Когда Дэвид Гросс, один из нобелевских лауреатов 2004 года по физике, яростно критикует струнную ландшафтную мультивселенную, он вполне мог бы процитировать речь Уинстона Черчилля, произнесённую им 29 октября 1941 года: «Никогда не уступайте… никогда, никогда, никогда — ни в чём, ни в большом, ни в малом, ни в великом, ни в мелочах — не уступайте никогда». Когда Пол Стейнхард, профессор Принстонского университета, соавтор современной инфляционной космологии, говорит о своём неприятии ландшафтной мультивселенной, он не столь патетичен, но будьте уверены, что в какой-то момент вы услышите не самое лицеприятное сравнение теории с религией. Мартин Риз, удостоенный звания Королевского астронома Великобритании, рассматривает мультивселенную как естественный шаг в нашем понимании всего сущего. Леонард Сасскинд утверждает, что те, кто игнорируют возможность того, что мы являемся частью некоей мультивселенной, просто не могут переварить богатство этой идеи. Я привёл лишь несколько примеров. Есть ещё много других — и яростных скептиков, и ревностных поклонников, по обе стороны баррикад, и своё мнение они часто облекают не в столь красивые формы.

Я занимаюсь теорией струн почти четверть века, но мне никогда прежде не доводилось встречать такого накала эмоций и резкости высказываемых мнений, как при обсуждении струнного ландшафта и возникающей из него мультивселенной. И совершенно ясно, почему это происходит, — многие рассматривают эту дискуссию как сражение за научный дух как таковой.

 

Научный дух

Хотя ландшафтная мультивселенная и стала катализатором, в спорах оказались затронуты вопросы, центральные для всех теоретических подходов, включающих понятие мультивселенной. Допустимо ли с научной точки зрения говорить о мультивселенной, о понятии, вовлекающем миры, недостижимые не только на практике, но во многих случаях даже в принципе? Является ли понятие мультивселенной проверяемым или фальсифицируемым? Сможет ли привлечение понятия мультивселенной помочь в объяснении того, что иными способами объяснить не удаётся?

Противники мультивселенной считают, что ответ на все эти вопросы отрицательный, однако её сторонники считают, что всё дело в непривычном взгляде на вещи. Непроверяемые и нефальсифицируемые гипотезы, содержащие в себе скрытые миры за границами достижимости, отстоят, как кажется, слишком далеко от того, что большинство из нас хотело бы называть наукой. Именно тут проскакивает искра, распаляющая страсти. Сторонники мультивселенной на это возражают, что хотя способ, которым мультивселенные могут проявить себя в наблюдениях, будет скорее всего сильно отличаться от привычного — будет не столь явным, опосредованным, и фортуна должна сильно к нам благоволить, чтобы такая связь была выявлена в будущих экспериментах, — нельзя сказать, что в разумных гипотезах подобные связи исключены на фундаментальном уровне. Если судить непредвзято, такой способ рассуждений даёт более широкий взгляд на возможности наших теорий и наблюдений и на способ проверки наших идей.

Критика понятия мультивселенной также зависит от понимания сути науки. Общие рассуждения обычно основаны на том, что наука является поиском закономерностей в нашей Вселенной, объяснением того, как эти закономерности отражают и подтверждают фундаментальные законы природы, а также проверкой предполагаемых законов путём формулировки предсказаний, которые можно проверить или опровергнуть экспериментальным путём или в наблюдениях. Но сколь бы разумным не было такое определение, оно обходит стороной тот факт, что настоящий научный процесс гораздо менее упорядочен и что постановка правильных вопросов зачастую так же важна как получение и проверка предлагаемых ответов. Было бы странно думать, что все вопросы живут себе спокойненько где-то в изначальной реальности и роль науки состоит в том, чтобы вытаскивать их на свет божий один за другим. Наоборот, сегодняшние вопросы зачастую обусловлены вчерашними достижениями. Как правило, прорывы в понимании дают ответы на часть вопросов, но одновременно приводят ко многим другим, о которых раньше и подумать было нельзя. При оценке любой идеи, включая теории с мультивселенными, необходимо принимать во внимание не только её способность выявлять скрытые истины, но также её влияние на задачи, к которым мы намереваемся подступиться. То есть влияние на саму научную деятельность. Далее станет ясно, что теории с мультивселенными обладают способностью пролить новый свет на некоторые важнейшие вопросы, над которыми учёные бьются в течение десятилетий. Эта перспектива даёт силы одним и приводит в ярость других.

Очертив арену действий, давайте приступим к систематическому анализу проверяемости, правильности и полезности теорий, где наша Вселенная является лишь одной из многих.

 

Доступные мультивселенные

Тяжело достичь согласия по всем этим вопросам, отчасти потому, что концепция мультивселенной не является монолитной. Мы рассмотрели уже пять различных версий — лоскутную, инфляционную, бранную, циклическую и ландшафтную, — в последующих главах нам встретятся ещё четыре. По вполне понятным причинам считается, что общее определение мультивселенной не поддаётся проверке. Обычные рассуждения, как правило, сводятся к тому, что мы конечно можем анализировать вселенные, отличные от нашей, но поскольку у нас есть доступ только к нашей, то с тем же успехом можно обсуждать приведения или домовых. Действительно, это центральная проблема, к которой мы вскоре вернёмся, но сперва заметим, что есть некоторые мультивселенные, которые действительно допускают взаимодействие между вселенными — членами мультивселенной. Мы видели, что в мультивселенной на бране струнные петельки могут свободно перемещаться с одной браны на другую. В инфляционной вселенной пузырьки могут взаимодействовать ещё более непосредственным образом.

Напомним, что в инфляционной мультивселенной пространство между двумя дочерними вселенными, вырастающими из пузырьков, заполнено полем инфлатона, чья энергия и отрицательное давление остаются большими, поэтому в промежуточном пространстве происходит инфляционное расширение. Это расширение отдаляет пузырьки друг от друга. Однако если скорость расширения самих пузырьков превышает скорость расширения пространства, пузырьки будут сталкиваться. Учитывая, что инфляционное расширение кумулятивно — чем больше расширяющегося пространства между пузырьками, тем быстрее они удаляются друг от друга, — приходим к интересному выводу. Если пузырьки действительно находятся близко друг к другу, промежуточного пространства между ними мало, то скорость разбегания окажется меньше скорости собственного расширения. Тогда пузырьки лягут на курс столкновения.

Эти рассуждения подкрепляются математическими расчётами. В инфляционной мультивселенной вселенные могут сталкиваться. Более того, ряд исследовательских групп (включая Джауме Гарригу, Алана Гута и Александра Виленкина; Бена Фрайфогеля, Мэтью Клебана, Альберто Николиса и Криса Сигурдсона; а также Энтони Эквайра и Мэтью Джонсона) установили, что хотя при некоторых столкновениях внутренняя структура пузырьков-вселенных может сильно разрушиться — что не очень приятно для его возможных обитателей, подобных нам с вами, — возможны и более мягкие соударения, без каких-либо катастрофических последствий, но дающие при этом наблюдаемые эффекты. Вычисления показывают, что если произойдёт такое мелкое ДТП с участием другой вселенной, то возникнут ударные волны, распространяющиеся в пространстве и изменяющие картину холодных и горячих областей в реликтовом излучении. Учёные внимательно изучают возможные следы от такого столкновения и закладывают основу для наблюдений, которые однажды смогут доказать, что наша Вселенная столкнулась с другой вселенной, получив тем самым указания на существование других вселенных.

Однако сколь бы заманчивой не казалась такая возможность, что если ни один эксперимент по поиску свидетельств взаимодействия или столкновения с другой вселенной не окажется успешным? По здравому рассуждению, как тогда поддерживать идею мультивселенной, если мы не можем обнаружить каких-либо экспериментальных или наблюдательных доказательств существования других вселенных?

 

Наука и недоступность I:

Оправданно ли с научной точки зрения рассматривать ненаблюдаемые вселенные?

Каждый теоретический подход имеет свою архитектуру, куда входят основные составляющие теории и математические уравнения, которые их описывают. Архитектура не только задаёт теорию, но также указывает на то, какие вопросы могут быть заданы в рамках этой теории. Архитектура Исаака Ньютона была вполне осязаемой. В его уравнения входили положения и скорости объектов, с которыми мы непосредственно сталкиваемся в повседневной жизни или которые можем легко наблюдать, будь то горы и шары или Солнце и Луна. Великое множество наблюдений подтвердили предсказания теории Ньютона, что убедило нас в том, что соответствующие уравнения действительно описывают движение привычных объектов. Джеймс Клерк Максвелл и его архитектура привели к новому уровню абстракции. Колебания электрических и магнитных полей не относятся к тому роду вещей, которые наши органы чувств могут ощущать непосредственно. Хотя мы видим «свет» — электромагнитные колебания с длиной волны в том диапазоне, который воспринимает наш глаз, — наше зрение не может напрямую отследить колеблющиеся поля, постулируемые в теории Максвелла. Но несмотря на это, мы можем построить хитроумные приборы, измеряющие эти вибрации, которые совместно с множеством подтверждённых теоретический предсказаний дадут исчерпывающее доказательство того, что мы погружены в вибрирующий океан электромагнитных волн.

Фундаментальная наука в XX столетии всё больше и больше стала руководствоваться недоступными критериями. Пространство и время в своём спаянном единстве являются каркасом для специальной теории относительности. Наделённые затем Эйнштейном способностью к трансформации, они стали тем пластичным фоном, на котором развиваются события, описываемые общей теорией относительности. Я знаю, как тикают часы, и я могу измерить расстояния с помощью линейки, однако я никогда не смогу прикоснуться к пространству-времени, подобно тому как я касаюсь подлокотников своего кресла. Я ощущаю проявления гравитации, но если вы заставите меня ответить на вопрос, ощущаю ли я напрямую, что нахожусь в искривлённом пространстве-времени, я окажусь в ситуации как с теорией Максвелла. Я убеждён в правильности специальной и общей теорий относительности не потому, что непосредственно ощущаю их основные положения, а потому, что если следовать их подходу, то математические вычисления приведут к проверяемым на опыте предсказаниям. И эти предсказания оказываются в высшей степени точны.

Квантовая механика выводит подобного рода недоступность на новый уровень. Центральное понятие квантовой механики — это волны вероятности, удовлетворяющие уравнению, открытому в середине 1920-х годов Эрвином Шрёдингером. Хотя эти волны являются определяющим понятием для квантовой механики, в главе 8 мы увидим, что архитектура квантовой физики говорит о том, что они абсолютно ненаблюдаемы. Волны вероятности позволяют предсказать, где та или иная частица может находиться, но сами они находятся за кулисами повседневной реальности. Однако, поскольку полученные предсказания очень хорошо подтверждаются на эксперименте, поколения учёных приняли эту странную ситуацию: в теории определяется радикально новая и необходимая конструкция, которая согласно самой теории является ненаблюдаемой.

Эти примеры объединяет та общая идея, что успешность теории может быть использована для оправдания постфактум её базисной архитектуры, даже в том случае, когда архитектура находится за рамками наших возможностей для её непосредственного восприятия. Это настолько вошло в обиход физиков-теоретиков, что они без малейших колебаний используют язык и ставят вопросы, в которых содержатся понятия совсем не такие осязаемые, как предметы обычного обихода, а некоторые и подавно находятся за пределами нашего чувственного опыта.

Если продвинуться дальше и использовать архитектуру теории для изучения предсказываемых ею явлений, возникнут и другие типы недоступности. Чёрные дыры возникают как следствие математических вычислений в общей теории относительности, и астрономические наблюдения дают достаточно оснований считать, что они не только существуют, но при этом являются совершенно рядовым явлением. Однако внутренность чёрной дыры весьма экзотична. Согласно уравнениям Эйнштейна, край чёрной дыры, её горизонт событий, — это поверхность невозвращения. Её можно пересечь, но вернуться обратно невозможно. Мы, живущие снаружи горизонта событий, никогда не узнаем, что находится внутри, не только в силу практических ограничений, но как следствие самих законов общей теории относительности. И всё же имеется полное согласие в том, что область внутри горизонта событий чёрной дыры вполне реальна.

Применение общей теории относительности к космологическим вопросам даёт ещё более экстремальные примеры недоступности. Если вы не возражаете против путешествия в один конец, то внутренность чёрной дыры вполне подходит для этой цели. Однако миры за пределами нашего космического горизонта недостижимы, даже если бы мы могли путешествовать с околосветовыми скоростями. В ускоряющейся вселенной, такой как наша, это становится особенно очевидным. При данном измеренном значении космологического ускорения (в предположении, что оно неизменно) любой объект, отстоящий от нас на расстоянии, превышающем 20 миллиардов световых лет, будет всегда находиться вне нашего поля зрения, у нас никогда не будет возможности посетить его, измерить или как-то повлиять на него. Дальше этого расстояния пространство всегда будет отступать от нас настолько быстро, что любая попытка сократить дистанцию будет так же бесплодна, как стремление байдарочника плыть против потока, более быстрого, чем он может грести.

Объекты, всегда находившиеся за пределами нашего космического горизонта, никогда не наблюдались нами и никогда не будут наблюдаться; и наоборот, они никогда не видели нас и никогда не увидят. Объекты, которые в течение некоторого времени в прошлом находились внутри нашего космического горизонта, но были вытянуты за его пределы пространственным расширением, — это объекты, которые однажды прошли перед нашими глазами и исчезли навсегда. Но я думаю, мы согласны с тем, что такие объекты так же реальны, как ощущаемые нами вещи, и также реальны населяемые ими миры. Было бы довольно странно утверждать, что галактика, попавшая однажды в наше поле зрения, но впоследствии исчезнувшая с космического горизонта, ушла в несуществующий мир, который в силу своей перманентной недоступности должен быть стёрт с карты реальности. Даже если мы не можем наблюдать или воздействовать на такие миры, а они на нас, они вполне вписываются в нашу картину того, что существует.

Эти примеры со всей очевидностью демонстрируют, что науке не чужды теории, в которые включены недоступные элементы, от основных ингредиентов до выводимых следствий. Наше принятие такого рода недоступности основано на нашей уверенности в теории. Когда квантовая механика вводит волны вероятности, её впечатляющая способность описывать такие измеряемые явления как движение атомов и субатомных частиц заставляет нас принять ту эфемерную реальность, которую она постулирует. Когда общая теория относительности предсказывает существование мест, недоступных для наблюдения, её феноменальный успех в описании тех явлений, которые можно наблюдать, таких как движение планет и траектория света, заставляет нас серьёзно отнестись к этим предсказаниям.

Поэтому для укрепления нашей веры в ту или иную теорию не надо требовать проверяемости всех её свойств; вполне достаточно разнообразного ассортимента подтверждённых предсказаний. Примерно столетие назад наука приняла, что теория может иметь скрытые и недоступные элементы — при условии, что при этом из неё также следуют интересные, новые и проверяемые предсказания для множества наблюдаемых явлений.

Это наводит на мысль, что можно подвести убедительный базис под теорию мультивселенной, даже если мы не сможем получить какого-либо прямого доказательства существования других вселенных, отличных от нашей. Если экспериментальные и наблюдательные данные говорят в пользу теории и побуждают вас принять её, если эта теория зиждется на математических структурах, которые не оставляют места для произвольного манёвра, то вы должны принять её целиком. Если эта теория приводит к существованию других вселенных, значит эту реальность следует принять на борт, как того требует теория.

Поэтому, в принципе, — и будьте уверены, я очень принципиален в этом вопросе — то, что теория допускает существования недоступных вселенных, не выводит само по себе теорию за научные рамки. Я разверну это утверждение: представим, что в один прекрасный момент мы получим убедительные экспериментальные и наблюдательные свидетельства в пользу теории струн. Например, в будущем на ускорителе мы сможем зафиксировать ряд струнных вибраций и отпечаток дополнительных измерений, а астрономические наблюдения выявят струнные черты у реликтового излучения и обнаружат следы длинных растянутых струн, вибрирующих в пространстве. Далее предположим, что наше понимание теории струн существенно улучшится и мы выясним, что эта теория абсолютно, точно и неоспоримо приводит к ландшафтной мультивселенной. Теория, опирающаяся на сильную экспериментальную и наблюдательную поддержку, внутренняя структура которой требует существования мультивселенной, приведёт нас к неумолимому заключению, что пришла пора «уступить», не взирая ни на какие призывы к обратному.

Поэтому, возвращаясь к вопросу, вынесенному в заголовок этого раздела, я подчеркну, что имеются все основания для рассмотрения идеи мультивселенной в подходящем научном контексте; более того, если мы этого не сделаем, то проявим неоправданную ненаучную предубеждённость.

 

Наука и недоступность II:

Довольно о принципах; что же происходит на практике?

Скептик правильно заметит, что одно дело — рассматривать принципиальный вопрос о том, как можно обосновать ту или иную теорию с мультивселенной, и совсем другое дело — оценить, может ли какой-либо из описанных нами вариантов мультивселенной привести к экспериментальному подтверждению теорий, совершенно определённо предсказывающих существование других вселенных. Сделаем попытку это оценить.

Лоскутная мультивселенная возникает из-за бесконечности пространства. Эта возможность прямо соответствует общей теории относительности. Загвоздка лишь в том, что общая теория относительности допускает бесконечность пространства, но вовсе этого не требует. Поэтому, хотя общая теория относительности и является подходящей основой, сценарий лоскутной мультивселенной остаётся умозрительным. Конечно, бесконечность пространства напрямую следует из вечной инфляции — напомним, что каждый пузырёк видится изнутри бесконечно большим, — но в этом подходе у лоскутной мультивселенной нет определённой опоры, так как основная гипотеза, вечная инфляция, остаётся недоказанной.

Аналогичные доводы применимы и в случае инфляционной мультивселенной, также возникающей благодаря вечной инфляции. Астрономические наблюдения за последние десять лет укрепили веру физической общественности в инфляционную космологию, но не дали никаких подтверждений тому, что инфляционное расширение является вечным. Теоретические исследования показывают, что хотя многие варианты теории приводят к вечной инфляции и возникновению пузырьков одного за другим, есть и другие варианты, характеризующиеся одним единственным раздувающимся пространством.

Бранная, циклическая и ландшафтная мультивселенные основаны на теории струн, поэтому они страдают от множества неопределённостей. Сколь бы ни были они поразительны и структурно богаты, как и сама теория струн, однако отсутствие проверяемых предсказаний и, как следствие, невозможность соотнесения с наблюдениями и экспериментами переводят эти теории в область научных спекуляций. Более того, так как многие вопросы теории всё ещё находятся на первоначальной стадии разработки, то неясно, какие из них будут играть важную роль в будущем. Останутся ли браны — основа для бранной и циклической мультивселенных — на передних позициях? Сохранится ли богатый выбор форм пространств дополнительных измерений — основа ландшафтной мультивселенной, или наконец будет найден математический принцип, отбирающий одну определённую форму? Мы просто не знаем.

В принципе, мы могли бы, наверное, подобрать убедительный довод в пользу теории с мультивселенной, который мало или никак не связан с предсказаниями других вселенных, но для рассмотренных нами мультивселенных сценариев этот способ не подойдёт. По крайней мере, пока не подошёл. Чтобы оценить каждый из них, нам придётся напрямую разбираться с теми предсказаниями, что они дают для мультивселенной.

Можем ли мы это? Может ли включение в теорию других вселенных привести к проверяемым предсказаниям, даже если эти вселенные находятся за пределами досягаемости экспериментов и наблюдений? Давайте рассматривать этот ключевой вопрос шаг за шагом, следуя от «принципов» к «практике», как было оглашено выше.

 

Предсказания в мультивселенной I:

Если вселенные, составляющие мультивселенную, недоступны, могут ли они тем не менее давать осмысленный вклад в предсказания?

Те учёные, которые не принимают теорию мультивселенной, смотрят на эту деятельность как на признание поражения, на полное отступление от великой цели постижения того, почему Вселенная, какой мы её наблюдаем, обладает именно такими свойствами. Я могу понять такие чувства, потому что я был среди тех, кто в течение десятилетий пытался материализовать обещания, даваемые теорией струн, и вычислить все фундаментальные наблюдаемые свойства Вселенной, включая значения всех констант в природе. Если допустить, что мы являемся частью мультивселенной, в которой некоторые, а может быть и все константы изменяются от одной вселенной к другой, то следует признать, что подобная цель является ошибочной. Если фундаментальные законы разрешают, скажем, константе связи электромагнитного взаимодействия принимать в мультивселенной самые разные значения, то сама задача вычисления определённого значения константы связи столь же бессмысленна, как попросить пианиста подобрать какую-то одну ноту.

Здесь возникает вопрос: если характеристики могут варьироваться, означает ли это, что мы теряем способность предсказать (или объяснить) значения, присущие именно нашей Вселенной. Не обязательно. Даже если мультивселенная исключает единственность, всё равно можно сохранить в какой-то мере предсказательную силу. Правда, теперь это становится делом статистики.

Поговорим для наглядности о собаках. Они все разные по весу. Есть очень маленькие собаки, например чихуахуа, весящие пару килограммов; есть очень крупные собаки, такие как английский мастиф, вес которых может зашкаливать за 100 килограммов. Если бы я попросил вас предсказать вес собаки, которая вам встретится на улице, то, возможно, наилучшим выходом для вас было бы назвать любое число в указанном выше диапазоне. Однако, обладая чуть большей информацией, вы смогли бы назвать вес точнее. Если вам предоставят данные по собакам, живущим в вашем районе, например, сколько человек держат ту или иную породу, каким весом обладает та или иная порода, и даже скажут, сколько ежедневных прогулок необходимо собакам каждой породы, вы сможете более точно оценить вес собаки, которая наиболее вероятно вам встретится на улице.

Вряд ли это будет точным предсказанием; как правило, в статистике такого не происходит. Однако, опираясь на данные о распределении собак, вы сможете дать гораздо более точный ответ, чем просто назвать произвольное число с потолка. Если распределение собак в вашем районе имеет некую конкретную специфику, например, 80 процентов собак составляют лабрадоры, средний вес которых 27 килограмм, а остальные 20 процентов приходятся на породы от шотландского терьера до пуделей, средний вес которых составляет 13 килограмм, то вы с большой точностью попадёте в точку, назвав вес в диапазоне от 25 до 30 килограмм. Конечно же, вам может встретиться пушистый ши-тцу, но это маловероятно. Если распределение ещё более скошено, ваши предсказания могут стать точнее. Если 95 процентов собак вокруг вас — это лабрадоры весом 27 килограмм, то можно уверенно предсказать, что вам встретится именно лабрадор.

Аналогичный статистический подход можно применить к мультивселенной. Представьте, что вы изучаете теорию мультивселенной, в которой свойства различных вселенных находятся в широком диапазоне — различные значения констант взаимодействий, свойств частиц, космологических постоянных и так далее. Также представьте, что космологический процесс образования этих вселенных (как, например, образование пузырьков в ландшафтной мультивселенной) достаточно хорошо понят, поэтому мы можем вычислить распределение вселенных с различными свойствами по всей мультивселенной. Наличие такой информации вполне может привести к значимым открытиям.

Для наглядности предположим, что вычисления дают особенно простое распределение: некоторые физические свойства широко варьируются от вселенной к вселенной, а другие остаются неизменными. Например, представим, что вычисления говорят, что должен быть некий набор частиц, общих для всех вселенных в мультивселенной, массы и заряды которых одинаковы в каждой из вселенных. Подобное распределение приводит к совершенно однозначным предсказаниям. Если эксперименты, проведённые в нашей выделенной Вселенной, не обнаружат предсказанного набора частиц, то соответствующая теория, мультивселенная и всё остальное должны быть отброшены. Таким образом, если мы знаем распределение, то гипотеза мультивселенной становится фальсифицируемой. Наоборот, если в наших экспериментах предсказанные частицы будут обнаружены, это укрепит нашу в веру в правильность выбранной теории.

В качестве другого примера представьте мультивселенную, космологическая постоянная в которой варьируется в огромном диапазоне значений, но крайне неоднородно (рис. 7.1). На графике представлена доля вселенных внутри мультивселенной (вертикальная ось) с заданным значением космологической постоянной (горизонтальная ось). Если мы — часть такой мультивселенной, то загадка космологической постоянной имеет принципиально другой характер. Большинство вселенных в таком сценарии обладают космологической постоянной, значение которой близко к измеренному значению в нашей Вселенной; поэтому, хотя диапазон возможных значений огромен, скошенное распределение означает, что наблюдаемое нами значение ничем не примечательно. В такой мультивселенной удивляться тому, что космологическая постоянная в нашей Вселенной имеет значение 10−123, следует не больше, чем встрече с лабрадором весом в 27 килограмм. Каждое из этих событий наиболее вероятно при подходящем распределении.

Рис. 7.1. Распределение космологической постоянной в гипотетической мультивселенной, показывающее, как очень скошенное распределение позволяет объяснить загадочные наблюдательные данные

Теперь рассмотрим другую ситуацию. Представим, что в некоторой теории мультивселенной значения космологической постоянной варьируются в широком диапазоне, но в отличие от предыдущего примера варьируются однородно; количество вселенных с заданным значением космологической постоянной сравнимо с количеством вселенных с любым другим значением. Допустим также, что при тщательном математическом анализе теории выяснилось неожиданное свойство такого распределения: оказалось, что во вселенных со значением космологической постоянной в наблюдаемом нами диапазоне, всегда существуют частицы, массы которых, скажем, в 5000 раз превосходят массу протона — они слишком тяжёлые, чтобы их можно было наблюдать на ускорителях XX века, однако их масса вполне вписывается в диапазон ускорителей XXI века. В силу такой тесной связи между этими двумя физическими свойствами эта теория мультивселенной также является фальсифицируемой. Если у нас не получится обнаружить предсказанные тяжёлые частицы, то гипотеза будет отброшена; а открытие таких частиц наоборот усилит нашу убеждённость в её правильности.

Я хочу подчеркнуть, что эти сценарии умозрительны. Я привёл их в качестве примера, потому что они прекрасно демонстрируют возможности для научной идеи и её проверки в рамках концепции мультивселенной. Ранее я высказывал мнение, что если теория мультивселенной приводит к проверяемым свойствам помимо предсказания существования других вселенных, тогда, в принципе, возможно найти в её поддержку весомые аргументы, даже если другие вселенные недоступны. Примеры, приведённые выше, служат тому подтверждением. Для таких типов мультивселенных ответ на искомый вопрос будет безоговорочно положительным.

Важно, что такие «предсказуемые мультивселенные» не собраны как попало из составляющих вселенных. Наоборот, предсказательная сила обусловлена характерной математической структурой мультивселенной: физические свойства распределены между составляющими вселенными либо с большим перекосом, асимметрично, либо очень коррелированным образом.

Как такое может быть? Если абстрагироваться от красивого «в принципе», имеет ли это место на самом деле в рассмотренных нами ранее мультивселенных?

 

Предсказания в мультивселенной II:

Довольно о принципах; что же происходит на практике?

Распределение собак в данном районе зависит от ряда условий, например: от культурного слоя, финансовых возможностей и просто обычной случайности. В силу этих сложностей чтобы сделать верный статистический прогноз, лучше всего обратиться за нужными данными в местный клуб собаководов, избежав тем самым размышлений, откуда взялось именно такое распределение собак. К сожалению, никто не ведёт перепись населения мультивселенных, поэтому такая возможность оказывается недоступной. Мы вынуждены опираться на наши теоретические идеи о том, как может возникнуть данная мультивселенная с тем или иным распределением составляющих её вселенных.

Ландшафтная мультивселенная, основанная на вечной инфляции и теории струн, вполне подходит для подобных исследований. В этом сценарии двумя генераторами новых вселенных являются инфляционное расширение и квантовое туннелирование. Напомним, как это происходит: вселенная в процессе инфляции, соответствующая той или иной долине в струнном ландшафте, квантово туннелирует сквозь одну из ближайших гор и оказывается в другой долине. Из первой вселенной — с определённым набором свойств, таких как константы взаимодействий, характеристики частиц, значение космологической постоянной и так далее — возникает расширяющийся пузырёк новой вселенной (см. рис. 6.7) с новым набором физических свойств, после чего процесс продолжается.

Подобные туннелирования, являясь квантовыми процессами, обладают вероятностным характером. Нельзя предсказать, где и когда они произойдут. Но можно предсказать вероятность того, что туннелирование произойдёт в любом заданном интервале времени и в любом заданном направлении — вероятность этого зависит от конкретных свойств струнного ландшафта, таких как высоты различных вершин и долин (то есть значения соответствующих космологических постоянных). Более вероятные туннелирования происходят чаще, что находит отражение в возникающем распределении вселенных. Поэтому стратегия должна быть следующей: с помощью математического аппарата инфляционной космологии и теории струн попытаться вычислить распределение вселенных с различными физическими свойствами внутри ландшафтной мультивселенной.

Загвоздка в том, что до сих пор это никому не удавалось сделать. Струнный ландшафт в том виде, как мы его сейчас понимаем, обладает необъятным количеством вершин и долин, поэтому вычислить свойства возникающей мультивселенной является невероятно трудной математической задачей. Пионерские работы космологов и струнных теоретиков значительно расширили наше понимание, однако следует признать, что исследования в этой области всё ещё находятся на начальном уровне.

Чтобы продвинуться дальше, сторонники мультивселенной предлагают добавить в анализ ещё один важный компонент. Это учёт эффекта отбора, о котором говорилось в предыдущей главе — антропного принципа.

 

Предсказания в мультивселенной III:

Антропный принцип

Многие вселенные в заданной мультивселенной обречены на безжизненность. Как мы видели, причина в том, что при отклонении значений фундаментальных параметров от наблюдаемых значений разрушаются условия, благоприятствующие возникновению жизни. Сам факт нашего существования означает, что мы никогда не сможем оказаться в любой из таких безжизненных областей, и поэтому нечего дальше объяснять, почему мы не видим свойственную им комбинацию параметров. Если есть некий вариант мультивселенной, из которого гарантированно следует существование единственной вселенной с благоприятными условиями для возникновения жизни, то нам повезло. Мы сможем математически вывести свойства такой вселенной. Если они отличаются от измеряемых свойств нашей Вселенной, то этот вариант мультивселенной будет отброшен. Если же полученные свойства согласуются с нашими, это станет впечатляющим подтверждением антропного подхода, а также приведёт к неимоверному расширению существующей картины мира.

В более правдоподобном случае, когда вселенная с благоприятными условиями для возникновения жизни не является единственной, ряд теоретиков (таких как Стивен Вайнберг, Андрей Линде, Александр Виленкин, Джордж Эфстатиу и многие другие) ратуют за расширенный статистический подход. Вместо вычисления относительного соотношения разных вселенных в рамках мультивселенной, они предлагают вычислить число их обитателей — физики обычно называют их наблюдателями, — которые могли бы оказаться в той или иной вселенной. В некоторых вселенных условия вряд ли совместимы с жизнью, поэтому наблюдателей там будет немного, подобно случайному кактусу в безжизненной пустыне; вселенные с более благоприятными условиями будут изобиловать наблюдателями. Идея в том, что подобно тому как на основе данных по переписи собак можно предсказать, какая собака нам встретится сегодня, на основе данных по переписи наблюдателей можно предсказывать свойства, которые типичный житель мультивселенной — например, вы и я, согласно логике этого подхода, — ожидает увидеть.

Конкретный пример был проанализирован в 1997 году Вайнбергом и его соавторами Хьюго Мартелом и Полем Шапиро. Рассмотрев мультивселенную с космологической постоянной, варьирующейся от одной вселенной к другой, они вычислили, насколько возможной будет жизнь в каждой из них. Эта трудная задача поддалась решению при помощи трюка, предложенного Вайнбергом (см. главу 6): вместо жизни как таковой надо рассматривать образование галактик. Чем больше галактик, тем больше планетарных систем и, следовательно, согласно исходному предположению, бо́льшая вероятность жизни, например, разумной жизни. Тогда, как выяснил в 1987 году Вайнберг, даже совсем крошечная космологическая постоянная порождает достаточное гравитационное отталкивание, способное нарушить образование галактик, поэтому имеет смысл рассматривать лишь те области мультивселенной, в которых космологическая постоянная достаточно мала. Отрицательная космологическая постоянная соответствует вселенным, которые схлопываются прежде, чем успевают образоваться галактики, поэтому подобными областями мультивселенной также можно пренебречь. Таким образом, антропный принцип фокусирует наше внимание на части мультивселенной с очень узким диапазоном значений космологической постоянной; как обсуждалось в главе 6, вычисления показывают, что если в заданной вселенной имеются галактики, то её космологическая постоянная не должна превосходить приблизительно двухсоткратную критическую плотность (что эквивалентно по массе примерно 10−27 грамма на кубический сантиметр пространства, или что составляет примерно 10−121 в планковских единицах).

Для вселенных, космологическая постоянная которых находится в этих пределах, Вайнберг, Мартел и Шапиро провели более подробные вычисления. Они выяснили, какая доля материи в каждой такой вселенной будет слипаться в сгустки в течение космологической эволюции, что является ключевым шагом на пути образования галактик. Они обнаружили, что если значение космологической постоянной находится очень близко к верхней границе допустимого диапазона, будет образовываться сравнительно немного сгустков материи, потому что отталкивающее действие космологической постоянной будет проявляться подобно сильному ветру, разгоняющему сгустки пыли. Если же значение космологической постоянной находится вблизи нижней границы допустимого диапазона, то есть нуля, то может возникнуть значительное количество сгустков материи, потому что разрушительное влияние космологической постоянной минимизировано. Это означает, что с высокой долей вероятности вы окажетесь во вселенной, космологическая постоянная которой почти равна нулю, так как подобные вселенные содержат большое количество галактик, а потому, следуя логике этого подхода, велик шанс возникновения жизни. Есть совсем небольшая вероятность оказаться во вселенной с космологической постоянной вблизи верхней границы допустимого диапазона значений, что составляет примерно 10−121, ибо такие вселенные населены небольшим количеством галактик. И существует некая скромная вероятность того, что вы окажетесь во вселенной с промежуточной космологической постоянной между двумя крайними значениями.

Используя количественные данные этих результатов, Вайнберг и его соавторы рассчитали космический аналог встречи с 27-килограммовым лабрадором во время обычной прогулки по району, то есть они вычислили значение космологической постоянной, каким оно видится среднестатистическому наблюдателю мультивселенной. И каким был ответ? Чуть больше найденного в измерениях по сверхновым, но примерно того же порядка. Они оценили, что примерно от 1 из 10 до 1 из 20 обитателей мультивселенной будут ощущать примерно то же, что и мы, измеряя при этом значение космологической постоянной в их вселенных, равное 10−123.

И хотя нам бы хотелось видеть более высокий процент, полученный результат всё равно впечатляет. До этих вычислений несоответствие между теорией и экспериментом составляло примерно 120 порядков величины, что, несомненно, указывало на громадный провал в наших знаниях. Однако подход Вайнберга и его соавторов продемонстрировал, что оказаться во вселенной с космологической постоянной, значение которой сопоставимо с измеряемым нами, не более удивительно, грубо говоря, чем натолкнуться на ши-тцу в районе, где преобладают лабрадоры. Иными словами, совсем не удивительно. Мы можем утверждать, что в рамках мультивселенного подхода то значение космологической постоянной, что мы наблюдаем, никак нельзя рассматривать как свидетельство нашего глубокого непонимания, а это громадный шаг вперёд.

Однако более детальный анализ выявил интересные тонкости, которые некоторые склонны рассматривать как слабое место этого результата. Ради простоты Вайнберг и его соавторы полагали, что в мультивселенной только значение космологической постоянной варьируется от вселенной ко вселенной; другие физические параметры считались фиксированными. Макс Тегмарк и Мартин Риз заметили, что если рассмотреть вариации не только значений космологической постоянной, но и, скажем, вариации размера исходных квантовых флуктуаций от вселенной ко вселенной, то конечный ответ будет другим. Напомним, что такие флуктуации являются первичными зёрнышками, из которых возникнут галактики: крохотные квантовые колебания, растянутые инфляцией, приводят к случайному набору областей, плотность вещества в которых чуть выше или чуть ниже среднего значения. Области с высокой плотностью сильнее притягивают материю по соседству, поэтому растут ещё быстрее, превращаясь в конце концов в галактики. Тегмарк и Риз указали, что первичные зёрнышки вещества легче противостоят гравитационному отталкиванию, порождаемому космологической постоянной, подобно тому как большая куча листьев лучше противостоит напорам ветра. Таким образом, мультивселенная, в которой варьируются как размеры первичных зёрнышек, так и значения космологической постоянной, будет содержать вселенные, в которых большие значения космологической постоянной окажутся скомпенсированы большим размером первичных зёрнышек; такая комбинация будет совместима с образованием галактик и, следовательно, — с жизнью как таковой. В мультивселенной такого сорта типичный наблюдатель увидит увеличенное значение космологической постоянной, что в свою очередь приводит к уменьшению — скорее всего, резкому — доли наблюдателей, которые обнаружат, что их космологическая постоянная так же мала, как наша собственная.

Преданные сторонники мультивселенной ссылаются на результат, полученный Вайнбергом и его соавторами, как на большой успех антропного принципа. А противники парируют результатами, полученными Тегмарком и Ризом и принижающими весомость антропных доводов. На самом деле, споры пока преждевременны. Это всё в высшей степени предварительные и пробные вычисления, которые в лучшем случае дают повод задуматься над самим антропным принципом. При определённых ограничениях из них следует, что антропный подход позволяет уложиться в диапазон измеряемых значений космологической постоянной; но стоит немножко ослабить эти ограничения, и вычисления мгновенно приводят к существенному росту диапазона допустимых значений. Такая чувствительность означает, что для более подробных вычислений в теории с мультивселенной потребуется более точное понимание характеристик составляющих вселенных и того, как они варьируются, что должно в конце концов привести к замене произвольных допущений чёткими теоретическими указаниями. Всё это очень важно для того, чтобы теория мультивселенной позволяла сделать определённые предсказания.

Учёные упорно трудятся над достижением этой цели, однако им предстоит ещё много чего преодолеть.

 

Предсказания в мультивселенной IV:

Что ещё нужно?

Какие ещё препятствия нам предстоит преодолеть, прежде чем мы сможем получить точные предсказания из данной теории мультивселенной? Начнём с трёх самых главных.

Во-первых, как мы наглядно видели в рассмотренном выше примере, анализируемая модель мультивселенной должна давать возможность определить те физические свойства, которые варьируются от одной вселенной к другой, и для этих свойств мы должны уметь вычислять их статистическое распределение. Существенным здесь является понимание космологического механизма, благодаря которому мультивселенная населяется вселенными (такому как образование дочерних вселенных в модели ландшафтной мультивселенной). Именно этот механизм определяет, насколько один тип вселенных превалирует над другим, и, следовательно, именно он задаёт статистическое распределение физических свойств. Если повезёт, то получаемые распределения во всей мультивселенной, либо среди тех вселенных, в которых возможна жизнь, будут достаточно скошены, так что мы сможем извлечь определённые предсказания.

Во-вторых, если мы действительно опираемся на антропный принцип, то следует учесть то основное предположение, что мы, человечество, являемся самым заурядным видом. Жизнь может оказаться редким явлением для мультивселенной; а разумная жизнь ещё более редким. Но согласно антропному принципу, среди всех разумных существ мы настолько типичны, что то, что мы наблюдаем, должно представлять собой средние значения среди всех возможных значений, наблюдаемых любыми другими разумными существами, населяющими мультивселенную. (Александр Виленкин назвал это принципом заурядности.) Если распределение физических свойств среди вселенных, где возможна жизнь, известно, такие средние можно вычислить. Однако, как правило, в этом вопросе нет ясности. Если впоследствии учёные покажут, что наши наблюдения попадают в диапазон вычисленных средних для некоторой частной мультивселенной, то уверенность в нашей типичности — а также в гипотезе мультивселенной — заметно укрепится. Эго было бы здорово! Но если наши наблюдения не попадут в диапазон средних значений, тогда это может свидетельствовать об ошибочности гипотезы мультивселенной или же может означать, что человечество не заурядный вид, а какой-то особенный. Даже на территории, на 99 процентов населённой лабрадорами, всё равно можно натолкнуться на какого-нибудь добермана, нетипичную собаку для этого места. В этой ситуации будет совсем непросто определить, является ли гипотеза мультивселенной ошибочной, или же она верна, но наша Вселенная почему-то оказалась совсем нетипичной.

Прогресс в этом направлении потребует, по всей видимости, более глубокого понимания механизма возникновения жизни в данной мультивселенной; подобные знания могли бы по крайней мере прояснить, насколько типичной была до сих пор наша эволюция. Это, конечно, очень важная задача. На данный момент, в большинстве антропных рассуждений этот вопрос полностью игнорируется под прикрытием идеи Вайнберга, что число разумных форм жизни в данной вселенной пропорционально числу содержащихся в ней галактик. Насколько мы понимаем, для разумной формы жизни необходима тёплая планета, для чего требуется звезда, входящая в какую-нибудь галактику, поэтому есть основания считать идею Вайнберга вполне убедительной. Но поскольку наши знания весьма рудиментарны, даже в вопросе собственной эволюции, это предположение не более чем гипотеза. Чтобы вычисления стали более точными, необходимо лучше понимать происхождение и развитие разумных форм жизни.

Мы подошли к третьему препятствию. На первый взгляд, его просто объяснить, но оно гораздо сложнее, чем кажется. Речь идёт о разделении бесконечности.

 

Разделение бесконечности

Чтобы сформулировать проблему, вернёмся к примеру с нашими собаками. Допустим, вы живёте в районе, в котором 3 лабрадора и одна такса. Закрывая глаза на усложнения типа частоты выгула собак, заключаем, что вероятность встретить лабрадора в 3 раза выше. Тот же вывод справедлив, если вокруг 300 лабрадоров и 100 такс; 3000 лабрадоров и 1000 такс; 3 миллиона лабрадоров и 1 миллион такс и так далее. Но что, если оба этих числа бесконечно большие? Как сравнить бесконечное число такс с троекратно бесконечным числом лабрадоров? Звучит как детский вопрос, ставящий в тупик родителей. Но это на самом деле серьёзный вопрос. Правда ли, что троекратная бесконечность больше обычной бесконечности? Если да, она больше именно в 3 раза?

Как известно, сравнение бесконечно больших чисел является исключительно хитроумной задачей. Для собак на Земле такой проблемы, конечно же, не возникает, потому что их численность конечна. Но для вселенных, входящих в какую-то определённую мультивселенную, эта проблема стоит весьма реально. Возьмём, например, инфляционную мультивселенную. Рассматривая весь кусок швейцарского сыра с точки зрения воображаемого внешнего наблюдателя, можно увидеть, что кусок продолжает увеличиваться и безостановочно порождает новые вселенные. Именно это подразумевается под термином «вечная» в «вечной инфляция». Кроме того, мы видели, что с точки зрения внутреннего наблюдателя каждая отдельная дочерняя вселенная тоже имеет бесконечное число разделённых между собой областей, что приводит к лоскутной вселенной. Пытаясь сделать те или иные предсказания, мы с неизбежностью сталкиваемся с бесконечностью вселенных.

Для понимания математической стороны вопроса представьте, что вы выиграли в телевизионной викторине и вам достался необычный приз: бесконечный набор конвертов, в первом из которых лежит 1 доллар, во втором 2 доллара, в третьем 3 доллара и так далее. Как обычно, под аплодисменты зала ведущий предлагает вам сделать выбор. Либо вы берёте ваш приз, как он есть, либо содержание каждого конверта можно удвоить. На первый взгляд вам очевидно, что второй вариант гораздо выигрышней. «В каждом конверте будет в 2 раза больше денег, чем раньше» — думаете вы, — «поэтому будет правильным выбрать именно второй вариант». Действительно, если число конвертов конечно, то такое решение было бы правильным. Обменять 5 конвертов с 1, 2, 3, 4 и 5 долларами на конверты с 2, 4, 6, 8 и 10 долларами будет более чем разумно. Однако, немного подумав, вы начнёте сомневаться, потому что поймёте, что в бесконечном случае всё не так очевидно. «Если выбрать второй вариант», — думаете вы, — «у меня останутся конверты с 2, 4, 6 и так далее долларами, то есть со всеми чётными числами. Но сейчас в конвертах находятся доллары, пробегающие весь ряд целых чисел, как чётных, так и нечётных. Поэтому если выбрать второй вариант, то из полной суммы денег будут отобраны все конверты с нечётным количеством долларов. Как-то непохоже, что это будет правильным решением». Вы начинаете лихорадочно соображать. Если сравнивать поконвертно, то второй вариант весьма привлекателен. А если сравнивать наборы конвертов, то не очень.

Дилемма, с которой вы столкнулись, иллюстрирует тип математических ловушек, которые так затрудняют сравнение бесконечных наборов. Зрители в зале начинают нервничать, вам пора уже сделать выбор, а ваша оценка того или иного выбора зависит от того, как вы сравниваете два результата.

Аналогичная неоднозначность возникает и при сравнении самих основ таких наборов: числа элементов в каждом из них. Пример с телевизионной викториной также хорошо иллюстрирует эту сторону вопроса. Чего больше: всех чётных чисел или всех целых чисел? Большинство людей ответят, что больше целых чисел, потому что чётные числа составляют лишь половину от общего количества. Однако опыт викторины позволяет более аккуратно подойти к этому вопросу. Представьте, что вы выбираете второй вариант — получить все чётные суммы долларов. В этом случае вам не придётся откладывать в сторону часть конвертов или требовать новые, так как ведущий просто удвоит сумму денег в каждом из них. Таким образом, заключаете вы, число конвертов, необходимых для размещения всех нечётных и всех целых сумм долларов является тем же самым, и, следовательно, заполнение каждой категории чисел равно между собой (табл. 7.1). И это странно. Сравнивая одним методом — рассматривая чётные числа как подмножество всех целых чисел, — вы делаете вывод, что целых чисел больше. Применяя другой метод — подсчитывая, сколько надо конвертов для размещения каждого вида чисел, — вы делаете вывод, что множество целых чисел и множество чётных чисел имеют одинаковое заполнение.

Таблица 7.1. Каждое целое число спарено с чётным числом, и наоборот, откуда возникает предположение, что их количества совпадают

Таблица 7.2. Каждое целое число спарено с дважды чётным числом, в результате чего остаётся бесконечный набор чётных чисел без пары. Отсюда возникает предположение, что чётных чисел больше, чем целых

Можно даже убедить себя, что чётных чисел больше чем целых. Представьте, что в качестве альтернативного варианта на викторине предлагается учетверить деньги в каждом конверте так, что в первом окажется 4, во втором 8, в третьем 12 долларов и так далее. Так как число конвертов опять не изменилось, возникает предположение, что количество целых чисел из первого варианта равно количеству чисел кратных 4 из второго варианта (табл. 7.2). Однако такое составление пар, когда каждое целое число сопоставляется числу кратному 4, даёт бесконечный набор чётных чисел, оставшихся без пары — 2, 6, 10 и так далее, — что наводит на мысль, что чётных чисел больше чем целых.

С одной стороны, количество чётных чисел меньше чем целых. С другой стороны, эти количества равны друг другу. С третьей стороны, чётных чисел больше чем целых. И выходит, что нет какого-то одного правильного вывода. Абсолютного ответа на вопрос, какой из этих бесконечных наборов больше, попросту не существует. Получаемый вами результат зависит от способа сравнения.

Здесь возникает головоломка для теорий с мультивселенными. Как определить, что тот или иной тип вселенных имеет больше галактик и более расположен к возникновению жизни, если число рассматриваемых вселенных бесконечно? Мы столкнёмся с точно такими же двусмысленностями, как были описаны выше, если физические соображения не продиктуют, что взять за основу при определении способа сравнения. Теоретики сформулировали несколько способов сравнения, аналогичных составлению пар в приведённых выше таблицах, которые возникают в той или иной физической модели, — однако определённой процедуры, с которой согласны все, пока не разработано. Разные подходы приводят к разным результатам, подобно примерам с бесконечными наборами чисел. Согласно одному способу сравнения, преимущество имеют вселенные с одним набором свойств; согласно другому способу — другие.

Такой произвол сильно влияет на определение типичных или средних свойств в данной мультивселенной. Физики называют это проблемой измерения. Смысл этого математического термина вполне отражён в его названии. Необходимо иметь способ измерения размеров различных бесконечных наборов вселенных. Именно эта информация необходима для того, чтобы делать предсказания. Именно эта информация необходима, чтобы разобраться, насколько вероятнее, что мы находимся во вселенной одного типа, а не другого. Пока не будет найден фундаментальный принцип для сравнения бесконечных наборов вселенных, мы не сможем математически предсказывать результаты наблюдений и экспериментов, проводимых типичными обитателями мультивселенной, то есть нами. Поэтому нам не удастся избежать решения проблемы измерения.

 

Что ещё волнует скептиков

Я посвятил проблеме измерений отдельный раздел, не только потому что она является огромным препятствием на пути получения предсказаний, но также потому, что из неё вытекают другие проблемные следствия. В главе 3 было объяснено, почему инфляционная теория стала de facto космологической парадигмой. Крайне высокий темп расширения в течение первых мгновений жизни нашей Вселенной привёл к тому, что области, удалённые друг от друга в настоящем, могли быть связаны друг с другом в прошлом, что объясняет общую температуру, обнаруженную в современных экспериментах; быстрое расширение сглаживает также любую пространственную кривизну, что придаёт пространству плоскую форму, которая согласуется с наблюдениями; наконец, такое расширение превращает квантовые флуктуации в мельчайшие температурные колебания по всему пространству, которые наблюдаются в реликтовом излучении и которые важны для образования галактик. Эти достижения неоспоримы. Однако если инфляция продолжается вечно, это может свести успехи на нет.

Когда в игру вступают квантовые процессы, лучшее, что можно сделать, — это предсказать вероятность одного результата относительно другого. Физики-экспериментаторы, понимая всю важность этого, вновь и вновь проводят эксперименты, набирая целую гору данных для статистической обработки. Когда квантовая механика предсказывает, что один результат в 10 раз вероятнее другого, полученные данные должны очень точно отражать это соотношение. Вычисления реликтового излучения, соответствие которого наблюдательным данным является наиболее убедительным аргументом в пользу инфляционной теории, основываются на квантовых флуктуациях, и поэтому тоже имеют вероятностный характер. Однако в отличие от лабораторных экспериментов эти вычисления нельзя проверить, запуская Большой взрыв снова и снова. Тогда как их интерпретировать?

Если в результате теоретического анализа получается, что, скажем, с вероятностью 99 процентов данные по реликтовому излучению имеют один вид, а не другой, и если более вероятный результат согласуется с нашими наблюдениями, то такие данные рассматриваются как серьёзный аргумент в пользу теории. Логика в том, что если некоторый набор вселенных возник на основе одних и тех же физических законов, то теория утверждает, что примерно 99 процентов таких вселенных будут похожи на то, что мы наблюдаем, а 1 процент будет иметь значительные отклонения.

Теперь если бы в инфляционной мультивселенной имелся конечный набор вселенных, то можно было бы прямо утверждать, что число нетипичных вселенных, в которых квантовые процессы привели бы к данным, не соответствующим ожидаемым, останется относительно малым. Однако, когда набор вселенных бесконечен, как в инфляционной мультивселенной, интерпретация чисел становится значительно более трудной задачей. Что такое 99 процентов от бесконечности? Бесконечность. А что такое 1 процент от бесконечности? Тоже бесконечность. Какая из них больше? От нас требуется сравнить два бесконечных набора. А как мы видели, даже когда кажется, что один набор больше другого, ответ зависит от используемого нами метода сравнения.

Тогда скептик делает вывод, что при вечной инфляции становятся условными сами предсказания, на которых зиждется наша уверенность в теории. Любой возможный результат, допустимый квантовыми вычислениями, каким бы маловероятным он ни был — 0,1 процента квантовой вероятности, 0,0001 процента квантовой вероятности или 0,0000000001 процента квантовой вероятности, — будет реализован в бесконечном числе вселенных просто потому, что любое из этих чисел, умноженное на бесконечность, равно бесконечности. Без фундаментального предписания того, как сравнивать бесконечные наборы, мы скорее всего не сможем сказать, что один набор вселенных больше другого, а потому он является наиболее вероятным типом наблюдаемых вселенных — мы теряем способность делать определённые предсказания.

Оптимист делает вывод, что замечательное согласие квантовых вычислений в инфляционной космологии с имеющимися данными (рис. 3.5) должно отражать какую-то глубокую истину. При конечном наборе вселенных и наблюдателей глубокая истина состоит в том, что вселенные, в которых данные отклоняются от квантовых предсказаний — те, которые составляют 0,1 процента квантовой вероятности, или 0,0001 процента квантовой вероятности, или 0,0000000001 процент квантовой вероятности, — встречаются действительно редко, и именно поэтому типичные обитатели мультивселенной, как мы с вами, не попадают ни в одну из них. При бесконечном наборе вселенных, заключает оптимист, глубокая истина должна быть в том, что аномальные вселенные встречаются опять-таки редко, однако нам ещё предстоит выяснить, как это происходит. Ожидается, что однажды мы найдём меру, определённый способ, который позволит сравнивать различные бесконечные наборы вселенных, и при этом доля вселенных, возникающих благодаря редким квантовым отклонениям, будет мала по сравнению с теми, квантовая вероятность которых более велика. Достижение этой цели остаётся колоссально трудной задачей, но большинство исследователей в этой области убеждены, что согласие теоретических выводов и полученных данных, представленное на рис. 3.5, означает, что когда-нибудь мы добьёмся успеха.

 

Нерешённые вопросы и мультивселенные:

Могут ли мультивселенные давать предсказания, которые нельзя получить другими способами?

Вы, безусловно, заметили, что даже в самых оптимистичных планах предполагается, что предсказания на основе мультивселенного подхода будут иметь другой характер, отличный от того, что мы традиционно ожидаем от физики. Прецессия перигелия Меркурия, магнитный дипольный момент электрона, энергия, выделяемая при расщеплении ядра урана на барий и криптон, — всё это примеры предсказаний. Они основаны на тщательных математических вычислениях, опирающихся на цельную физическую теорию, и дают в конце точные, проверяемые числа. Эти числа были подтверждены экспериментально. Например, вычисления дают, что магнитный момент электрона равен 2,0023193043628; измерения показывают, что он равен 2,0023193043622. С точностью до малых ошибок, присущих и первым и вторым, эксперимент таким образом подтверждает теорию с точностью 1 к 10 миллиардам.

В той ситуации, где мы сейчас находимся, кажется, что предсказания теории мультивселенной никогда не достигнут такого стандарта точности. Возможно, что в наиболее продвинутых сценариях мы сможем характеризовать как «весьма вероятные» предсказания того, что космологическая постоянная, или величина электромагнитного взаимодействия, или масса u-кварка будут лежать в некотором диапазоне значений. Но чтобы это улучшить, нам должно очень сильно повезти. Кроме решения проблемы измерения необходимо построить убедительный вариант теории мультивселенной с очень скошенными распределениями (например, чтобы с вероятностью 99,9999 процента наблюдатель оказался во вселенной с наблюдаемым значением космологической постоянной) или с удивительно тонкими корреляциями (например, что существование электрона возможно только во вселенных с космологической постоянной равной 10−123). Если теория мультивселенной не обладает такими правильными свойствами, то точность, всегда отличавшая физику от других дисциплин, будет потеряна. Есть много физиков, которые не готовы заплатить такую цену.

Довольно долго я тоже придерживался такой позиции, но затем моя точка зрения начала меняться. Как любой другой физик, я предпочитаю конкретные, точные и недвусмысленные предсказания. Но я, как и многие другие, пришёл к пониманию, что не все фундаментальные свойства Вселенной подходят для точных математических предсказаний; по крайней мере вполне логично допустить, что могут существовать свойства, не укладывающиеся в рамки точных предсказаний. С середины 1980-х годов, когда я был студентом, изучающим теорию струн, было широко распространено мнение, что эта теория однажды объяснит значения масс частиц, константы взаимодействий, число пространственных измерений и вообще любое фундаментальное физическое свойство. Я по-прежнему надеюсь, что эта цель будет достигнута. Однако я признаю, что чрезмерно требовать от уравнений теории так извернуться, чтобы выдать число типа массы электрона (0,000000000000000000000091095 в единицах планковской массы) или массы t-кварка (0,0000000000000000632 в единицах планковской массы). Когда же наступает очередь космологической постоянной, задача вырастает до исполинских масштабов. Вычисления, которые после многих страниц выкладок и мегаватт, затраченных на компьютерное моделирование, выдадут то самое заветное число, с которого начиналась глава 6, — не то чтобы в принципе были невозможны, но здесь может дать сбой даже самый оптимистичный оптимизм. Увы, теория струн сегодня ни чуть не ближе к вычислению любого из этих чисел, чем когда я был студентом. Однако это не значит, что теория струн или другая, ещё не известная теория, однажды не достигнет этого. Возможно, что оптимистам следует быть более изобретательными. Но в рамках сегодняшней физики имеет смысл поискать новые подходы. Именно этим занимается теория с мультивселенными.

В рамках хорошо разработанного подхода с мультивселенными можно чётко выделить те физические свойства, которые следует рассматривать с точки зрения, отличной от стандартной: это те свойства, которые изменяются от одной вселенной к другой. В этом сила данного подхода. В теории с мультивселенными можно иметь точный контроль над тем, какие нерешённые загадки, характерные для некоторой частной вселенной, сохранятся в мультивселенном контексте, а какие нет.

Космологическая постоянная являет собой первый пример. Если её значение варьируется в рамках данной мультивселенной, причём во вполне определённом интервале, тогда то, что когда-то было загадкой, — её значение — теперь становится весьма прозаичным. Подобно тому как в обувном магазине с налаженными поставками товара всегда найдутся ботинки вашего размера, так и необъятная мультивселенная заведомо будет содержать вселенные с измеренным нами значением космологической постоянной. Задача, над которой доблестно бились поколения учёных, легко может быть разрешена с помощью идеи мультивселенной. Мультивселенная показала, что этот вопрос, кажущийся столь глубоким и столь непонятным, возникает из-за ошибочного допущения, что космологическая постоянная имеет единственное значение. Именно в этом смысле теория мультивселенной может обладать значительной предсказательной силой и иметь потенциальную возможность оказать неоценимое влияние на ход научных исследований.

С подобными рассуждениями нужно обходиться очень аккуратно. Что если Ньютон, увидев упавшее яблоко, решил бы, что мы являемся частью мультивселенной, в которой яблоки в одних вселенных падают вниз, в других вверх, поэтому падающее яблоко лишь указывает на то, в какой именно вселенной мы находимся, и не стоит предпринимать никакие дальнейшие исследования? Или он бы пришёл к выводу, что в каждой вселенной какие-то яблоки падают вниз, а какие-то вверх, и причина, согласно которой мы видим только падающие вниз яблоки, — это всего лишь вопрос нашего окружения, то есть все падающие вверх яблоки в нашей Вселенной уже упали вверх, поэтому давно оказались где-то в глубинах космоса? Это, конечно же, глупый пример — никогда не существовало причины, в том числе теоретической, так думать — но вопрос сам по себе серьёзный. Привлекая мультивселенную, наука может ослабить стимул решать конкретные задачи, даже если некоторые из этих задач ждут своего решения в рамках стандартного подхода, без мультивселенной. Вместо того чтобы упорно трудиться и расширять своё понимание, можно попасть под обаяние мультивселенной и преждевременно забросить привычные методы исследований.

Здесь кроется потенциальная угроза, которая объясняет, почему некоторые учёные содрогаются при упоминании мультивселенных рассуждений. Именно поэтому концепция мультивселенной, если её воспринимать всерьёз, должна быть строго обоснована с помощью теоретических результатов, она должна чётко характеризовать вселенные, из которых она состоит. Анализ должен быть аккуратными и методичным. Однако отворачиваться от мультивселенной только потому, что она могла бы завести в тупик, также рискованно. Если мы так поступим, мы закроем глаза на реальность.