и она определяется масштабом Планка.
Достигал ли какой-либо эксперимент пределов размеров, энергии или времени в лабораторных условиях?
Нет. Ни один. Эти пределы обладают слишком малым размером, энергией, сверхскоростью. По состоянию на сегодняшний день это теоретический предел. А что еще хуже, существует и практический предел, которого никто на самом деле не может достичь.
Почему?
Потому что в процессе появится крошечная черная дыра планковского масштаба, о которой я уже упоминал в конце последней части. Чтобы исследовать реальность за пределами этой черной дыры, не останется иного выбора, кроме как попытаться отправить в нее все больше энергии, больше света со все более короткими длинами волн, надеясь, что он отскочит от чего-то, рассекретившего свое существование на наших глазах, но это не так. Свет будет поглощаться черной дырой, лишь увеличивая ее размеры и еще больше скрывая масштаб квантовой гравитации. Другими словами, современная наука считает, что то, что лежит за пределами масштаба Планка, не может быть исследовано.
Так что же делать?
Что ж, мы можем снова постараться поумничать.
Например, предположить, что ничто не мешает квантовой гравитации или какой-то новой физике зайти за масштаб Планка.
Использующие лучшие современные ускорители элементарных частиц и наблюдения за небом физики-теоретики уверены, что понимают, как ведет себя природа почти на всем пути от огромных, галактических масштабов вплоть до масштаба, в котором все квантовые поля сливаются в одно. Масштаб теории Великого объединения. Необходимая для него энергия составляет около 1 % от планковской энергии. Очевидно, что это огромный объем. Он соответствует температуре около 100 миллиардов миллиардов миллиардов градусов. Но это не предел Планка.
Так вот, вы, вероятно, помните, что энергия связана с размером: чем выше энергия волны, тем короче расстояние между двумя последовательными гребнями. Так что одна сотая часть планковской энергии (1 %) соответствует масштабу микромира. Размеру в 100 раз больше длины Планка.
Это означает, что есть нетронутая территория реальности, простирающаяся по меньшей мере в границах от одной до ста длин Планка.
Из экспериментов ничего не известно о том, что там происходит.
Хороший способ представить себе, каково физику-теоретику получить такой экспериментальный зазор, это подумать о том, как будет выглядеть мир, если ваши глаза могут увидеть его только с разрешением, равным одному метру. Как правило, вы видите мир с таким высоким разрешением, что можете различить объекты гораздо тоньше человеческого волоса, но представьте себе, что вы будете не в состоянии обнаружить что-либо меньшее, чем метр длиной, высотой или шириной. Исследуя окружающую среду, вы не разглядите нигде ни одной детали. Вы бы даже не сможете видеть маленьких детей. Дети внезапно возникли бы перед вами, достигнув метра в высоту…
ЭНЕРГИЯ СВЯЗАНА С РАЗМЕРОМ: ЧЕМ ВЫШЕ ЭНЕРГИЯ ВОЛНЫ, ТЕМ КОРОЧЕ РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ДВУМЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМИ ГРЕБНЯМИ.
Я не говорю, что там могут оказаться дети ростом в сто раз меньшим длины Планка, но мы не знаем, какая природа может там скрываться. И наша реальность коренится где-то в микромире. В том, из чего она создана. В том, из чего созданы мы. И поскольку ни один эксперимент никогда не исследовал эти масштабы, то очень возможно, что пространство и время начинают отличаться от используемых нами где-то до масштаба Планка. Также возможно, что из-за этого природа гравитации, материи и света тоже начинает там меняться. Причем радикально.
Например, возможно, что все они становятся одним целым.
До сих пор вы видели в основном известное.
Потом рассмотрели, какие проблемы возникли из того, что известно.
Теперь вы собираетесь выйти далеко за пределы знаний.
И мы будем считать, что все это реально, чтобы вы могли путешествовать там, но имейте в виду, что это – чистая теория.
Тем не менее некоторые из самых ярких ученых нашего времени десятилетиями работали над тем, чтобы донести до вас эту картину.
Глава 5
Теория струн
Странная дымка синего электричества окружает силуэт вашего спутника-робота, как будто внутреннее возбуждение вырвалось из его электронных схем наружу. Вы оба плывете в космосе в окружении далеких галактик, недалеко от точки, где вы избежали полного исчезновения в черной дыре.
Вы видели все, что нужно было увидеть.
Вы полетали на сверхбыстром самолете.
Вы наблюдали вакуумную флуктуацию квантовых полей и познакомились с материей и светом.
Вы видели звезды, взрывающиеся для создания новых миров, видели белых карликов и черные дыры, которые вы, в свою очередь, видели испаряющимися, намекающими на существование неизвестной пока теории квантовой гравитации.
– Настало время продолжить исследования дальше, – говорит робот.
И тут же вы оба начинаете уменьшаться в размерах.
Вы видите пролетающие мимо частицы. Проносящийся свет. Вакуумные флуктуации всех известных полей. И продолжаете уменьшаться. Вы находитесь в масштабе великого объединения, где все три квантовых поля, как полагают, ведут себя как единое целое. Вы продолжаете уменьшаться. Вы уже далеко за пределами размера своей мини-копии. Вам приходится сжаться по отношению к окружающему вас в миллиарды миллиардов миллиардов раз, чтобы в конечном итоге достигнуть ширины человеческого волоса. Сначала, там внизу, вы ничего не видите. Но затем начинаете.
Перед вами что-то есть. Струна. Струна, сделанная из ничего. Даже не из пространства и времени. Когда вы смотрите на нее, у вас даже возникает ощущение, что этот самый колеблющийся объект заменяет оба эти понятия.
Вы еще не достигли масштаба Планка и не сможете. В теоретическом мире, в который вы сейчас вступаете, масштаба Планка не существует, хотя вы, возможно, думали иначе. Но это не означает, что то, что вы видели до сих пор наверху, было не верным. Это означает, что здесь, внизу, ни одной из используемых концепций нельзя доверять. За исключением квантовой теории. Но применимой к струнам, а не к частицам.
То, что колеблется прямо перед вами сейчас, может быть одним из самых фундаментальных элементов Вселенной. Это квантовая струна.
Есть шанс, что, исходя из ее существования, появится возможность объяснить все виденное вами раньше, включая гравитацию. Включая существование всей нашей Вселенной.
Квантовая струна перед вами вибрирует. Квантовым образом. Вы не можете точно определить ее края, но можете сказать, что они существуют, хотя все в этой струне движется очень-очень быстро.
Она прекрасна, вибрируя радостной энергией, и вы чувствуете ее притяжение. Не в силах остановиться, вы протягиваете вперед руку и, хотя струна, кажется, колеблется сама по себе, дергаете ее, как струну гитары.
Хотя струна и состоит из ничего, вы видите волну распространяющихся вибраций, подобных музыкальным гармониям. Самая большая стоячая волна на реальной гитаре дает основной тон. Остальные – высшие гармоники. Разглядывая струну, вы видите ее будто бы размытой… но без самой струны. Струна из ничего, фундаментальная струна, если хотите, способная колебаться. Вспомните, что, когда слову «квантовый» предшествует знакомое из повседневной речи слово, это признак того, что понятие ничего общего с ним не имеет. Так и здесь, «квантовая струна» не является струной вообще. Первые ее вибрации приводят к рождению не ноты, а света. Частицы света. Переносчика электромагнитного взаимодействия.
Все квантовые частицы, с которыми вы встречались раньше, все частицы, составляющие ваше тело и всю материю Вселенной, могут оказаться колебаниями таких открытых струн…
Что-то справа привлекает ваше внимание. Вы поворачиваете свою крошечную голову, чтобы увидеть вторую струну, уже другую. Она не похожа на гитарную струну, а больше напоминает замкнутую петлю. И тоже вибрирует. Квантовым образом, опять же. И ее первое возбуждение отвечает уже не за свет, а за гравитон. Переносчик гравитационного взаимодействия. Это проквантованная гравитация. Эта петля, эта замкнутая струна своим существованием говорит вам, что вы путешествуете по квантовой теории гравитации. Поместите такую замкнутую струну в любом придуманном вами месте, и ее вибрации будут давать тот же эффект, что и гравитация. И вы нигде не увидите сохраняющейся бесконечности. Бесконечности, мешавшие квантовой гравитации, исчезли. Во благо. Потому что вы избавились от взглядов, согласно которым вещи происходят в пространстве и времени. Имея похожие на точки частицы в гладком пространстве-времени, легко представить себе определенное место, где они могли бы столкнуться. И квантовая теория поля, несмотря на присущую ей странность, также говорит, что когда частицы взаимодействуют между собой, то это происходит в определенном положении в пространстве и времени. Со струнами это больше не так. У струн частицы – это их вибрации. Вибрации струн – это частицы. На всем протяжении своей длины и времени. Они производят импульсы. Когда они взаимодействуют между собой, это не происходит ни где-то конкретно, ни в любой точно указанный момент времени. Взаимодействие идет по всей струне. Больше не существует «бесконечно» малого. И это как раз то, что удаляет все бесконечности, встреченные вами раньше.
Эта петля, эта замкнутая струна, несет в себе гравитацию, так что она и есть гравитация. И у вас есть свет, исходящий от открытых струн. Следовательно, взятые вместе, они становятся теорией, объединяющей гравитацию и электромагнетизм… Таким образом, квантовые струны больше, чем просто квантовая теория гравитации. Квантовая теория гравитации «просто» имеет дело с гравитацией квантовым способом. Ее не заботят другие квантовые поля. Разглядываемые вами струны – вот что здесь работает.
Так как насчет других полей?
Могут ли эти струны быть Теорией всего, теорией, объединяющей гравитацию и все известные нам квантовые поля?
Для этого они также должны учитывать материю.
И где же она? Вы не видите ее присутствия. Так чем же эти струны такие особенные? В чем странность их существования? Почему теоретиков они так волнуют?
Вы вправе задаваться вопросом, хотя, имея эти две виденные вами струны, открытую и замкнутую, вы уже можете сказать многое, но многое – еще не все.
– Идем дальше, – объявляет робот, и вы оба начинаете уменьшаться еще больше.
Теперь открытая струна по сравнению с вами огромна. Внимательно рассматривая ее, вы начинаете видеть больше, чем на первый взгляд. То, что вы собираетесь предпринять, никогда не будет в состоянии сделать ни один человек, состоящий из материи. Но прямо сейчас вы можете. Хотя помните: выходя за пределы известного, всегда чем-то нужно пожертвовать. И вам придется оставить здесь особое положение вашей Вселенной, которую вы могли считать уникальной. И не только.
На пути от Ньютона до Эйнштейна вам пришлось отказаться от идеи, что Вселенная статична, что она всегда была такой же, что гравитация – это сила. Вам понадобилось познакомиться с пространством-временем, с его тремя измерениями пространства и одним времени, всеми четырьмя, переплетенными в единое целое, огибающее материю и энергию. Чтобы перейти от Ньютона к квантовой физике, вы должны были отказаться от представления частиц в виде точек. Вам пришлось узнать о волнах, полях, неопределенности и прочих вещах. Теперь, чтобы перейти от гравитации и квантовых теорий поля к струнам, вы должны превратить все фундаментальное в теорию замкнутых и открытых струн.
Но это было бы легко. То, от чего вам также необходимо тут отказаться, так это от идеи, что реальность состоит всего из четырех измерений. Струны не могут жить в четырехмерном пространстве-времени. Они требуют больше места. Они живут в десятимерной вселенной.
По мере приближения к струне вместе с роботом вы начинаете замечать, что над всеми без исключения точками, которые, как вы думали, содержатся в нашей Вселенной, возникают шесть новых измерений пространства, составляющие их собственный мир. Предположительно, именно из этих маленьких дополнительных измерений происходит вся составляющая нас материя.
Если вам очень трудно представить себе четыре измерения, не говоря уже о десяти, не волнуйтесь. Все, что вам нужно знать, это то, что шесть из них – дополнительные расширения в разных направлениях от обычного влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад нашего трехмерного мира, и слишком уж крошечные, чтобы заставить вас почувствовать свое существование или путешествовать по ним в реальной жизни. Но робот и вы теперь сжались до таких размеров, что вы можете.
На что они похожи?
Ну, это невозможно описать. Их так много! Так много возможных способов добавить дополнительные измерения и получить струну… Так много способов обернуть эти дополнительные измерения вокруг самих себя, давая с каждой новой оберткой другое основание для реальности… Теоретические физики даже догадались, сколько возможностей там может быть, и число их достигло примерно 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Все они потенциально способны привести к возникновению вселенной, хотя и не обязательно нашей Вселенной.
Огромное количество возможностей. Единица в сопровождении пятисот нулей. Вселенная, где родились вы и я, может быть, просто одна из них. Или множество могло быть нашими. Никто до сих пор не знает. Вполне может быть даже, что эти возможности все существуют на каком-то этапе, внутри пузырей, созданных вечной инфляцией, о которой вы только что слышали, но лишь немногие из них могут создать вселенную, где законы природы совместимы с известной нам формой жизни. Для того чтобы существовать в виде человека, должен был оказаться выбран конкретный набор форм дополнительных измерений, иначе законы природы не позволили бы этого. Как происходил такой отбор? Никто не знает, за исключением того, что их необходимо было выбрать, чтобы вы существовали здесь, в нашей Вселенной. Такой аргумент для выбора называется антропным принципом. Он утверждает, что из непостижимо многих возможных форм дополнительно взятых измерений нами должны приниматься во внимание только совместимые с существованием человека, иначе нас не было бы, чтобы говорить о них. Это привлекательная идея. И она становится все лучше. Вместо того чтобы все измерения оставались крошечными, одно или несколько из этих дополнительных измерений могут быть огромными.
– Пойдем со мной, – говорит робот, подавая трубой знак следовать за ним. – Мы можем никогда не увидеть это снова.
И происходит самая необычная вещь.
До сих пор вас всегда учили, что нельзя взглянуть на Вселенную снаружи. Поэтому говорить о ее краях или границах – нонсенс. Если Вселенная есть все, по определению, то не имеет смысла пытаться даже представить, как она может выглядеть сверху или снизу. И все же, двигаясь в направлении, которое не находится ни вверху, ни внизу, ни слева, ни справа, ни впереди, ни сзади, робот выводит вас из Вселенной. Ее края, как кажется теперь, действительно существуют. Но они лежат не в пределах размеров, которые могут воспринимать обычные органы чувств.
Вы снаружи.
Вы видите все.
Всю вашу Вселенную.
Из другого измерения. И вы видите, что открытые струны, эти шнурки, чьи вибрации приводят к появлению света, теперь вибрируют по-разному, в зависимости от скрытых размеров, в которых они существуют. И вы также видите, что концы всех этих открытых струн приклеены к нашей Вселенной, которую вы только что покинули, в то время как замкнутые в петлю струны, те, что вибрируют, подобно гравитации, могут свободно перемещаться наружу, выходя из Вселенной…
И, почувствовав что-то позади вас, вы оборачиваетесь и изумленно ахаете.
Там другая Вселенная.
Параллельная вашей, то есть нашей. И вы видите, как замкнутые струны перемещаются от одной к другой, показывая, что могут общаться с помощью гравитации. Это – четвертый тип параллельных вселенных, наиболее впечатляющий из всех. Такие объекты называются бранами, звучит похоже на мембраны, но без «мем-», чтобы показать, что они больше, чем лист, и имеют более двух пространственных измерений. То, что перед вами, является одной такой браной, другой Вселенной, но их может быть много. И они также могут быть самых разных размеров. И все они могут превращаться друг в друга и ведут себя как струны, когда изучающие их физики-математики изменяют способ, которым они все взаимодействуют между собой. Они могут быть либо отдельными объектами, либо разными аспектами одной и той же реальности, реальности, рассмотренной с разных точек зрения. И все это может быть еще и одним из аспектов большей реальности, независимо от того, что может означать в этом случае «реальность». И некоторые ученые во главе с блестящим аргентинским физиком-теоретиком Хуаном Малдасеной, даже показали, что все это можно было бы понимать без гравитации и каждую отдельную вселенную здесь можно было бы описать по тому, что происходит где-нибудь на ее границе…
Правда доходит до вашего сознания. Вы – за пределами Вселенной.
Везде и вокруг есть и другие вселенные с различными наборами измерений. И есть крошечные пространственные измерения, где струны обвиваются вокруг себя, внутри и вокруг этих вселенных, заставляя их вибрировать в материю и свет, которым запрещено выходить за свою брану, свою вселенную, вашу Вселенную. Их концы могут свободно перемещаться внутри измерений, в которых вы родились, но им не позволено покидать их.
С того места, где вы находитесь, видя замкнутые в петли струны, переходящие от одной браны к другой, вы понимаете, что какое-то количество энергии может быть в состоянии оставить вашу Вселенную. Вы даже видите то, что, по вашему мнению, может оказаться черными дырами, связывающими соседние браны через свернутое в трубку искаженное пространство-время при помощи гравитации каждой браны, притягивающей другие браны, и вам вдруг становится интересно, а вдруг в этих бранах могут жить другие люди… Могут ли черные дыры быть проходом между вашим миром и их? Может ли сингулярность, которой вы не достигли, открывать доступ в другую реальность? Может ли рождение нашей браны, нашего пространства-времени, быть связано со столкновениями с другими бранами, существовавшими раньше? Могут ли темная материя и темная энергия объясняться существованием бран?
МОГУТ ЛИ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ БЫТЬ ПРОХОДОМ МЕЖДУ МИРАМИ? МОЖЕТ ЛИ СИНГУЛЯРНОСТЬ ОТКРЫВАТЬ ДОСТУП В ДРУГУЮ РЕАЛЬНОСТЬ?
Направив взгляд назад к Вселенной, из которой вы только что вышли, внезапно вы замечаете, что что-то случилось с течением времени, и вы видите пузыри новых инфляционных вселенных, появляющихся повсюду в вашей Вселенной, в вашей бране, распространяясь внутри того, что было вашим миром, как капли масла на поверхности озера.
– Мы должны вернуться! – кричите вы.
Но вы одни.
Робота нигде больше не видно.
И вы проскальзываете внутрь ближайшей браны, надеясь, что она та, откуда вы пришли.
И начинаете расти.
Остальные браны снова стали невидимыми, и струны, которые могут создавать вашу реальность, исчезают вдали.
Теперь вокруг вас кварки и глюоны. Теперь протоны, а затем электроны, атомы. Молекулы. Пыль. Песок. Море.
Вы открываете глаза.
Вы на своем пустынном пляже.
На том же месте, откуда вы начали свое путешествие. Светят звезды.
Легкий ветерок доносит к вам ароматы экзотических цветов. Вокруг друзья.
Они улыбаются.
– Он проснулся! – говорит один из них. – Налейте ему выпить!
Вы в растерянности садитесь на песок.
Появляется стакан.
Вы щипаете себя. Больно.
Вы делаете глоток.
Смотрите на море, деревья, звезды.
Очертания.
Там, в ночном небе, появляются очертания. Лиц. Ньютона. Максвелла. Эйнштейна. Планка. Шредингера. Дирака. Фейнмана. Хокинга. Хофта. Вайнберга. Малдасены. Виттена. И многих других.
Все они улыбаются. Все смотрят на вас.
Вы хотите поговорить с ними, но вместо этого они поворачиваются, чтобы взглянуть на величие космического пространства.
А потом все они растворяются в звездах.
И сами звезды исчезают, а за ними и море.
Вы моргаете.
Вы снова дома, на диване.
Окно открыто.
Вы садитесь. Смотрите вокруг.
Ваш кофе все еще там, на столе.
Вы снова щипаете себя. Больно по-прежнему.
Вы отпиваете глоток, чтобы разбудить ваш разум.
Кофе и ваша гостиная достигли равновесия температуры.
Вы выплевываете холодный кофе.
– Я… Я в полном порядке, – говорите вы вслух, но тянетесь за телефоном и звоните двоюродной бабушке, просто чтобы убедиться в этом. И тогда вы снова моргаете.